超特高壓輸電線路并聯(lián)電抗器過電壓抑制研究

0特高壓試驗變壓器中國的電氣系統(tǒng)正在向功率、距離和高壓集中發(fā)展。為適應快速增長的經(jīng)濟建設(shè),我國西北已建成國內(nèi)第1條750kV電壓等級輸電線路。1000kV交流輸電線路已開展了相關(guān)的試驗研究,武漢高壓研究所于1986年建成長200m的1000kV試驗線段,研制了特高壓試驗變壓器。超(特)高壓輸電系統(tǒng),由于其電壓等級提高,可傳輸更大的容量,更遠的距離。但是,線路的電容效應限制了傳輸容量,降低了系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性,增加了工頻過電壓幅值,所以超(特)高壓輸電線路往往裝設(shè)高壓電抗器解決無功平衡和過電壓問題。常規(guī)并聯(lián)電抗器可在特高壓線路投運初期使用。但是,電網(wǎng)中潮流和負荷變化很大,常規(guī)并聯(lián)電抗器不能滿足連續(xù)、快速控制。若電網(wǎng)缺少快速控制手段,會使電網(wǎng)輸電可控性差,常造成大量的電能損耗,或被迫降低輸送能力,因此改善技術(shù)經(jīng)濟的長遠要求則需要可靠的可控電抗器。這里分析了并聯(lián)電抗器在超(特)高壓電網(wǎng)中抑制過電壓的作用。論述了3種超(特)高壓可控并聯(lián)電抗器的基本原理和主要工作特性,并分析比較了3種可控并聯(lián)電抗器的主要功能和特性。同時,指出了特高壓并聯(lián)電抗器與超高壓并聯(lián)電抗器相比的特殊性。1kn-tk問題超(特)高壓、長距離輸電線路,一般需要考慮線路的分布參數(shù)特性。輸電線路長線方程如下:式中U1、I1、U2、I2為輸電線首、末端的電壓、電流矢量;為線路的波阻抗;為輸電線路的傳輸常數(shù);l為線路長度;L、C、R、G分別為單位長度線路的電感、電容、電阻、對地漏電導。在單端電源空載長線路電容效應下,可得沿線電壓表達式:式中x為線路上任一點距線路末端的距離;k為電壓升高系數(shù),對于超(特)高壓線路,k一般大于1,并在線路末端電壓達到最大值。雙端電源供電情況下的沿線電壓表達式為分析計算可知,雙端電源供電的空載長線中點電壓最高。在一般線路長度情況下,雙端電源供電的空載線路沿線電壓升高并不嚴重,而單端電源供電時的電壓升高卻不能忽視。并聯(lián)電抗器可將單端電源供電時的線路末端電壓限制在允許范圍內(nèi)。單端電源供電的空載長線上發(fā)生不對稱接地故障時,短路電流的互感效應將使得健全相的相電壓更加升高。式中U、E分別為故障后健全相的相電壓和故障前正常運行時的相電勢;K(n)為不對稱故障引起的電壓升高系數(shù);Kp為電容效應引起的工頻電壓升高系數(shù)。當線路重負荷運行時,因某種原因(如發(fā)生短路)斷路器跳閘甩負荷,由于線路上輸送著相當大的有功及無功功率,因此甩負荷前電源電勢必高于母線電壓。根據(jù)磁鏈不變原理,甩負荷后電源暫態(tài)電勢維持原值,由于空載線路的電容效應,使線路工頻過電壓升高更為嚴重。并聯(lián)電抗器用于補償超高壓線路的容性充電功率,有利于限制系統(tǒng)中工頻電壓的升高和操作過電壓,降低超高壓系統(tǒng)的絕緣水平;可以改善沿線電壓分布,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和送電能力;并且改善輕負荷線路中的無功潮流,有利于降低有功損耗,防止電壓升高,便于系統(tǒng)并網(wǎng);有利于消除由于同步電機帶空載長線出現(xiàn)的自勵磁效應;加速潛供電流的熄滅,便于裝設(shè)單相快速重合閘。2串聯(lián)電抗器容量調(diào)適且能加速超(特)高壓輸電線路在傳輸小功率時,并聯(lián)電抗器可起到限制工頻過電壓的作用,但當傳輸功率接近或大于自然功率時,并聯(lián)電抗器就成為多余的裝置,它不僅使線路電壓過分降低,且其無功電流會在電網(wǎng)中造成附加的有功損耗,降低了全網(wǎng)的經(jīng)濟效益。