饱和铁芯型超导可控电抗器对线路工频过电压影响

彭俊臻,严玉廷,宋萌,胡南南,王斐宏

(1.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217; 2.昆明理工大学,昆明 650000; 3.云南电网公司电力研究院,昆明 650210)

饱和铁芯型超导可控电抗器对线路工频过电压影响

彭俊臻1,2,严玉廷3,宋萌3,胡南南3,王斐宏1,2

(1.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217; 2.昆明理工大学,昆明 650000; 3.云南电网公司电力研究院,昆明 650210)

分析饱和铁芯型超导可控电抗器的工作原理,在PSCAD/EMTDC中建立其电磁暂态模型,接入到500 kV超高压输电系统中进行时域仿真,观察其对不同类型线路工频过电压的影响,分析饱和铁芯型超导可控电抗器的投入对高压输电系统抑制线路工频过电压的效果。

饱和铁芯型超导可控电抗器;工频过电压;时域仿真

1 前言

电抗器是一种重要的电气装置,在电力系统中广泛地应用于限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压、补偿线路容性充电功率、抑制潜供电流、限制短路电流和平波等领域[1]。

随着电力系统的不断发展,对电抗器的性能要求越来越高,在许多场合希望电抗器的电抗值可实时调节或控制。超导可控电抗器是基于超导材料的超导电特性制成的,在低温下运行的超导可控电抗器和传统意义上的可控电抗器相比,具有体积小、重量轻,效率高,阻燃,谐波小等优点,大大降低了装置的成本和空间,提高了系统的稳定性。

以下通过对超导可控电抗器原理研究,分析超导可控电抗器抑制不同工频过电压的作用,对电抗器在各种工况下调节控制进行研究。

2 结构及原理

饱和铁心型超导电抗器的结构如图1所示,它由一对铁心电抗器组成,每个铁心上有一个交流铜绕组和一个直流超导绕组;由于交流电流的周期变化,任何时刻,其中一个铁心内的直流磁场与交流磁场同向,而另一个相反。两个交流绕组串接在输电线路中。

图1 饱和型铁心超导电抗器结构示意图

图2 饱和型铁心超导电抗器工作原理

超导可控电抗器铁心的磁化曲线示意图如图2的曲线1所示。当直流绕组中电流为零时,左右铁心中只存在交流磁通,交流绕组中的电流如曲线2所示。当直流绕组中通有电流时,分别代表左右心柱电流的曲线3和曲线4对时间轴来说是不对称。电抗器总的工作电流由两个交流绕组电流相加得到,如曲线5。将曲线5与曲线2相比较可以看出：在交流电压保持不变的情况下,增加直流励磁强度,可使交流绕组电流增加。根据这一特性,即可通过改变直流励磁的大小,调节交流绕组电流的大小,进而改变电抗器的容量,来达到调节系统无功的目的 (表1)。

表1 饱和铁芯型超导可控电抗器的调控方式

3 线路工频过电压分析

3.1 空载线路工频过电压形成原因

随着输电线路电压等级的提高,传送距离长达几百或上千公里。研究这样长度的输电线路的传输特性时,需采用分布参数模型如图3所示[3-5]。

图3 均匀分布参数线路模型图

图4 长线路的复合二端口网络

在工频稳态分析中,为简便起见,常采用均匀无损线模型,即R0=0,特性阻抗电压波与电流波之间无相位差。这样,以线路末端为坐标原点,且己知末端电压U2=U(0)及末端电流I2=I(0),x为线路上任意一点距离线路末端距离。沿线电压、电流同末端电压、电流之间的关系为：

对于一给定的R、L、C串联电路,若其参数R＜＜ωc＜ωL,且有当有正弦交流电流流过时,由于电感与电容上的压降U1、Uc反相,且其有效值U＞U1,于是电容上的压降大于电源的电势。这就是集中参数电路的 “电感——电容”效应,简称 “电容效应”。

系统电源可用电势E·和串联一个集中参数的等值电源阻抗Zs来替代.线路末端接一个集中参数负载Z2(当线路为空载时,Z2=∞),如图4所示,利用复合二端口网络理论求解并化解得：

