线路空载充电向量检查方法研究

靳 楠,张岩坡,张韶光,周雪青,陈少功

(1.国网河北省电力有限公司超高压分公司,河北 石家庄 050071;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

目前,超特高压交流线路主网架在河北省南部电网(简称“河北南网”)逐渐形成,由于新线路建设,断路器和继电保护装置的投运、更换工程较多,线路空载充电向量检查成为继电保护专业人员经常面临的工作。超特高压线路送电投运过程中,电压、电流受分布电容以及并联电抗影响较大,向量检查是通过分析电流互感器TA及电压互感器TV的二次电流和电压判断继电保护、测控装置、故障录波器等二次设备的电压电流相序和相位关系来验证互感器极性、一次系统接线、二次回路接线是否正确[1-2]。

空载充电过程中负荷侧空载,流过线路的电流很小,线路上的压降_可忽略,一般线路两侧的电压均与系统电压一致,因此向量检查计算主要针对电源侧和负荷侧的电流。本文从线路空载充电向量检查的影响因素着手,分析3种形式空载充电向量检查模拟量计算方法,并结合现场投运参数对计算方法的正确性进行验证。

1 线路空载充电向量检查的影响因素

1.1 分布电容对输电线路电流的影响

常见500 k V输电线路的长度在100～300 k m之间,可以按集中参数处理,其T型等值电路如图1所示[3]。

图1 T型等值电路

由公式(2)可知,空载充电电流大小与线路长度、线路参数和电压等级有关系。因500 k V线路分布情况相似,线路末端电压为系统电压,一般为525 k V,电容参数差别不大,一般为0.013 480 μF/k m,所以无并联电抗器的线路,取单位长度经验值1.3 A计算。由于负荷是容性的,所以电源侧模拟量相位电压滞后电流90°。

1.2 并联电抗器对输电线路电流的影响

针对超高压输电线路负荷较小时出现的工频过电压现象,常常在线路末端并联电抗器对输电线路进行无功补偿[4]。带有并联电抗器的输电线路电流分布如图2所示。

图2 带并联电抗器的输电线路电流分布

线路空载充电试验时,负荷侧电流为0,电源侧电流计算公式如下

流过并联电抗器感性电流为

并联电抗器为纯感性负荷,所以流过并联电抗器的电流相位滞后电压90°。流过线路分布电容的电流

2 线路空载充电向量检查计算方法

本文考虑分布电容、并联电抗器对单回输电线路、单回输电线路破口以及同塔双回输电线路空载充电向量检查的影响,计算得到线路的一次参数值,结合变电站内线路TA的极性与变比,可将一次参数值换算为向量检查所需的二次计算参数值。正常情况下线路空载充电电压、电流均为正序,本文均针对U相进行计算。

2.1 不同形式的线路空载充电模拟量计算方法

2.1.1 单回输电线路空载充电模拟量计算方法

对于单回输电线路电源侧电流计算方法如公式(3),过补偿线路电源侧电流滞后电压90°,欠补偿线路电源侧电流超前电压90°,无并联电抗器补偿线路为0。

2.1.2 单回输电线路破口空载充电模拟量计算方法

对于单回输电线路AB被C破口空载充电时,其电流分布如图3所示。

图3 单回输电线路破口后输电线路电流分布

式中:U·31、U·32为AC线路两侧的电压;I·31、I·32为AC线路两侧的电流;I·C2为流过AC线路分布电容电流;U·41、U·42为CB线路两侧的电压;I·41、I·42为CB线路两侧的电流;I·C3为流过CB线路分布电容电流;I·L2为流过CB线路并联电抗器的电流。流过线路分布电容的电流I·C2、I·C3的计算方法同I·C,流过线路并联电抗器的电流I·L2的计算方法同I·L1。

由公式(5)可知,当I·C2+I·C3＞I·L2＞I·C3时,CB线路C侧电流为感性电流,电流滞后电压90°,对于AC线路C侧则为容性电流,电流超前电压90°,A侧为容性电流,即电流超前电压90°;当I·C2+I·C3＜I·L2时,除AC线路C侧为电流超前电压90°外,其余各侧均电流滞后电压90°;当I·L2＜I·C3时,除AC线路C侧为电流滞后电压90°外,其余各侧均电流超前电压90°。

