并联补偿线路合闸操作直流偏置研究

黄然,赵现平,马仪,彭兆裕,张恭源,项恩新

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

并联补偿线路合闸操作直流偏置研究

黄然,赵现平,马仪,彭兆裕,张恭源,项恩新

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

通过理论推导阐述了带有并联电抗器的线路合闸时,断路器电流直流分量的产生机理和影响因素,建立起基于实际线路参数的500 kV德宏博尚I回输电工程PSCAD模型,仿真计算并分析合闸电阻、串联补偿装置、合闸相位、并联电抗器投入情况对空载合闸操作时线路电流直流分量的抑制效果,提出可实施的抑制并联补偿线路断路器直流偏置的措施。

1 前言

超高系统中广泛采用并联电抗器来补偿线路的电容电流,改善长距离输电线路上的电压分布,降低工频暂态过电压,提高线路的输送能力。电抗器的容量越接近线路的容性无功,对改善无功平衡的过电压越有利。由于流过电抗器的电流不能突变,在充电过程中会产生较大的直流电流,当电流工频分量小于直流分量时,合空线操作后相当长一段时间内流过断路器的电流将没有稳定的过零点。若在短时内断路器因各种原因接到分闸命令,因直流偏置造成的电流持续不过零会导致断路器主触头达到分位后不能及时灭弧,持续数百毫秒的燃弧将烧损灭弧室内部件,劣化SF6气体,并可能最终发展成对地闪络等更严重的故障。

以上情形在带高抗线路快速重合闸、合-分-合、分-合-分试验中都可能出现,在线路进行空载合闸充电操作时,还可能因三相电流较长时间不过零,导致保护误动,无故障跳开断路器。因此研究带高抗线路直流偏置现象的产生机理及影响因素,对开关设备可靠性及系统安全稳定运行有着重要意义[1-4]。

2 带高抗线路合闸时的直流分量

带有并联电抗器的线路,合空线时电流产生直流偏置的根本原因在于电抗器的电流不能突变。以A相为分析对象,假设在t=0时刻断路器合闸,高抗电感为L,电阻为R,如图1所示。

图1 A相合闸等效示意图

在合闸前,系统中A相的电压ua和电流ia分别为：

其中,Um、Im分别为A相电压、电流峰值; α为合闸前电源电压的初相角;φ为合闸前电压与电流的夹角。110 kV及以上电压等级输电系统中性点直接接地,合闸后根据图1及基尔霍夫电压定律可列微分方程：

解微分方程得：

带入初始条件可求解出合闸后线路电流数学表达式如下：

从式 (5)可以看出,合闸后电流由两部分构成,一部分为周期性的交流分量,另一部分为随时间衰减的非周期分量,也就是直流分量,直流分量起始值越大衰减越慢,则合闸后线路电流不过零的时间越长,越不利于断路器熄弧[5-6]。

3 带高抗线路投切直流偏置计算

3.1 建模及仿真

以500 kV德宏博尚I回输电线路为研究对象,线路采用分布参数模型,两侧高抗配置为5.394 H/相,中性点小抗档位为2.546 H,线路末端带串联补偿。

不考虑母线上出线数,串补电容,合闸电阻对电流的抑制作用,仿真计算较恶劣初始工况下线路空载合闸操作的三相电流,德宏博尚I回线德宏侧1.2 s时刻下空载合闸三相电流波形如图2。

图2 带高抗线路合闸时电流直流偏置kA

空载分闸为三相同期操作,由图3可见A、C两相电流有明显的直流风量,其中C相电流约在2.2 s时刻第一次过零,存在长约700 ms的零偏拖尾;A相电流约在2.8 s时刻第一次过零,零偏时长超过1 s。

3.2 直流偏置影响因素仿真分析

根据第一部分的分析,带高抗线路合闸电流的非周期分量幅值为Imsin(α-φ)-Impsin(αφk),衰减时间常数为Ta=L/R。电流工频分量幅值,直流分量衰减起始值及衰减速度是影响直流偏置最直接的因素。一般情况下,电抗器的电感与电阻值之比变化不大,因此直流分量衰减速度大致固定。影响直流偏置的因素主要为电流工频与直流分量的幅值,当直流分量的幅值大于工频分量时合闸后线路电流的不过零时间较长;线路空充电流的工频分量越大,合闸过程中产生的直流偏置越小越有利于合闸后电流快速出现过零点。