3.2 三相甩负荷形成工频过电压原因分析

造成线路工频电压升高的另一原因是在输电线路传输负荷时,线路末端开关跳闸,突然甩负荷造成的,这就是有载线路无故障断开时形成工频过电压。影响甩负荷引起工频电压升高的主要因素有三个：①线路输送大功率时,发电机的电势必然高于母线电压,甩负荷后,发电机的磁链不能突变,将在短时间内维持输送大功率时的暂态电势E′d。跳闸前输送的功率越大,则均E′d越高,计算工频电压所用等值电势越大,工频电压升高就越大;②线路末端开关跳闸后,空线仍由电源充电,线路越长,电容效应越显著,工频电压越高;③原动机的调速器和制动设备有隋性,甩负荷后不能立即受到调速效果,使发电机转速升高,造成电势和频率都上升的结果,于是网络工频电压升高更严重。

如图5所示,原输送功率为 (P+jQ),线路末端电压U2,电流I2,线路首端电压U1,电流I1,考虑变压器漏抗和发电机暂态电抗为E′d后的电源等值电抗为Xs,在输送 (P-jQ)时发电机的暂态电势为E′d。

图5 三相甩负荷时形成工频过电压系统图

甩负荷前的稳定电压：

=U·2cosαl[1+jtanαl(P*-jQ*)] (5)

式中令U22/Zc≈Pλ为每相传输的自然功率,且P*=P/Pλ,Q*=Q/Qλ,类似的可得：

因Ed′=U1+jI1Xs,可得甩负荷瞬间的暂态电势

Ed′的模值为

设甩负荷后短时间内,发电机超速,系统频率f增到原来的Sf倍。随着f的增加,电势也相应正比上升。另外,线路相位系统α及系统电源等值电抗Xs均与f成正比关系,参照有限在电源与空载长线相连时线路末端电压升高计算式(4),可得甩负荷后线路末端电压U′2的数值,空长线末端电压升高的倍数其中U2=

3.3 发生不对称短路时形成工频过电压原因分析

不对称短路是输电线路最常见的故障形式,短路电流的零序分量会使健全相出现工频电压升高,常称为不对称效应,以不对称效应系数或接地系数表示由此产生的工频电压升高程度[6]。系统在发生不对称故障时,故障点各相电压和电流是不对称的,可以采用对称分量法利用复合序网方便地进行分析,设系统中A相发生单相接地故

·

··障,其边界条件为UA=0、IB=IC=0,于是由复

·合序网,如图6所示,图中EA为正常运行时故障相对地电压 (正序),Z1、Z2、Z0、分别为从故障点看进去的网络正序、负序、零序入端阻抗,

······

U1、 U2、U0及 I1、 I2、 I0分别为序网中电压和电流的正、负、零序分量,计算可得：

健全相电压则为：

图6 单相接地故障时的复合序网

表2 超导电抗器的具体参数

4 仿真分析

根据500 kV/300 Mvar单相超导可控电抗器的设计要求,电抗器无功变化范围为50%～100%,由此可计算电抗器的电抗值和电感变化范围,计算方法参照国标500 kV/350 Mvar干式空心并联电抗器专用技术规范,电抗器的具体参数 (表2).据此在PSCAD中建立500 kV输电系统 (图7),其中电源电抗Xs=18.8 Ω,线路R1=0.027 78 Ω/km,X1=0.271 6 Ω/km,R0=0.188 3 Ω/km,X0=0.722 2 Ω/km,线路总长l=1 000 km;超导可控电抗器控制特性曲线如图8所示。需要指出的是,可控电抗器的可控性是基于铁芯饱和程度的变化,这样导致了电抗器对电网注入一定量(一般小于5%)低次谐波,因此应配备相应的滤波装置,避免对电网带来不利影响[7-10]。

图7 超导可控电抗器在500 kV输电系统运用仿真模型

图8 超导可控电抗器控制特性曲线及谐波分析

4.1 超导可控电抗器对空载线路工频过电压作用

为了更好的研究超导可控电抗器对输电线工频过电压影响,分别在输电线路首末以及中段进行仿真分析。由理论分析知当系统输入的电源电抗Xs不变时,输电线路空载容升效应随线路长度增加而更加明显,如果不及时进行无功补偿,极易对电气设备绝缘性造成不利影响。

当分别在线路首末,以及中段接入超导可控电抗器时由式 (11)计算得出,抑制线路空载工频过电压所需的电抗值以及在控制特性图中的坐标。据此调节可控电抗器以限制过电压。

