关于超高压输电线路的潜供电流研究

阴崇智，王 亮，刘新元（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

关于超高压输电线路的潜供电流研究

阴崇智，王 亮，刘新元
（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

阐述了输电线路一旦发生单相接地故障后，断路器会立即单相跳闸，潜供电弧能否快速熄灭是断路器顺利完成单相重合闸的关键因素。通过理论分析和仿真计算分别研究了不同故障发生位置、高压电抗器和线路长度下输电线路潜供电流的特性，最后以500 kV龙城输变电系统为例，计算潜供电流，并给出了单相重合闸时间的推荐值。

潜供电弧；单相重合闸；中性点小电抗器

0 引言

500 kV电压等级的输电系统中性点一般采用直接接地方式。如果线路上发生瞬时性单相（假设为L1相）接地故障，便会形成电流回路，此时故障相将形成很大的短路电流[1]，导致继电保护装置动作，断路器单相跳闸，位置由合变分；L1相的断路器经固定延时后重合，位置由分变合。

在断路器的L1相断开期间，非故障的L2和L3两相线路及相邻输电线路对故障线路L1相的静电耦合和电磁耦合作用，使得L1相会持续保持有短期的潜供电弧。潜供电弧使得短路回路的电弧通道去游离过程受到阻碍，降低了断路器顺利单相重合闸的成功率[2]。因此，故障切除后潜供电弧的大小对于单相重合闸时间的选定和合闸的成功率有着关键影响。

1 潜供电流的理论分析

潜供电流由电容分量和电感分量两部分组成，分别进行推导计算。

1.1 电容分量

潜供电流的电容分量由静电耦合产生，分析电路如图1所示。

图1 静电耦合示意图

其中Cn为线路每公里的对地电容，Cm为每公里相间电容。输电线路三相正常运行，当发生L3相接地故障后，保护动作，线路两侧的L3相的断路器断开，潜供电弧随之产生，其电容分量IL3见式（1）[3]。

式（1） 中H为线路长度，UL1、UL2和UL3为三相对称线路的相电压。由式（1）可以看出，潜供电流的电容分量与线路相间电容、线路运行电压以及线路的长度成正比，而与线路故障发生的位置和相对地电容没有关系。因此，如果为了限制线路工频过电压，在线路两侧装有中性点直接接地的高压电抗器时，会对线路的相对地电容产生补偿，但由于不影响相间电容，不会对潜供电流产生的电容分量产生影响[1]。目前，限制潜供电弧的一种通用方法是在高压电抗器中性点上接1个小电抗器来补偿相间电容。

若要将线路的相间电容全部补偿，则计算中性点小电抗器数值的公式见式（2）[4]。

其中，n为高抗数量，Xk是高抗的数值，C0是线路的零序电容，C1是线路的正序电容。

1.2 电感分量

潜供电流的电感分量由电磁耦合产生，等值电路如图2所示。

图2 电磁耦合示意图

L、M、C分别为线路每km的自感、互感、对地电容，H为线路长度。输电线路三相正常运行，当线路首端的x km位置发生了L3相接地短路故障后，保护动作，两侧断路器W相跳闸。得到潜供电流的电感分量见式（3）[3]。

由式（3）可以看出，故障处两侧的潜供电流电感分量的方向相反，二者相互抵消。因此，潜供电流的电感分量同故障发生的位置有关，单相故障位置距离线路两侧位置越近，电感分量越大；离中间位置越近，电感分量越小。

2 潜供电流的仿真分析

利用电磁仿真软件 PSCAD（power system computer aided design），建立500 kV输电系统，线路长度为200 km，并且三相循环换位，如图3所示。线路采用 frequency dependent (phase) mode模型，该模型可对输电线路电磁暂态过程进行精准计算。线路两侧分别用M和N表示。

图3 PSCAD仿真模型

在运行时间为0.5 s时，发生线路L1相短路故障，0.6 s时断路器动作跳闸。分别仿真了以下4种情况下的潜供电流，如图4所示。其中图c和图d的高压电抗器的容量为150 Mvar，中性点小电抗器由式（2）可计算得到为L=2.866 H。

图4 潜供电流仿真曲线

对比图4 a和b可以看到，线路首端发生故障时产生的潜供电流幅值（48 A） 比中间故障时的潜供电流幅值（45 A）略大，这同理论分析中的结论一致：潜供电流的电感分量在线路中间发生故障时会抵消为零，导致潜供电流降低。潜供电流中的电容分量占据主要比重，电感分量的占比要少很多[5]。因此，二者在电容分量不变的情况下，幅值差距不大。

从图4 c中可以看到线路上增加高压电抗器后，对于潜供电流的限制幅度很小。图4 d中增加了带中性点小电抗器的高抗后，潜供电流几乎完全被补偿。这也验证了高压电抗器无法补偿相间电容，中性点小电抗器可以有效地补偿相间电容，限制潜供电流。