因此,如果并聯(lián)電抗器能做到容量可調(diào)且能快速反應,則更為理想?？煽夭⒙?lián)電抗器能隨線路傳輸功率的變化而自動平滑地調(diào)節(jié)自身的容量,且能降低線路操作過電壓水平,提高了電網(wǎng)的運行效益。2.1晶閘管控制電抗器式中μ為鐵磁材料的導磁率;N為電抗器繞組的匝數(shù);A為鐵芯截面積;δ為磁路的氣隙長度。由式(6)可知,可控電抗器可分為4種方案:調(diào)節(jié)電抗器抽頭、直流助磁調(diào)導磁率、調(diào)節(jié)電抗器氣隙、超導式可控電抗器。其中,采用調(diào)節(jié)電抗器抽頭方案成本很低、調(diào)節(jié)方便,但電感量無法連續(xù)調(diào)節(jié);而采用直流助磁式方案(包括變壓器式可控電抗器、磁飽和式可控電抗器、直流助磁式可控飽和型電抗器、多并聯(lián)支路的可控電抗器及裂心式可控電抗器等)通過調(diào)節(jié)直流激磁電流的大小改變交流等值磁導從而實現(xiàn)電感連續(xù)可調(diào),其響應速度快,但長期正常運行時,鐵芯處于磁飽和狀態(tài),損耗大、噪聲大、諧波較大;調(diào)節(jié)電抗器氣隙方案電感量可以連續(xù)調(diào)節(jié),結(jié)構(gòu)也簡單,但是需要較為精密的機械傳動裝置,響應慢、噪聲也很大;超導式可控電抗器是利用超導體的超導態(tài)及正常態(tài)的轉(zhuǎn)變特性,線路正常時,超導體處于超導態(tài),具有零電阻和完全排磁通效應(邁斯納效應),裝置阻抗很低,在發(fā)生短路故障時,它轉(zhuǎn)為正常態(tài),具有一定的電阻。在超(特)高壓電網(wǎng)中常規(guī)并聯(lián)電抗器具有響應速度慢、連續(xù)可控性差的缺點,不能很好地滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰鹘y(tǒng)的晶閘管控制電抗器較好地解決了上述問題,但其工作過程中將產(chǎn)生大量的諧波電流注入系統(tǒng),為消除這些諧波需增加大量的濾波器,從而增加了裝置的占地面積和造價。針對上述缺點,裂心式可控電抗器、磁飽和式可控電抗器及變壓器式可控電抗器則具有諧波電流較小、功率損耗較低等優(yōu)點。2.1.1半鐵芯柱內(nèi)的直流磁通三相超(特)高壓裂心式可控電抗器主繞組的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示(分裂鐵芯及助磁繞組未畫出)。電抗器的工作鐵芯分裂為兩半,匝數(shù)各為Ny的2個直流控制繞組分別套在半鐵芯柱上所產(chǎn)生的直流磁通在兩上半鐵芯自成回路,交流工作繞組N繞在整體的2個鐵芯柱上。所產(chǎn)生的交流磁通通過2個并聯(lián)半鐵芯和旁軛閉合?？刂评@組由電壓為Uy的直流電源提供。調(diào)節(jié)Uy的大小以改變鐵芯的磁飽和度,可以平滑地改變電抗器的容量。2.1.2晶閘管導通角對磁飽和的控制磁飽和式可控電抗器(MCSR)基于磁放大器原理工作,圖2為工作原理圖。由圖可見,2個晶閘管不導通時,可控電抗器工作于空載狀態(tài)。2個晶閘管在電源正、負半周里依次導通和關(guān)斷時,在繞組回路中產(chǎn)生相應的直流環(huán)流(其大小由晶閘管導通角決定)。該環(huán)流產(chǎn)生的直流磁通改變了2個鐵芯的飽和程度,控制晶閘管的導通角即可調(diào)節(jié)電抗器功率。顯然,磁飽和現(xiàn)象會在繞組中產(chǎn)生相應的諧波電流,適當?shù)膮?shù)設(shè)計可將其抑制到較低的水平。多年前,俄羅斯已試制成這種類型的可控電抗器,接在500kV變電所的母線上。