限流电抗器在华北油田配电网中的应用仿真

郭永明,刘观起

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 0710032)



限流电抗器在华北油田配电网中的应用仿真

郭永明,刘观起

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 0710032)

结合华北油田配电网电压暂降实际情况,在PSASP平台上进行建模仿真。根据电网实际运行特点,以敏感母线为目标,通过加装限流电抗器来抑制电压暂降。仿真结果表明,短路故障发生时,限流电抗器能够维持敏感母线的电压水平,起到保护重要负荷的目的。与此同时,限流电抗器产生的电能损耗也不容忽视。

电压暂降;短路故障;限流电抗器;敏感母线

为了保护电气设备在短路时不受损害,需要采取有效的限流措施,以确保电网的安全可靠运行。目前常用的限流方法为改变电网运行方式、改造电网结构和安装限流设备等[1-2]。前两种方式在限制短路电流的同时,也改变了电网的初始状态,在一定程度上牺牲了电网的可靠性,而安装限流设备是最直接有效的方式。限流电抗器[3-4]是当今限流设备之一,其本质是通过增加电气元件之间的阻抗的方式,使故障点和敏感母线之间的电气距离增大,降低电网的稠密度,从而减小短路电流的冲击。本文通过分析华北油田任丘地区配电网的特点,在总结其因短路引起的电压暂降案例[5-6]基础上,确定易受电压暂降影响的敏感母线,并通过PSASP仿真平台建立电网模型,加装限流电抗器进行仿真,分析其在抑制敏感母线电压暂降方面的作用。

1 华北油田配电网建模

1.1 华北油田配电网模型

华北油田区域配电网在正常情况下以开环方式辐射状运行。其中,220 kV的赵店和留古为主要电源点,在建模中等效为平衡节点,章西和雄县电源容量相对较小。正常运行方式如下:

A:赵店-任东1号变-任北线、石化东线、石化西线、任五甲线-石化东1号变、石化西2号变-任五1号变-任北站(单主变运行,低压侧并列)、任岔线(充电)。

B:留古-任东2号变-任城线(充电)、任青线(充电)、石化共用线、石化西线、任五乙线-石化东2号变、石化西1号变-任五2号变-任留线(充电)。

C:雄县-岔河集1号变(单主变运行,低压侧并列)。

D:章西-留路1号变(单主变运行,低压侧并列)。

图1 华北油田配电网模型示意图

基于电力系统分析综合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)建立华北油田任丘地区配电网35 kV以上(包括部分6 kV)系统模型如图1所示。运行方式的调整可直接在界面的接线图上进行修改,如断路器的开关状态、变压器投运状态等。

1.2 故障仿真模拟

华北油田配电网多数电压暂降问题是由短路故障引起的。短路故障发生的频次高,波及的范围广。短路故障发生时,继电保护需要经过一定的延时才能切除故障,在此期间,非故障设备需要承受着电压暂降的考验。

根据华北油田电网实际运行情况,石化东站和石化西站负荷为重点负荷,相邻线路或母线发生短路故障时,易受到影响。因此,确定石化东和石化西变电站6 kV母线为重点敏感目标,重点关注这2个变电站母线的电压暂降情况。通过PSASP仿真平台,分别设置110 kV线路故障点和35 kV母线故障点进行仿真模拟,华北油田敏感母线电压暂降情况如表1和表2所示。

对比表1和表2中的数据可知,110 kV等级的故障对敏感母线电压的影响较大,且故障点与敏感母线电气距离越近,其电压跌落越严重。为方便起见,以110 kV任五甲线和任北35-1母线为例,设置不同的短路故障,进行深入研究。统一设置故障起始时间为0.3 s,持续时间为0.1 s,石化东和石化西母线电压分别如图2和图3所示。

由图2和图3可知,两相接地短路和三相短路对电压暂降的影响较单相短路严重,且电气距离越近,对敏感母线电压影响越大。

表1 110 kV线路故障下敏感母线电压

表2 35 kV母线故障下敏感母线电压

图2 任北35-1母线故障下石化东6-1母线电压

图3 任五甲线路故障下石化西6-2母线电压

2 限流电抗器应用仿真

2.1 电抗器选取原则

电抗器的选取原则主要按照额定电压、额定电流和电抗百分数选取,在此基础上进行母线残压、电抗器压降、动稳定和热稳定校验。其中,电抗器压降损失表示为

(1)