2.1.3 同塔双回输电线路空载充电模拟量计算方法

对于同塔双回输电线路合环运行后,若负荷侧无其他负载,由于2条线路参数相同,并联电抗器对2条线路的补偿也相同,因此流过并联电抗器的感性电流被2条输电线路均分。同塔双回布置带并联电抗器的电网主接线示意,见图4。其对应的电流分布示意,见图5。

图4 含并联电抗器的同塔双回输电线路主接线

图5 含并联电抗器的同塔双回输电线路电流分布

由公式(6)计算可得电源侧和负荷侧电流向量。其中,I·C4、I·C5分别为N W一线和N W二线的分布电容电流,计算方法同公式(2);I·L3为流过并联电抗器的电流,计算方法同公式(4);I·N1、I·W1分别为N站和W站流入NW一线电流;I·N2、I·N2分别为N站和W站流入NW二线电流。由公式

(6)可知,I·W1为感性电流,即电压超前电流90°;I·W2为容性 电流,即 电压滞后 电 流90°;当I·L3＜2I·C4=2I·C5时,I·N1、I·N2为容性电流,即电压滞后电流90°,当I·L3＞2I·C4=2I·C5时,I·N1、I·N2为感性电流,即电压超前电流90°。

2.2 500 k V线路TA的变比与极性

变电站内500 k V线路通常为3/2接线,线路间隔TA分布示意如图6所示,其中5011和5012为线路ABⅠ线两侧的开关,5011和5012的TA分别分布在开关两侧,TA1和TA2为线路保护在5011开关侧的TA,TA13和TA14为线路保护在5012开关侧的TA。线路保护双套配置,线路保护1的电流为TA1与TA13的和电流,线路保护2的电流为TA2和TA14的和电流。

图6 500 k V线路保护TA分布示意

图6 中标注了各TA的极性,极性接反将导致模拟量的相位相反。TA绕组的绕向决定了TA的极性。图7所示的极性表示当一次电流从P1流入P2时,二次电流从S1流出至S2。TA的一二次电流在大小和方向上存在一一对应关系,因此只需关注TA的一次极性即可[5]。一般线路各侧电流均以母线流向线路为正方向,当电流实际方向与正方向一致时,电流呈现感性,即电流方向滞后该母线电压90°,若电流实际方向与正方向反向时,电流呈现容性,即电流方向超前电压90°。

图7 TA绕组一二次电流对应关系

根据线路的一次电流和变比可以计算其对应的二次电流,如公式(7)

3 某500 k V线路投运采样数据分析验证

以河北南网某变电站内新建500 k V输电线路投运时的向量检查工作为例,验证本文的结论。利用NW双回线路对W侧进行充电,如图4所示。表1为N W双回输电线路参数。

表1 NW双回输电线路参数

分4步对N W双回输电线路W侧进行充电,具体步骤如下:

(1)N站对N W二线空载充电(5051开关合位,其余开关分位);

(2)N站对NW一线空载充电(5061开关合位,其余开关分位);

(3)N站对NW二线充电,串带NW一线空载充电(5051、5021、5011、5012开关均为合位,5061开关分位);

(4)N W双回合环运行(全部开关均在合位,W站无负荷)。

根据本文2.1和2.2所述方法可计算出上述4个步骤中N侧和W侧输电线路二次电流大小及相位,结果如表2计算电流值所示。

根据空载充电时N和W侧线路保护装置显示的二次电流数据即为空载充电时线路保护的测量值,结果如表2站内实测电流值所示。电流过小不满足保护装置测量要求时,电流幅值与相位可通过卡钳表获取。

表2 计算电流值与实测电流值结果对比

对比表2中计算电流值和实测电流值数据,可以看出,用本文方法得出的结果与实际采样数据基本一致,验证了本文方法的正确性。

4 结束语

本文为预判输电线路的向量提供了方法,以上情况几乎涵盖所有超高压输电线路向量检查工作,熟练掌握以上方法可以快速完成输电线路向量检查,缩短调度部门等待时间,并提高工作效率。

结合现有输电线路空载充电模拟量计算方法,可研制线路空载充电向量检查仪器。在仪器中选择线路充电方式并输入线路参数,可自动显示空载充电理论值,简化向量检查计算过程,降低向量检查工作门槛。