2.1.3cw不同承擔的工作原理20世紀末提出的變壓器式可控電抗器(TCSR),其工作原理見圖3,可見它實為一高短路阻抗的多繞組變壓器。圖中,HVW為高壓工作繞組;CWl、CW2、…、CWn為低壓控制繞組,各個CW中串接反并聯(lián)晶閘管,每個CW的額定功率是電抗器總額定功率的一部分,主要根據(jù)電網(wǎng)諧波要求而定。當?shù)趇個CWi投入工作時,第1、2、…、i-1個CW繞組均工作于短路狀態(tài),可認為其中無諧波電流存在。這樣,HVW中工作繞組的電流諧波只由CWi的晶閘管導通程度決定,因此,當依次把CW投入工作并正確控制晶閘管的導通和關(guān)斷時,其功率從空載到額定連續(xù)自動變化,滿足諧波電流的要求。2.2操作正時對壓的選擇適用a.裂心式可控電抗器采用外加直流勵磁系統(tǒng),具有非線性伏安特性。為使裂心式可控電抗器獲得強補功能,大幅度限制線路操作過電壓,其額定磁飽和度較低。低額定磁飽和度的可控電抗器會產(chǎn)生高水平的諧波,所以采用分裂技術(shù),消除3、5、7的倍數(shù)次諧波,減少諧波含有率。同時,兼具大幅度限制操作過電壓的功能,適用于操作過電壓水平較高的超(特)高壓線路。b.磁飽和式可控電抗器具有良好的線性伏安特性,在一定觸發(fā)延遲角下與普通的線性電抗器一樣具有恒定的電抗值。其晶閘管兩端只施加低電壓,通過的只是不大的直流電流而非電抗器主電流,故其耐壓和容量要求很低,控制和維護相對方便。其額定磁飽和度已達極限值,可大幅減少所產(chǎn)生的諧波,但同時也需要采用合閘電阻和氧化鋅避雷器限制操作過電壓。磁飽和現(xiàn)象和相應的漏磁會增大邊緣心柱和磁軛的渦流損耗,故抑制溫升和振動亦為棘手問題。c.變壓器式可控電抗器實為一高短路阻抗的多繞組變壓器,本質(zhì)上與普通變壓器很類似,可借用普通變壓器的制造技術(shù),工作條件和運行維護無特殊要求。通常,輸出電流的諧波含量和處于全導通狀態(tài)的控制繞組的個數(shù)及容量、處于調(diào)節(jié)狀態(tài)繞組容量占電抗器總?cè)萘康谋壤?、處于調(diào)節(jié)狀態(tài)繞組的晶閘管觸發(fā)角等因素有關(guān)。除有磁飽和式可控電抗器的優(yōu)點外,變壓器式可控電抗器的諧波電流更小、響應速度更快、功率損耗更小。2.3特高壓電抗器容量我國即將興建特高壓線路,由此形成完整的超(特)高壓系列設(shè)備。全套高質(zhì)量的特高壓設(shè)備乃是建立特高壓系統(tǒng)的必要前提,特高壓并聯(lián)電抗器則是其重要組成部分之一,其容量比超高壓大得多。令UN為額定線電壓,ω為角頻率,lb為被補償線段長度,B為補償度,Z為導線正序波阻抗,vc為光速,則電抗器的容量應為以500kV超高壓電網(wǎng)為例,1000kV特高壓電網(wǎng)是500kV超高壓電網(wǎng)電壓的2倍,相應的波阻抗與后者之比小于0.7,故同樣長度線段和同補償度時前者補償容量與后者之比大于22/0.7=5.7。當前500kV電抗器三相容量為90~180MV·A,則特高壓電抗器為500~000MV·A的龐然大物。沿用超高壓并聯(lián)電抗器已有的制作經(jīng)驗,非可控特高壓電抗器可望在不長的時期內(nèi)制成,并提供特高壓線路投運初期使用,而改善技術(shù)經(jīng)濟的長遠要求則必須盡快研制可靠的超高壓可控電抗器。3高壓可控電抗器a.并聯(lián)電抗器是超(特)高壓電網(wǎng)中必不可少的無功補償設(shè)備,能夠抑制工頻、操作過電壓。常規(guī)并聯(lián)電抗器具有響應速度慢、連續(xù)可控性差的缺點,故不能很好地滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰?。b.超(特)高壓可控并聯(lián)電抗器能隨線路傳輸功率的變化而自動平滑地調(diào)節(jié)自身的容量,提