图9 1000 km空载输电线路不同位置接入可控电抗器后线路末端电压

如图9所示,若将电抗器接在空载线路首端,即使调节补偿度至100%线路末端电压峰值仍高达1 050 kV,对空载长线路的工频过电压抑制效果不明显;若在线路中段 (500 km)处接入电抗器,调节补偿度至100%,此时线路末端的电压与首端电压比为k=1.213,电抗器提供最大补偿容量,可有效降低线路容升效应产生的过电压;若将电抗器接于空载线路末端,仅需调节电抗器补偿度至 86%(控制特性曲线坐标 (3.4, 0.86)),线路末端电压与首端电压比降至 k= 0.993,对空载长线路工频过电压起到了良好的抑制作用,同时提供了一定的备用容量。

4.2 超导可控电抗器减低线路甩负荷过电压

当长1 000 km的500 kV输电线路无故障断开,所带负荷与形成工频过电压由表3和图10和所示。长线路轻载时 (负荷1),若不加无功补偿装置,末端电压仍会高于首端,对输电系统安全造成不利影响,因此轻载线路末端应投用可控电抗器并调至较高补偿度,当线路末端无故障断开后10个周波内的过电压平均峰值为434 kV,不用调节或小幅调高补偿度即可有效抑制产生的过电压。长线路重载时 (负荷2),可控电抗器调至较低补偿度,就可使线路末端电压和首端保持一致,当线路无故障切负荷后末端10个周波内平均电压峰值为1 134 kV,此时可快速调高可控电抗器补偿度以减低甩负荷的过电压,使切负荷后10个周波内的平均电压峰值为414 kV。

表3 线路带不同负荷切断前后电抗器控制坐标

图10 线路无故障切负荷过电压波形

4.3 超导可控电抗器对过电压的抑制

如图11(a)所示,线路正常运行时,可控电抗器励磁电流,末端电压与首端电压基本一致, 7 s时A相发生接地短路,0.5 s后故障切除线路恢复正常。由于短路电流的零序分量会使健全相出现工频电压升高,可控电抗器不动作电压峰值达700 kV,远高于首端电压,当故障发生时可调节可控电抗器的励磁电流可以有效抑制过电压。如图11(b)所示,7 s时将健全相可控电抗器励磁电流由3.4kA调至3.5 kA使电抗器电抗下降,从而将过电压峰值减小至530 kV。

图11 单相故障时工频过电压波形及可控电抗器动作曲线

5 结论

常见工频过电压包括长线路空载过电压、三相甩负荷过电压及单相短路工频过电压。本文通过对铁芯饱和型超导可控电抗器建模仿真,分析其在500 kV超高压输电系统中对工频过电压的抑制作用得出以下结论：

1)对于超高压长线路空载时,由于容升效应的作用导致线路末端电压升高,利用大容量的超导可控电抗器对其进行连续,可靠的调节和补偿,保证输电线路的电气绝缘安全。

2)当线路发生甩负荷而引起过电压时,根据线路不同的负载情况,通过调节超导可控电抗器的补偿度可快速实现线路过电压的抑制,由于可控电抗器能平滑连续的调节,保证了输电系统稳定的同时,还大大提供了系统输电能力。

3)当线路发生不对称短路故障时,铁芯饱和型超导可控电抗器也可以快速响应 (小于0.5 s),有效抑制健全相上的工频过电压。

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Analysis of the Influence of Saturated Core Superconducting Controllable Reactor on Line Power Frequency Overvoltage

PENG Junzhen1,2,SONG Meng3,YAN Yuting3,HU Nannan3,WANG Feihong1,2
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217; 2.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000; 3.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming,650217)

With the technology of superconducting developing,Superconducting controllable reactor has more significant advantages ,large capacity,small volume,fast response speed,than the traditional reactor.SCSCR(Saturated core superconducting controllable reactor)is simple in structure and plays an important role in limiting over voltage in EHV and UHV transmission system. Through the analysis of the working principle of saturated core superconducting controllable reactor,this paper established the electromagnetic transient model of SCSCR and accessed to the 500 kV EHV transmission system for time domain simulation,By studied on the effect of different types of frequency overvoltage the paper provide theoretical reference for the application of saturated core superconducting controllable reactor in power system.

Saturated core superconducting controllable reactor;over-voltage;time domain simulation

TM86

B

1006-7345(2014)01-0038-06

2013-06-20

彭俊臻 (1988),男,硕士研究生,云南电网公司研究生工作站研究生,研究方向为超导电力技术,电气工程 (e-mail) 355167214@qq.com。