含可控移相器的超高压输电线路工频过电压分析

含可控移相器的超高压输电线路工频过电压分析

郭书玮

南方电网超高压输电公司昆明局 云南 昆明 650217

摘要：近年来，超高压输电线路工程发展迅速，并呈现规模化发展模式。移相变压器（PST）通过改变分接头的方式进行电压相位的调节，其作为一种控制潮流的有效手段，在北美、欧洲及日本已经应用多年。PST技术相对成熟，运行维护相对容易，经济性显著；但PST是通过传统机械式调压抽头进行电压调节，开关动作时间长，响应慢。K．K．Sen在２００３年提出了一种基于有载调压开关的移相变压器（ST），用来进行线路潮流的调节。与PST相比，ST提供了更低的线路损耗，增强了潮流能力，并降低了成本；但因负载分接开关固有的离散特性，ST不能实现连续的调节输出，其控制结果存在误差且响应速度慢。随着电力电子技术的快速发展，柔性交流输电系统（FACTS）技术应运而生，采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）控制的统一潮流控制器（UPFC）是目前功能最完善的一种的潮流控制器，可快速、连续、独立地调节输电线路的有功、无功潮流，但安装和运行成本较高，限制了其在实际工程中的推广和应用。可控移相器（TCPST）作为一种FACTS设备，具有稳态潮流调控、抑制功率震荡、提高系统稳定性等功能，是改善现有网架输电能力的有效方法。

关键词：可控移相器；超高压输电线路；工频过电压

引言

频过电压对超高压、远距离传输系统绝缘水平的确定起着决定性作用，工频过电压升高会威胁电气设备安全，为了保障安装TCPST后系统安全稳定运行，需要对含TCPST输电线路工频过电压进行校验。一般采用电磁暂态仿真分析典型故障下关键位置的电压分布及其影响因素。

1甩负荷引起的工频过电压

输电线路传输重负荷时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。在工频过电压研究中，取正常送电状态下甩负荷和在线路末端（或受端）单相接地故障下甩负荷作为确定电网工频过电压的条件。２种故障方式下的工频过电压影响因素不尽相同。ａ）线路正常状态下甩负荷引起工频电压升高的主要影响因素有３点：一是甩负荷前线路输送潮流（特别是向线路输送无功潮流）的大小，它决定了电源电动势的大小，一般来讲，向线路输送无功越大，电源电动势也越高，工频过电压也相对较高；二是馈电电源的容量，它决定了电源的等值阻抗，电源容量越小，阻抗越大，可能出现的工频过电压越高；三是线路长度，线路越长，线路充电的容性无功越大，工频过电压越高。不考虑电源电动势和电源容量的变化，正常状态下甩负荷过电压与线路长度成正比。从第２章分析可知，加入TCPST后，其等效电抗相当于增加了线路长度，使谐振点提前，增加了工频过电压倍数。所以，TCPST会使线路正常状态下甩负荷工频过电压增大，并且随着TCPST档位增加，过电压倍数增大。ｂ）不对称短路引起的甩负荷工频过电压除了与上述因素有关。在不考虑电源电动势和电源容量变化的情况下，单相接地故障甩负荷引起的工频过电压为空载线路电容效应与单相接地故障综合产生的工频过电压。

2变阻抗型可控调谐

可控调谐方法基于可控串补装置(TCSC)阻抗参数动态可调原理，等效改变待调谐线路的电气距离。T型可控调谐包括并联可变电容及其两端的串联可变电感。若待调谐线路长度不足一个工频半波长，采用固定电感与可控串补装置相配合的方式实现等效电感在一定阻抗范围内的灵活调节。固定电感起到调谐网络固定补偿的作用，在线路长距离补偿的情况下提供稳定的调谐作用；可控串补装置起到调谐网络可控补偿的作用，实现变阻抗功能，在线路长距离补偿的基础上进行微调，提供额外的电气距离补偿。可控调谐网络补偿度k分为固定补偿度k1和可控补偿度k2。TCSC装置由于其平滑调节串联阻抗的作用，当运行于感性调节范围时，若满足串补感抗值等于可变感抗值，能够等效为可控调谐网络中的可变电感。考虑晶闸管耐压耐流能力有限，不能采用相同的方法实现并联电容的参数可控，其他FACTS装置大多面临同样的问题，故采用电容分级投切的方式实现电容可控变化。