式中:UN、IN分别表示额定电压、电流;XL为电抗器百分数;φ为功率因数角。正常运行方式下,电抗器的压降损失不能超过额定电压的5%。

母线残压表示为

(2)

式中,I″为最大短路冲击电流,母线残压不应低于额定电压的60%～70%。

在任北线和任五甲线出口加装限流电抗器。均选额定电压为110 kV的电抗器,其中任北线限流电抗器额定电流为0.12 kA,直流电阻3.24 Ω;任五甲线限流电额定电流为0.2 kA,直流电阻1.75 Ω。考虑到任北35-4母线短路故障对石化东母线电压暂降影响比任五甲线短路故障时小,其电抗器的百分数选取也相对较小。最大运行方式下,认为此时每条线路的电流为Imax,当电抗取不同值时,相应的电压损失分别如表3和表4所示。值得注意的是,由于无功补偿装置和变压器接头调整的作用,无电抗器时,母线电压高于额定电压的5%左右。

由表3和表4可知,最大运行方式下,在线路出口加装限流电抗器后,电抗器的压降损失均小于5%,满足式(1)的校验要求。

表3 任北线加装电抗器后电压损失情况

表4 任五甲线加装电抗器电压损失情况

2.2 电抗器限流作用仿真

任北线、任五甲线加装不同电抗百分数的限流电抗器时,以石化东、石化西站6 kV敏感母线电压暂降情况进行仿真。式(2)的校验为安装电抗器线路所在母线的残压要求,当目标定为敏感母线时,本文将这一要求提高,即短路故障时敏感母线电压不低于额定电压的85%,依次为标准配置电抗器,仿真结果如表5和表6所示。

表5 任北35-1母线短路后敏感母线残压(p.u.)

表6 任五甲线50%处短路后敏感目标母线残压(p.u.)

Table 6 Bus residual voltage after 50% line Ren Wujia short circuit fault

由表5和表6可知,在任北线出口加装电抗值为2%的电抗器即可抑制母线35-1短路电流冲击,使石化东6-1母线不低于额定电压的85%,而任五甲线则需配置电抗值为14%的电抗器。限流电抗器全年(8760 h)电能损耗情况如表7所示。

表7 任北线(任五甲线)限流电抗器电能损耗情况

正常运行方式下,通过潮流计算,任北线和任五甲线的有功功率分别为9.7 MW和27.1 MW,任五甲线的传输功率较大,电抗器电能损耗也较大。由于电抗器本身存在电阻,在起到限制电压暂降作用的同时,也增加了网损。两条线路上加装限流电抗器一年的电能损耗大约相当于一台35 MW发电机一小时满载的发电量,若每条线路均加装限流电抗器,其电能损耗将更加严重。因此,线路电抗器应在个别重点线路上加装,在较低电能损耗的前提下保证重要负荷的供电可靠性。

3 结 语

本文在PSASP仿真平台上对华北油田配电网进行了电压暂降模拟,避免了难度较高的现场实验。针对敏感母线电压暂降的防治,提出了加装限流电抗器抑制短路电流的方法。通过仿真验证了限流电抗器能够在短路时维持敏感母线水平的作用,但在正常运行的情况下,由于限流电抗器电阻的存在,电能损耗增加。因此在实际的生产中,灵活自动投切限流电抗器将是解决电抗器自身电能损耗的一种方法,只是其可靠性有待进一步考证。

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(责任编辑 郭金光)

Research on the application simulation of current limiting reactor in Huabei Oilfield power distribution network

GUO Yongming, LIU Guanqi

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Combining with the actual situation of voltage sag in Huabei Oilfield power distribution network, this paper established a model and simulated it through PSASP.According to the characteristics of power grid operation, it discovered that sensitive buses were deemed as target and voltage sags were inhibited by means of installing current limiting reactor.The simulation results show that current limiting reactor has good effect on maintaining the voltage level, which achieves to protect important load when short circuit faults happen.Meanwhile, electric energy loss caused by current limiting reactor can not be ignored.

voltage sag;short circuit fault;current limiting reactor;sensitive bus

2016-03-22。

郭永明(1990—),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统分析、运行与控制。

TM471

A

2095-6843(2016)04-0395-04