500 kV限流器接入对南网系统过电压的影响分析

杨帆, 张旭,乐健

(1.广州电力设计院有限公司,广州 510075; 2.武汉大学 电气与自动化学院,武汉 430072)

0 引 言

随着电网快速发展,短路电流容量越来越大,已经超出了现有断路器开断能力,直接威胁着系统安全运行,特别是在我国负荷密集度较高的珠三角地区。广东电网的相关运行数据统计表明,在不采用任何限流措施的情况下,广东电网500 kV变电站母线短路电流超过 80 kA的已经多达10个[1]。随着广东电网负荷密度的进一步增加,短路电流超标问题继续恶化。

解决短路电流超标问题的最基本的方法是改善系统运行的网络结构、压减电源开机和出力,但改善网络结构难以从根本上解决短路电流超标问题,而压减电源开机和出力会造成部分调峰机组无法正常运行[2]。John C. Cronin在七十年代初提出了在线路上装设故障电流限制器的方法后,从根本上降低了短路电流,减轻了断路器开断压力。

故障限流器(Fault Current Limiter,FCL)的种类很多,主要有电力电子型限流器[3]、超导型限流器[4]、串联谐振型限流器[5]等,不同的限流器类型各有优缺点。针对高压及超高压电压等级、90 kA 级别短路电流的应用场景,基于高耦合分裂电抗器(High Coupled Split Reactor,HCSR)[6]的限流器在110 kV、220 kV、500 kV电压等级有着良好的应用前景。根据广东电网2021年规划方案,广东电网将在广南站建设基于HCSR的500 kV限流器示范工程,该示范工程可抑制短路电流90 kA,限流幅度达40%及以上,稳态运行损耗≤0.02%,成为世界上首个 500 kV/90 kA限流器示范工程。

基于高耦合电抗型的500 kV/90 kA 限流器装设在线路上后,会对广东电网整个系统造成一定的影响。以广南站500 kV/90 kA 限流器示范工程为背景,利用电磁暂态仿真软件EMTP[7]研究500 kV限流电抗器自身的过电压以及限流电抗器对系统的工频过电压、操作过电压、线路断路器的暂态恢复电压等,以保证系统与设备的安全运行。

1 系统参数及仿真模型

1.1 系统概况

广南站500 kV/90 kA 限流器示范工程将于2021年正式投运,限流电抗器安装在广南-顺德甲线广南站内,广南站及周边电网潮流分布如图1所示。500 kV广南站位于广东500 kV内环网南部,拥有500 kV出线4回,主变3台,广南站500 kV母线接线示意图如图2所示。广南站500 kV母线短路电流的来源共7个：狮广甲线、狮广乙线、顺广甲线、顺广乙线、#1变、#3变、#4变。

图1 广南站及周边电网潮流分布

图2 广南站500 kV母线接线示意图

基于南方电网2021年夏大方式,选取短路电流超过63 kA的实际线路及示范线路顺德-广南甲线安装限流电抗器,顺德-广南甲线对地总正序电容为0.864 6μF,线路电感为56.9 mH,线路电阻为0.726 Ω。附近的大电厂有沙角电厂、珠海B厂、阳江核电、襟岛核电、铜鼓B厂。为保留电网特性,将保留网络等值至西江、蝶岭变电站、侨乡变电站,同时解开沙角至东方两回线路。

基于2021年方式,顺德-广南线路周边系统保留了53条线路、6个电厂的机组和升压变,本文采用相参数进行暂态过电压计算而采用频率相关参数进行操作暂态计算[8]。

1.2 500 kV限流器拓扑结构

仿真模型中500 kV限流器拓扑结构如图3(a)所示。500 kV限流器分为两段,每段基于两组高度耦合的线圈组成。当系统正常运行时两段线圈均会流过电流,但两组线圈产生的磁通在公共磁路内相互抵消,因此,整个线圈对外只表现出很小的漏电感;当两组线圈流过的电流不均衡或者只有一个支路有电流流过的情况,两个线圈产生的磁通较大,整个电感线圈对外表现为很大的电感,因此,可以有效抑制串联支路的短路电流。实际应用中将限流器接入顺德-广南甲线的广南侧。

