330 kV输电线路断路器取消合闸电阻适应性研究

杨 瑞,张 航,张广东,刘 康,王翼虎,高立超

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院,兰州 730070)

0 引言

随着新型电力系统的加快建设,甘肃清洁能源外送的任务与日俱增,在此新形势下,对输电线路的安全运行提出了更高的要求。目前,结合甘肃电网的规划和实际生产需求,多条长距离输电线路中段已建成或已有扩建变电站的计划。对于电力系统主干输电线路而言,合空线及单相重合闸通常是确定绝缘水平的关键因素[1-5]。限制上述过电压通常采用断路器加装合闸电阻[6-7]作为主要方式,避雷器作后备保护或仅采用避雷器一种方式[8-14],并得到广泛推广。但实际经验表明,断路器加装合闸电阻存在结构复杂、成本昂贵、故障率高等缺点[15-19],会降低断路器动作的可靠性及系统运行的安全稳定性。综上,合闸电阻的存在是否仍旧有利于330 kV短距离输电线路的过电压问题治理有待进一步研究。

本研究结合甘肃电网某线路实际情况,采用电磁暂态仿真软件PSCAD通过仿真计算分析,研究330 kV系统不同距离输电线路在合闸电阻和避雷器不同配置情况下,合闸电阻的投运状态对合空线和单相重合闸2%统计过电压水平的影响程度,得出330 kV不同距离输电线路限制操作过电压的策略,旨在为甘肃330 kV系统短距离输电线路断路器取消合闸电阻的适应性提供参考依据。

1 系统参数

2 计算模型

2.1 系统模型

系统简化电路图见图1,由电源、变压器、不同期断路器、传输线路和氧化锌避雷器组成,相应的系统仿真模型见图2。文献[21-24]对断路器合闸操作过电压水平的影响因素及影响程度进行了分析,因此文中主要考虑文献中提到影响程度较大的线路避雷器[25]、线路模型及长度、合闸电阻接入时间的配置因素。

图1 系统简化电路图

图2 系统仿真模型

2.2 杆塔模型

330 kV某线路杆塔型号3A1-ZMC2,导线型号为JL/G1A-400/35,直径26.8 mm,导线相间距离7 100 mm,分裂距离为200 mm,地线型号为OPGW-2S1/24B1,直径12.7 mm,直流电阻为0.548 Ω/km,导线平均高度26.9 m,地线平均高度33.9 m,弧垂16.4 m,主力塔结构及输电线路模型分别见图3(a)、(b)。线路采用基于集中电路和分布LC参数行波传递的Bergeron(贝杰隆)输电线路模型[26-27],该模型是一种无损长线模型,且其线路参数不随频率的变化而改变,可用于行波的求解问题。

图3 输电线路模型

2.3 断路器模型

线路仅在送端变电站侧断路器中安装合闸电阻,合闸电阻为400 Ω,断路器使用统计开关模型,三相不同期合闸时间在3 ms范围内,开关合闸相位在一个周波0.02 s内随机产生,初始合闸相位的分散性会对过电压幅值限制程度产生较大影响[28-29]。在软件中设置随机数产生次数,则程序自动执行不同随机数下的2%统计过电压计算,输出计算结果的统计信息,包括每次产生的随机值、对应的操作过电压值及过电压结果最大最小值等。分别考虑安装和取消合闸电阻后的情况,图4为断路器带合闸电阻示意图。断路器合闸时,K2先闭合,此时合闸电阻R(下文均以R代替)接入回路,10±2 ms后K1闭合,合闸电阻退出,即合闸电阻接入时间为10±2 ms。

图4 断路器带合闸电阻示意图

2.4 避雷器模型

参考线路实际运行避雷器进行建模,以省内330 kV线路避雷器典型型号Y10W-288/649W 为例,相关技术参数如表1,在避雷器(下文以MOA代替)模型中绘制V-A特性曲线,如图5。

表1 避雷器技术参数

图5 避雷器V-A特性曲线

3 操作过电压计算结果及分析

3.1 操作工况

根据目前330 kV短距离传输线路的实际长度,模拟系统中输电线路的距离分别考虑30 km,60 km,80 km,100 km,150 km 5种情况,且由于线路长度较短,同时设置较为严苛的运行情况,故不考虑并补高抗的接入。结合本研究内容,设置表2所示6种工况分别对上述不同距离的线路进行仿真分析。