在输电工程实际中,可通过装设合闸电阻,控制合闸初相位,调整补偿度等手段,削弱线路合闸电流的直流偏置。

3.2.1 合闸电阻

500 kV德博I回线德宏侧断路器带400 Ω合闸电阻,辅助触头接入时间为10 ms,带高抗空载合闸,线路三相电流波形如图3所示。

断路器加装合闸电阻后,增大了灭弧室弧道回路阻尼,合闸电阻接入的时间内有效降低了断路器电流直流偏置分量的衰减起始值,并且缩短了合闸后电流首次过零的时间。由图4可见,A、C相电流虽然都出现直流偏置,但充电电流始终都存在过零点,可保证断路器在短时内接到分闸命令后能及时开断。

3.2.2 串联补偿装置

500 kV德博I回线路串联补偿按50%的补偿度,三相额定容量620 Mvar,额定电容112.34 μF进行补偿,线路带高抗空载合闸,三相电流波形如图4所示。对带串补的线路,在合闸前投入工作状态的串补装置,直流偏置可以得到很好的削弱。

图3 带合闸电阻三相同期空载合闸

图4 带串补三相同期空载合闸

3.2.3 合闸初相位

以A相为合闸初相角参考相,分别以德宏侧电源相角0°、45°、90°、180°作为合闸初相位,进行500 kV德博I回线空载合分操作的仿真计算,得到三相电流波形如图5。

图5 不同初相角下空载合-分操作电流波形

由图5可见,三相电流随合闸初始相位的不同存在不同程度的零偏。在相位为0°或180°(电流瞬时值过零)时刻合闸,产生的直流分量幅值最大,在相位为90°(电流瞬时值为峰值)时刻合闸,产生的直流分量幅值最小。因此通过合闸相位控制可有效控制直流分量衰减的起始值,使合闸时直流风量幅值小于交流分量,达到削弱直流偏置的目的[7-9]。

3.2.4 并联补偿度

直流分量的大小与合闸相位有关,而直流分量是否造成电流没有过零点并引发断路器不能熄弧的风险,与交流分量的大小有关,当直流分量的幅值超过交流分量时,则上诉风险可能发生。交流分量的大小等于经电抗器补偿后线路剩余的空充电流,因此降低并联电抗器的补偿度,增加空充电流的交流分量,对降低直流偏置的风险有积极作用。按照500 kV德博I回线路空载合闸前,两侧高抗都退出和仅退出德宏侧高抗设置初始工况,两初始工况合分闸初始相位相同,进行德宏侧空载合分操作仿真计算,线路电流波形如图6。

图6 高抗退出时线路空载合分操作电流波形 (单位：kA)

由图6可见,两侧都带高抗线路,在空载合闸操作前仅退出一侧高抗,对三相电流的零偏就能起到很好的削弱作用,三相电流始终有过零点。如果空载操作前两侧高抗都退出,在发生故障开关跳开时,线路与高抗之间不构成回路,线路电荷无法通过对地电容与高抗之间的自激振荡衰减释放,将产生持续的过电压 (图7)。因此,仅退出一侧高抗是更安全合理的方式。

图7 高抗退出时线路空载合分操作电压波形

4 结束语

带高抗线路投切时相电流的直流偏置大小与合闸相角、线路参数、补偿度等诸多因素有关,但并非理论分析中的影响因素都能在实际设备上实施并取得成效,在实际中可考虑采取的带高抗长线路投切时直流偏置抑制措施主要包括几点：

1)装设带有合闸电阻的断路器,合闸电阻增大了灭弧室弧道回路阻尼,有效降低直流分量衰减起始值,同时缩短了合闸后电流首次出现过零点的时间。

2)对带串联补偿装置的线路,在线路合闸或重合闸操作之前投入串补。

3)增大合闸时交流分量的幅值,通过降低并联补偿度,线路合闸操作前部分退出两侧的高压并联电抗器。

4)削弱合闸时直流分量的幅值,通过合闸相位控制策略实现在峰值时刻合闸。

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Research on DC Offset in Closing Operation of Transmission Lines with Shunt Reactors

HUANG Ran,ZHAO Xianping,MA Yi,PENG Zhaoyu,ZHANG Gongyuan,XIANG Enxin
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

DC component in current of circuit breaker and its influencing factors during transmission line closing operation are analyzed in this paper.Based on the parameters of 500 kV Dehong-Boshang I transmission line,PSCAD over-voltage simulation model is built.The extinction effect from closing resistor,Series compensation,closing phase and parallel compensation degree to DC component in current of circuit breaker are simulation calculated.Based on this,reasonable measures for preventing the failure risks of circuit break brought by DC offset are put forward.

DC offset;shunt reactors;circuit breaker;no-load closing;closing resistor

TM75

B

1006-7345(2014)01-0082-04

2013-08-19

黄然 (1986),女,硕士,工程师,云南电网公司电力研究院,主要研究方向为电力设备外绝缘及电力系统过电压 (email)ynsy_hr@126.com。

摘要词：直流偏置;并联电抗器;断路器;空载合闸;合闸电阻