图3 限流器拓扑结构图及接入线路情况

1.3 500 kV限流器短路电流耐受能力

以2021年系统接线的基础,通过增加广南站出线回数及增加沙角等电厂机组开机数(增加机组不输出功率)并增加广南站出线数,以使顺德-广南甲线三相/单相短路电流达到90 kA(有效值)水平,最大短路电流峰值达到228 kA/231 kA(三相/单相)。

通过EMTP电磁暂态仿真得到500 kV顺德-广南线路限流电抗器基本参数及短路电流耐受能力如表1所示。

表1 限流电抗器基本参数及短路电流耐受能力

考虑500 kV顺德-广南限流电抗器工程,表2给出了2021水平年及相应系统方式下流过限流器的短路电流水平。从表2可见,当考虑限流器顺德侧发生单相接地故障时,接入限流电抗器后单相接地线路短路电流水平将由90 kA水平(未加入限流器的短路电流水平)降低至49.6 kA,限制水平超过了40%;最大峰值电流将被限制到119.1 kA。

表2 流经500 kV顺德-广南限流电抗器的短路电流

2 500 kV限流电抗器的自身过电压分析

500 kV顺德-广南限流电抗器两侧对地均装设型号为Y20W5-444/1063W的金属氧化物避雷器MOA(广南侧共用线路避雷器),在此条件下,短路过程中限抗电感线圈操作过电压计算结果如表3所示。通过EMTP电磁暂态仿真的相关波形如图4和图5所示。从表3中不难看出：限流电抗器两侧对地最大操作过电压为1.36 p.u.,没有超过规程2.0 p.u.,在500 kV系统操作过电压允许范围内。从图4和图5发现：限流电抗器单个线圈两端过电压最大值为238 kV,当考虑广南站CVT(5 000 pF)等电容设备影响时,系统短路故障冲击下串抗端对端过电压陡度较高,高频振荡频率约为25 kHz,串抗设计中应考虑陡波冲击对绝缘的影响。

表3 系统短路过程中双回运行过电压水平

图4 限流器接入后顺德侧三相短路过程中相关波形

图5 线路顺德侧三相短路过程中相关波形

3 限流电抗器对系统过电压的影响分析

3.1 限流电抗器对工频过电压的影响分析

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。两种故障方式下的工频过电压影响因素不尽相同。按工频过电压的国家标准规定[9-10],线路断路器母线侧不宜超过1.30 p.u.(p.u.为标幺制单位),线路侧不宜超过1.40 p.u.。

(1)线路正常运行状态下突然切负荷：在这种情况下影响工频过电压的主要因素包括,① 切负荷前线路正常传输的无功潮流,因为线路的无功潮流大小决定了送端等值电源电动势的大小,当线路传输一定容量的有功和感性无功时,电源电动势会比母线电压大,在甩负荷之后的短时间内,电源电动势和母线电压大小不能突变,维持原状态,那么线路上传输的感性无功越大,送端等值电源电动势越大,工频过电压的水平也越高[11];② 电源的容量,其大小决定了过电压计算等值阻抗,电源容量与等值阻抗成反比,当电源容量较小时,空载线路会出现工频过电压现象;③ 输电线路长度,输电线路越长,输电线路传输的容性无功越大,这就是典型的空载长线路的电容效应,引发的工频过电压现象。

(2)线路末端发生接地故障时瞬时切负荷：除了(1)中所介绍的三个影响因素外,工频过电压水平与接地点到电源侧形成的等效电路有关,等值电路的零序电抗X0与正序电抗X1的比值越大,线路末端发生接地故障时瞬时切负荷的过电压越大[12-13],X0与X1由输电线路、变压器、机组等电感元件组成;当等值电路的电源由发电机组成时,X0/X1相对较小,当等值电路的电源不单单由发电机组成时,X0/X1相对较大,此外,随着等值电路的电源容量增加时,X0/X1也会随之增加。

表4和表5给出了有、无限抗时顺德-广南500 kV 线路无故障和接地甩负荷的工频过电压计算结果。

表4 工频过电压计算结果 (无限流器)

表5 工频过电压计算结果 (有限流器)