表2 工况

3.2 合空线操作计算结果

仿真对一定长度的线路使用若干等长的分布参数表示,以便取得线路首端、线路中部、线路末端若干处作为信号测试点;调节K1和K2来控制主触头以及合闸电阻R的接入时间;断路器采用统计开关模拟,合闸相角在一个周波内随机均匀分布,三相合闸时差在3 ms内随机均匀分布[30]。

图6为6种工况下合空线路操作过电压沿线分布曲线,对于较短线路 (不超过200 km ) 通常不安装并联电抗器,只考虑有无合闸电阻及避雷器的场景。图7为80 km线路在进行合空线操作时,过电压最大值测点的三相相电压变化曲线,其中第3种和第6种工况两端均加装避雷器时,过电压最大值出现在线路中后部,其他工况下均出现在末端。

图6 6种工况下合空线操作过电压沿线分布曲线

图7 6种工况下80 km线路合空操作过电压最大值测点三相电压变化曲线

表3为合空线操作2%统计过电压详细数值。从表中数据可以看出,同种工况下,随着线路距离的增加,过电压幅值呈增长趋势,且由于输电线路的容升效应[31],线路末端未装设避雷器时,末端往往呈现更高的过电压;避雷器对于操作过电压有明显抑制作用,其抑制程度随避雷器装设的位置不同而不同,若加装位置只处于首端,可大幅降低首端过电压幅值,抑制效果明显高于末端;首末两端加装避雷器对两端过电压改善有很大的效果,此时最大过电压出现在线路中后段;当线路距离在60 km及以内时,过电压幅值在标准允许范围内,可以取消合闸电阻,距离在60 km以上时,需要结合具体线路详细模型确定是否可以将合闸电阻退运;合闸电阻投运后抑制操作过电压现象效果显著,可吸收输电线路中大部分的能量。

表3 合空线操作统计结果

若在330 kV输电线路较长且避雷器不能完全将过电压幅值限制在标准范围内的情况下,需要在断路器安装合闸电阻以确保线路过电压水平在允许范围内。

3.2 单相重合闸操作计算结果

单相重合闸操作下6种工况沿线2%统计过电压水平[32]计算结果见表4。由于单相重合闸沿线相电压波形与合空线变化趋势相近,因此对其过电压沿线分布曲线及相电压曲线不再赘述。

表4 单相重合闸操作统计结果

与合空线结果分析类似,单相重合闸统计过电压幅值随线路长度的增加而升高,近似于线性关系;避雷器的加装能一定程度抑制过电压现象,但随着位置装设的不同抑制效果也不同;线路合闸电阻的投运能最有效地限制操作过电压。

4 结论

对330 kV线路距离、合闸电阻、避雷器装设位置影响操作过电压的程度进行研究,分别计算了6种工况下对合空线、单相重合闸统计操作过电压的影响,得出以下结论:

1)输电线路长度是影响操作过电压幅值的一个重要因素,其原理是因为容升效应。线路越长,过电压幅值越高。且过电压最大值通常出现在线路末端。

2)在线路首端加装避雷器,可有效抑制首端过电压水平。两端同时加装避雷器,过电压最高点出现在线路中后段,但其最大值低于无避雷器且无合闸电阻的情形,避雷器的加装可有效改善过电压现象。若在较长线路且线路容升现象显著的情况下,避雷器的作用会将中段电压“抬升”,线路中段的过电压幅值可能会超出限值,需考虑线路更为详细的实际情况。

3)当330 kV线路距离在60 km及以内时,可以取消合闸电阻,距离在60 km以上时,需要结合具体线路详细模型确定合闸电阻能否退运。合闸电阻相对于避雷器,有更好的抑制过电压作用,可作为过电压治理的最有效策略。

分析可知,避雷器虽对过电压治理有明显作用,但不能一概而论,倘若线路较长且容升现象显著,仅靠装设避雷器是不能达到预期的,过电压依旧会超出标准限值,需考虑更为详细的实际工程情况。