超特高壓輸電線路并聯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濟建設,我國西北已建成國內第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高壓電抗器解決無功平衡和過電壓問題。常規(guī)并聯電抗器可在特高壓線路投運初期使用。但是,電網中潮流和負荷變化很大,常規(guī)并聯電抗器不能滿足連續(xù)、快速控制。若電網缺少快速控制手段,會使電網輸電可控性差,常造成大量的電能損耗,或被迫降低輸送能力,因此改善技術經濟的長遠要求則需要可靠的可控電抗器。這里分析了并聯電抗器在超(特)高壓電網中抑制過電壓的作用。論述了3種超(特)高壓可控并聯電抗器的基本原理和主要工作特性,并分析比較了3種可控并聯電抗器的主要功能和特性。同時,指出了特高壓并聯電抗器與超高壓并聯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;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,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。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;Kp為電容效應引起的工頻電壓升高系數。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;有利于消除由于同步電機帶空載長線出現的自勵磁效應;加速潛供電流的熄滅,便于裝設單相快速重合閘。2串聯電抗器容量調適且能加速超(特)高壓輸電線路在傳輸小功率時,并聯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中造成附加的有功損耗,降低了全網的經濟效益。因此,如果并聯電抗器能做到容量可調且能快速反應,則更為理想。可控并聯電抗器能隨線路傳輸功率的變化而自動平滑地調節(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;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:調節(jié)電抗器抽頭、直流助磁調導磁率、調節(jié)電抗器氣隙、超導式可控電抗器。其中,采用調節(jié)電抗器抽頭方案成本很低、調節(jié)方便,但電感量無法連續(xù)調節(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、多并聯支路的可控電抗器及裂心式可控電抗器等)通過調節(jié)直流激磁電流的大小改變交流等值磁導從而實現電感連續(xù)可調,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;調節(jié)電抗器氣隙方案電感量可以連續(xù)調節(jié),結構也簡單,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,它轉為正常態(tài),具有一定的電阻。在超(特)高壓電網中常規(guī)并聯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)無功補償的需要。傳統(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半鐵芯柱內的直流磁通三相超(特)高壓裂心式可控電抗器主繞組的結構布置如圖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,匝數各為Ny的2個直流控制繞組分別套在半鐵芯柱上所產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。所產生的交流磁通通過2個并聯半鐵芯和旁軛閉合。控制繞組由電壓為Uy的直流電源提供。調節(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斷時,在繞組回路中產生相應的直流環(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節(jié)電抗器功率。顯然,磁飽和現象會在繞組中產生相應的諧波電流,適當的參數設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,主要根據電網諧波要求而定。當第i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生高水平的諧波,所以采用分裂技術,消除3、5、7的倍數次諧波,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,本質上與普通變壓器很類似,可借用普通變壓器的制造技術,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)的控制繞組的個數及容量、處于調節(jié)狀態(tài)繞組容量占電抗器總容量的比例、處于調節(jié)狀態(tài)繞組的晶閘管觸發(fā)角等因素有關。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)高壓系列設備。全套高質量的特高壓設備乃是建立特高壓系統(tǒng)的必要前提,特高壓并聯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超高壓電網為例,1000kV特高壓電網是500kV超高壓電網電壓的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。沿用超高壓并聯電抗器已有的制作經驗,非可控特高壓電抗器可望在不長的時期內制成,并提供特高壓線路投運初期使用,而改善技術經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.并聯電抗器是超(特)高壓電網中必不可少的無功補償設備,能夠抑制工頻、操作過電壓。常規(guī)并聯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)無功補償的需要。b.超(特)高壓可控并聯電抗器能隨線路傳輸功率的變化而自動平滑地調節(jié)自身的容量,提