从表4和表5中的计算结果可以看出：

(1)无论是否采用限抗,顺德-广南500 kV 线路正常运行状态甩负荷和故障时刻切负荷时的工频过电压均在标准允许的范围内;

(2)限流电抗器的接入降低了X0/X1值,降低了故障时的零序、负序等值电路的电抗,因此,在限流电抗器的接入后,发生接地故障时切负荷的工频过电压要低于无限流电抗器接入的情况。

3.2 限流电抗器对操作过电压的影响分析

在线路投入或自动重合闸过程中,由于装设了限抗,可能影响到线路合闸操作过电压[14]。本节对投入限抗时的线路合闸操作过电压进行了仿真,并分析上述过程中母线及线路避雷器、限流电抗器等工作条件。

顺德-广南500 kV线路合空线及单相重合闸操作统计过电压结果如表6和表7所示。由计算结果可知,线路不装设合闸电阻时,顺德-广南500 kV线路合闸及单相重合闸操作过电压都在标准允许范围之内。

表6 顺德-广南500 kV线路合空线操作统计过电压-限抗线路侧装设对地MOA

表7 顺德-广南500 kV线路单相重合闸操作统计过电压-限抗线路侧装设对地MOA

顺德-广南500 kV线路合空线及单相重合闸操作时线路避雷器、限抗避雷器工况如表8、表9所示。计算结果表明：线路两侧合闸时,变电站及限抗站MOA 能耗与其设计参数相比有很大的裕度。

表8 顺德-广南500 kV线路合空线操作避雷器工况

表9 单相重合闸操作避雷器工况

3.3 限抗线路短路故障及故障清除过电压分析

本节对投入限抗时的线路分闸操作过电压进行了仿真,仿真结果如表10所示。结果表明顺德-广南500 kV线路投入限抗后,线路故障条件下变电站、限抗端操作过电压均在允许范围内。

表10 短路故障及故障清除过电压(pu)

3.4 限流电抗器对潜供电流、恢复电压的影响分析

单相重合闸技术在我国超高压、特高压输电系统中广泛使用,提高了供电的可靠性。当线路上发生单相接地故障时,继电保护装置通过选相元件只将故障相两侧断路器断开,非故障相仍然继续运行,这时非故障相与断开的故障相之间存在静电(通过相间电容)和电磁(通过相间互感)的联系,使得故障点弧光通道中仍有一定数值的电流通过,此电流称为潜供电流[15-16]。它的大小与线路的参数有关,线路电压越高,线路越长,负荷电流越大,潜供电流越大。因此,本小节对接入限流电抗器的线路的潜供电流和恢复电压进行计算分析,确认该线路是否满足单相重合闸的要求。

表11给出了装设线路限流电抗器后广南-顺德500 kV线路潜供电流及恢复电压。

表11 潜供电流和恢复电压(装设限流电抗器)

前苏联电力科学研究院根据在500 kV线路上试验的结果,总结出一个重合闸时间与潜供电流之间的经验公式：

t≈0.25×(0.1*I+1)

(1)

结合式(1)和表11分析可知：

广南-顺德500 kV线路单相接地故障下潜供电流小于10.6 A;恢复电压不超过44.8 kV,潜供电流的熄灭时间约0.515 s,单相重合闸的条件比较好。

4 结束语

对于本研究的广东电网示范工程装设500 kV限流电抗器时的系统过电压仿真分析结果如下：

(1)无论是否采用限抗,顺德-广南500 kV线路无故障甩负荷和单相故障甩负荷时的工频过电压均在允许的范围内。限流电抗器的接入降低了X0/X1值,降低了故障时的零序、负序等值电路的电抗,因此,在限流电抗器的接入后,发生接地故障时切负荷的工频过电压要低于无限流电抗器接入的情况;

(2)投入限抗后的顺德-广南500 kV线路合闸操作过电压未超过标准允许范围,变电站及限抗站MOA 能耗及电流与其设计参数相比有很大的裕度;

(3)广南-顺德500 kV线路单相接地故障下潜供电流小于10.6 A;恢复电压不超过44.8 kV,潜供电流的熄灭时间约0.515 s,单相重合闸的条件比较好。