设故障发生在线路中间，分别计算线路长度为50~200 km之间的潜供电流。由图5可以看出，随着线路长度的增大，潜供电流也随之增大，并且其大小与线路长度成正比关系。正如理论分析中，在电感分量被抵消的前提下，潜供电流大小（只剩下电容分量）与线路长度成正比。

图5 潜供电流与线路长度关系曲线

3 实例应用

山西2015年投运的500 kV龙城输变电系统是由500 kV龙城变电站、晋中变电站、云顶山变电站、500 kV龙晋线、龙云线组成的三站二线系统。其中500 kV龙城变电站为本期新建，晋中变电站、云顶山变电站在本期扩建，500 kV龙晋线、龙云线为原云晋线π入龙城站而成。线路两端断路器没有安装并联合闸电阻。为了在龙城变电站投运之前，确定龙晋线和龙云线的线路两侧断路器的最小单相重合闸时间，本文对龙晋线和龙云线进行了潜供电流计算。

计算方式为山西电网正常运行，古交兴能电厂停1台600 MW发电机。利用电力系统分析软件BPA（bonneville power administration）对山西电网进行网络等值，等值网络如图6所示。

图6 龙城输变电工程投运后系统等值网络图

仿真模型中涉及到的线路参数主要有龙晋线长度为 39.77 km，主要区段导线型号为 4× JLHA3-425，平均挡距为346 m；龙云线长度为104.30 km，主要区段导线型号为4×LGJ-400/35，平均挡距为403 m；龙晋线和龙云线同塔架设部分长度为29.84 km，地线型号均为OPGW-48B1-155，线路三相采用循环换位方式，两条线路的工频参数如表1所示。

表1 线路工频参数

各变电站之间220 kV及其电压等级以下的线路阻抗计算等值到各站之间的互阻抗中。将该等值网络在PSCAD中建立。正常运行方式下线路的潜供电流和电弧熄灭后产生的恢复电压计算结果如表2所示。

表2 潜供电流与恢复电压

见表3，规程DL/T615—2013《交流高压断路器参数选用导则》给出了无补偿线路在不同大小潜供电流下的自灭时限推荐值。

表3 无补偿线路的潜供电流自灭时限推荐值

结合规程，龙晋线自灭时间推荐值取0.15 s，龙云线自灭时间推荐值取0.45 s；一般认为潜供电弧熄灭后，电弧通道的绝缘介质复原周期约0.1 s，同时额外附加0.1 s作为电弧消失裕度保障，则龙晋线的最小单相重合闸时间可按0.35 s考虑，而龙云线的最小单相重合闸时间可按0.65 s考虑。

4 结束语

根据理论和仿真计算，研究结论如下。

a)潜供电流的电容分量与线路相间电容、线路运行电压以及线路的长度成正比，而与线路故障发生的位置和相对地电容没有关系。电感分量同故障发生的位置有关，单相故障位置距离线路两侧位置越近，电感分量越大；离中间位置越近，电感分量越小。

b)高压电抗器无法补偿相间电容，中性点小电抗器可以有效地补偿相间电容，限制潜供电流。

[1]张叔禹，吴集光，曹斌.超高压输变电系统内部过电压分析与PSCAD/EMTDC仿真应用 [M].北京：中国水利水电出版社，2014：188-191.

[2]张保会，尹项根.电力系统继电保护 [M].北京：中国电力出版社，2005：172-174.

[3]李晓华，谢金泉，罗龙波.地区电网采用不换位架设方式的高压输电线路潜供电流分析 [J].高电压技术，2013，39 (6)：1501-1507.

[4]娄颖，戴敏，何慧雯.1 000 kV交流紧凑型输电线路潜供电流和恢复电压计算分析 [J].高电压技术，2011，37(8)：1882-1886.

[5]潘一飞.串补线路潜供电流和恢复电压的仿真分析 [J].华北电力大学学报，2010，37(4)：29-34.

Study on Secondary Arc Current of Ultra-high Voltage Transmission Line

YIN Chongzhi,WANG Liang,LIU Xinyuan
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China）

Once single-phase grounding fault emerges in the transmission line,single phase tripping may immediately occur on circuit breaker.Whether secondary arc can be quickly extinguished is a key factor for single-phase reclosing of the circuit breaker.Based on theoretical analysis and simulating calculation,the characteristics of secondary arc current were studied under various conditions, including different locations of fault,different high voltage reactors and lines of diverse length.Eventually,taking the 500 kV power transmission systemof Longcheng as an example,the paper figured out the recommended time of single-phase reclosing.

secondary arc;single-phase reclosing;neutral reactor

TM774+.1

A

1671-0320（2017）03-0018-04

2016-11-19，

2017-04-11

阴崇智（1969），男，山西吕梁人，1991年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事电网运行分析及电网建设管理工作；

王 亮（1989），男，山西吕梁人，2014年毕业于华北电力大学高电压与绝缘技术专业，硕士，工程师，从事电力系统继电保护试验与研究工作；

刘新元（1986），男，山西汾阳人，2011年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化，硕士，工程师，从事电力系统分析与研究工作。