基于ATP-EMTP的330 kV空载线路非同期合闸过电压研究

王国林

( 国网四川省电力公司德阳供电公司，四川 德阳 618000 )

0 引言

众所周知，330 kV及以上电压等级的断路器均为三相独立操作机构，当不用检同期装置时，这种断路器合闸总存在一定程度的三相不同期〔1, 2〕，进而形成瞬时的三相不对称回路，这种非对称性在中性点非直接接地或中性点绝缘系统中显得更为严重〔3〕。电力系统三相之间存在互感与电容的耦合作用，在未合闸相上感应出与已合闸相极性相同的电压，待未合闸相合闸时可能出现反极性合闸的情况，产生更高幅值的操作过电压〔4〕。因此，研究三相分相操作机构的断路器非同期合330 kV空载线路过电压的影响因素，对架空线路绝缘设计非常必要。

1 330 kV空载线路参数和仿真模型

1.1 330 kV空载线路参数

某330 kV空载线路网络结构如下图1所示〔5〕。具体参数为：

图1 330 kV空载线路网络结构图

线路参数：Z1=0.04+j0.318 Ω/km，C1=11.86×10-9F/km，

Z0=0.26+j1.015 Ω/km，C0=7.66×10- 9F/km。

线路长度：l=280 km。

1.2 ATP-EMTP仿真模型

ATP-EMTP是电力系统中高电压等级电力网络仿真使用最广泛的程序，软件中传输线的模型都是通过现场测试证实的〔6〕。图2和图3分别为ATP-EMTP仿真模型和仿真参数设置。

图2 合空载线路过电压计算ATP-EMTP仿真模型

图3 仿真参数设置

2 不同影响因素在非同期合闸条件下的仿真结果

以下仿真非同期合闸条件下合闸电阻、合闸电阻接入时间、合闸相位和残余电荷各自单独作用下对A相操作过电压波形与最大幅值的影响。非同期合闸是指图2三相合闸时控开关S1-A、S1-B、S1-C的闭合有时间差，一般取B相合闸时间落后A相5 ms和C相合闸时间落后A相2 ms。因此，设置时控开关S1-A、S1-B和S1-C的闭合时间分别为200 ms、205 ms和202 ms。

2.1 不同合闸电阻

考虑合闸电阻接入时间为10 ms，设置时控开关S1-A、S1-B和S1-C的合闸时间分别为200 ms、205 ms和202 ms，时控开关S2-A、S2-B和S2-C的合闸时间分别为210 ms、215 ms和212 ms。合闸电阻分别为0、200、400、600 Ω下的最大过电压值如图4所示。

图4 不同合闸电阻下的最大过电压值

从图4可知，当接入的合闸电阻为200 Ω时，母线上(点2)操作过电压的最大幅值从不加合闸电阻的566.8 kV下降到413.2 kV，降了27.10 %；线路末端(点4)操作过电压的最大幅值从不加合闸电阻的695.0 kV下降到503.1 kV，下降了27.61 %。根据曲线走势，应选择适当的合闸电阻以降低操作过电压。

2.2 不同合闸电阻接入时间

为研究相同合闸电阻在不同接入时间的影响，设置时控开关S1-A、S1-B和S1-C的合闸时间分别为200 ms、205 ms和202 ms，时控开关S2-A、S2-B和S2-C的合闸时间分别为205 ms、210 ms和207 ms，210 ms、215 ms和212 ms，220 ms、225 ms和222 ms。合闸电阻200Ω时接入时间分别为5 ms、10 ms、20 ms下的最大过电压值如图5所示。可知：母线上操作过电压的最大幅值从不接合闸电阻(接入时间为0 ms)的566.8 kV下降到合闸电阻接入时间20 ms的413.1 kV，下降了27.12 %；线路末端操作过电压的最大幅值从不接合闸电阻的695.0 kV下降到合闸电阻接入时间20 ms的504.0 kV，下降了27.48 %。根据曲线趋势，应选择恰当的合闸电阻接入时间来降低操作过电压。

图5 合闸电阻(200Ω)不同接入时间下的最大过电压值

2.3 不同合闸相位

时控开关S1-A、S1-B和S1-C的合闸时间分别为200 ms、205 ms和202 ms的情况下，分别设置电源初相φa=0°、45°、90°、225°、270°时进行仿真，用于研究不同合闸相位对非同期合闸过电压的影响。图6给出了不同合闸相位下的最大过电压值。在非同期合闸条件下，母线操作过电压的最大幅值从合闸相位为0°的566.8 kV上升到合闸相位为45°时的600.5 kV和下降到合闸相位为90°时的518.7 kV，分别提高了5.95 %和降低了8.49 %；线路末端操作过电压的最大幅值可从合闸相位为0°的695.0 kV上升到合闸相位为45°时的821.5 kV和下降到合闸相位为90°时的623.4 kV，分别提高了18.20 %和降低了10.30 %。根据曲线走势，非同期合闸时可不考虑合闸相位的影响，因为ABC三相之间有固定相位差120°。

图6 不同合闸相位下的最大过电压值

2.4 不同线路残余电荷

时控开关S1-A、S1-B和S1-C的合闸时间分别为200 ms、205 ms和202 ms的情况下，分别设置A相直流电源所加电压分别为0.2 Um(Um为330 kV输电线路相电压的峰值)，0.5 Um，Um和-0.2 Um，-0.5 Um，-Um来研究不同线路残余电荷对非同期合闸过电压的影响，同时B相和C相的残余电荷都为A相电压的一半且极性相反。图7给出了不同残余电荷下的最大过电压值。从图7可知：当A相残余带电荷-Um，B相和C相都为0.5 Um时，线路末端的操作过电压的最大幅值从695.0 kV上升到907.0 kV，上升了30.50 %。根据曲线趋势，架空线带同极性残余电荷时，可以减小操作过电压的最大幅值。但线路ABC三相不可能同时都带同极性残余电荷，所以空线路合闸前应该将线路三相残余电荷均释放掉。

图7 不同残余电荷下的最大过电压值

3 结论

通过本文的研究，可得如下结论：

(1)合闸电阻、合闸电阻接入时间、合闸相位、残余电荷对三相非同期合空载线路的操作过电压影响并不相同。断路器并联的合闸电阻、合闸电阻接入的时间和空载线路上的残余电荷对操作过电压影响较大，合闸时电源的相位对操作过电压影响很小。

(2)断路器三相不同时合闸比同时合闸的操作过电压的最大幅值大。参照文献〔1〕的数据，当合闸电阻为200 Ω，接入时间为10 ms时，母线上不同期合闸的操作过电压的最大值413.2kV比同期合闸的操作过电压的最大值为395.8kV高出4.40%；线路末端不同期合闸的操作过电压的最大值503.6kV比同期合闸的操作过电压的最大值为435.0kV高出15.77%。

因此，应利用检同期装置，将适当的合闸电阻以恰当的时间并联接入断路器对不带残余电荷的空载线路充电，以保证空载线路最大过电压值能降至最低。