3半波长调谐线路的过电压

半波长输电线路的工频过电压与驻波效应、相间耦合和接地系数相关。针对自然半波长线路短路故障激发工频过电压出现的双波峰现象，可以用波过程为基础进行理论分析。在靠近送端电源和受端电网附近发生接地故障时，会各出现一个电压最大值。波峰出现的位置与线路参数、电源电感和故障类型相关。调谐半波长线路发生短路故障时，沿线过电压更加严重。自然半波长仅需对输电线路进行波理论的推导，调谐半波长需对调谐电路加输电线路建立数学模型。以线路发生三相接地故障为例，分析调谐半波长线路接地故障过电压的产生机理。调谐网络首端电压与电源等值电势之比与故障发生位置、补偿距离和送端电源等值阻抗相关。

4基于磁环的输电线路雷击过电压抑制方法

随着我国电力系统的迅速发展，输电线路长度不断增加，穿过雷击频繁、土壤电阻率高的地区的线路越来越多。根据电网的运行数据，绝大多数的输电线路跳闸事故是由雷击造成的，雷击引起的输电线路停电每年都给电力系统带来了巨大的经济损失及沉重的检修工作负担。主要分析如下。1）根据材料的磁化函数能够较好地拟合铁氧体、非晶和铁合金粉芯磁环的磁化曲线，3种材料的磁化函数拟合确定系数R2均高于0.999；3种材料的磁环磁链计算模型与FEM模型的计算结果之间的最大误差低于5%，验证了本文所提磁环磁链计算模型的合理性。2）磁环材料的磁化曲线会大幅影响磁环的雷击过电压抑制效果，3种材料中抗饱和性能更高的铁合金粉芯材料效果最佳；增加磁环截面积与长度能加强磁环的雷击过电压抑制效果，但随着参数增加会出现饱和现象，实际应用中磁环的外半径、长度分别取60mm、6m时效果最佳；磁环形状也对磁环的雷击过电压抑制效果有一定影响，体积一定时，细长形状磁环的雷击过电压抑制能力更强。3）根据110kV同塔双回输电线路的现场试验结果，安装磁环后第一基杆塔塔顶电压峰值下降了11.94%，这证明了磁环抑制输电线路雷击过电压的可行性；且仿真与试验结果的最大误差为5.92%，说明本文所提磁环磁链计算模型和电磁暂态模型较贴近实际情况。

结语

对于空载容升引起工频过电压情况，装设TCPST相当于增加线路长度，使得工频过电压升高，并且随着TCPST档位增加，工频过电压升压增大。无故障甩负荷工频过电压与线路长度成正比，装设TCPST将增加无故障甩负荷引起的工频过电压，随着TCPST档位增加，过电压倍数增加；故障甩负荷引起的过电压受容升效应和单相接地故障的影响较大，甩负荷产生的过电压是二者的叠加，最大故障甩负荷过电压为1.358，略低于行业标准限值（1.4）。无论是否采用TCPST，电网带空载长线运行、发生不对称故障、无故障甩负荷和单相故障甩负荷时的工频过电压均在标准允许的范围内。但在故障甩负荷情况下，最大过电压逼近行业标准限值，因此在TCPST接入线路后，需要重点监测故障甩负荷时所引起的过电压。

参考文献

[1]曹璞璘,范浩然,王登,等.基于无源滤波器设计理论的半波长输电线路调谐电路特性分析[J/OL].中国电机工程学报.https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.201737．

[2]王威峰,周飞,王鑫,等.电力电子换流技术在柔性半波输电系统调谐中的应用[J].智能电网,2017,5(6):597-601.