超高压混合串补线路瞬态恢复电压暂态特性.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11681-07科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:何柏娜,孟凡涛,董彦辰,等.超高压混合串补线路瞬态恢复电压暂态特性J.科学技术与工程,2023,23(27):11681-11687.He Baina,Meng Fantao,Dong Yanchen,et al.Transient recovery voltage transient characteristics of extra high voltage
2、 hybrid series compen-sated lineJ.Science Technology and Engineering,2023,23(27):11681-11687.超高压混合串补线路瞬态恢复电压暂态特性何柏娜1,孟凡涛1,董彦辰2,林莘3,刘洋1,吴硕1,代维汉1,尉元龙1,王硕1,张东进1(1.山东理工大学电气与电子工程学院,淄博 255049;2.国网山东淄博供电公司,淄博 255049;3.沈阳工业大学,特种电机与高压电器教育部重点实验室,沈阳 110870)摘 要 混合串联补偿对输电线路暂态特性的影响亟待研究。为研究串联补偿混合复用对瞬态恢复电压(transien
3、t recoveryvoltage,TRV)暂态特性的影响,以 500 kV 超高压示范工程线路为研究背景,利用 PSCAD/EMTDC 建立可控串补与固定串补的电磁暂态仿真平台,分析系统发生单相接地故障时瞬态恢复电压变化规律,得到恢复电压上升率与短路电流变化曲线;采用对比分析方法,针对可控串补与固定串补不同配置方式,研究不同串补度对 TRV 特性的影响,并得出最佳串补配比。仿真表明:相比固定串联补偿(fixed series capacitor compensation,FSC)双平台分段布置,系统采用可控串联补偿(thyristor controlled se-ries compensat
4、ion,TCSC)与 FSC 混合复用时,TRV 超标工况大幅增加;合理配置 TCSC+FSC 线路串补度,能够有效降低 TRV与断路器短路电流,且能够满足断路器正常开断的国家标准。关键词 可控串补;固定串补;瞬态恢复电压;恢复电压上升率;短路电流中图法分类号 TM930;文献标志码 A收稿日期:2022-12-02;修订日期:2023-07-07基金项目:山东省自然科学基金(ZR2021ME057);特种电机与高压电器教育部重点实验室开放课题(KFKT202111)第一作者:何柏娜(1977),女,汉族,山东淄博人,博士,副教授。研究方向:电力系统暂态特性分析及高电压绝缘技术。E-mail:
5、。Transient Recovery Voltage Transient Characteristics of Extra High VoltageHybrid Series Compensated LineHE Bai-na1,MENG Fan-tao1,DONG Yan-chen2,LIN Xin3,LIU Yang1,WU Shuo1,DAI Wei-han1,WEI Yuan-long1,WANG Shuo1,ZHANG Dong-jin1(1.College of Electric and Electronic Engineering,Shandong University of
6、Technology,Zibo 255049,China;2.State Grid Shandong Zibo Power Supply Company,Zibo 255049,China;3.Key Laboratory of Special Machine and High Voltage Apparatus,Ministry of Education,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract The influence of hybrid series compensation on transien
7、t characteristics of transmission lines needs to be studied.In or-der to study the influence of series compensation hybrid multiplexing on the transient characteristics of TRV(transient recovery volt-age),the 500 kV ultra-high voltage demonstration project line was taken as the research background.T
8、he electromagnetic transientsimulation platform of controllable series compensation and fixed series compensation was established by PSCAD/EMTDC.The transi-ent recovery voltage variation law was analyzed when single-phase ground fault occurs in the system,and the recovery voltage rise rateand short-
9、circuit current change curve were obtained.The comparative analysis method was adopted.For different configurations ofcontrollable series compensation and fixed series compensation,the influence of different series compensation degrees on TRV charac-teristics was studied,and the optimal series compe
10、nsation ratio was obtained.The simulation results show that compared with the FSC(fixed series capacitor compensation)dual-platform segmented layout,the TRV exceeding condition is greatly increased when the sys-tem adopts TCSC(thyristor controlled series compensation)and FSC hybrid multiplexing.Reas
11、onable configuration of TCSC+FSC lineseries compensation,TRV and circuit breaker short-circuit current can be effectively reduced,and the national standard for normalbreaking of circuit breakers can be met.Keywordscontrollable series compensation;fixed series compensation;transient recovery voltage;
12、recovery voltage rise rate;short circuit current 超高压输电技术改善中国能源与负荷中心分布不均问题,实现区域电网互联,克服输电容量不足、线路损耗大等缺点,提高电力系统运行可靠性与稳定性1-3。然而随着中国电力需求快速增长,系统规模投稿网址:11682科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)日趋复杂,导致电网输送功率频繁变更,电力输送压力日益加剧,为电网安全稳定运行提出新的挑战4-5。随着现代电力电子技术的发展,串联补偿技术为优化电力系统提供新方向。其中,可控串联补偿(th
13、yristorcontrolled series compensation,TCSC)与固定串联补偿(fixed series capacitor compensation,FSC)利用容性阻抗补偿系统感性阻抗,缩短机组间电气距离,减少功率输送引起的电压降与功角差,进而改善系统稳定性,提升网络实际输送能力6-8。但串联补偿装置的应用使超高压电网架构进一步复杂化,电磁暂态问题更加突出9-11。因此有必要对加装串联补偿装置的超高压电网断路器开断特性进行分析。超高压串联补偿线路发生单相接地故障,其断路器两端瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)特性与常规线路相比
14、有很大的差异12-14。受串联补偿电容器组残压的影响,TRV 峰值相比无串补时明显升高,影响断路器正常开断15-17。TRV 特性受电网结构、电网设备等效参数、断路器电弧特性及故障类型等因素的影响,串联补偿的存在改变超高压电网结构参数与 TRV 影响因素,进而对输电线路暂态特性产生影响18-19。近年来,国内外学者基于串联补偿线路针对断路器暂态特性开展研究。文献5以特高压输电线路为背景,研究高补偿度下 FSC 与 TCSC 对潜供电弧的影响。文献6研究串联补偿装置短接时间对TRV 波形特征的影响。文献7利用 EMTP(elec-tromagnetic transient program)对多个
15、特高压串联补偿线路断路器 TRV 特性及影响因素进行研究,并对各种 TRV 抑制措施的效果进行对比。虽然上述研究对 TRV 产生机理及影响因素进行研究,但针对输电线路安装混合串联补偿时串补度对 TRV 峰值与上升率的影响还未进行研究。现基于500 kV 德宏-博尚-墨江超高压串联补偿系统,分析安装 FSC 与 TCSC 的超高压线路发生单相接地故障时断路器两端 TRV 及短路电流变化规律,研究串补度对断路器开断特性的影响,并分析不同FSC 和 TCSC 串补度配置方案对瞬态恢复电压上升率(rate-of-rise of restriking voltage,RRRV)与峰值的宏观分布特性影响,
16、得到合理的串补配置方案,为TCSC 与 FSC 推广提供必备的理论支撑与技术支撑。1 串补系统对 TRV 特性影响分析基于电力系统电压等级的提高与输送功率的增长,输电线路无功功率变化更为频繁,给系统带来新的挑战。采用串联补偿技术提高电网输送能力已成为当今学者研究热点之一。其中,TCSC 与FSC 通过串补度影响电感支路等效阻抗,进而对系统进行调节,达到对系统无功功率控制的目的。图 1所示为串补系统电气主回路构造原理图。图 1 串联补偿系统电气主回路Fig.1 Electrical main circuit of series compensation systemTCSC 补偿模块由电容器 C
17、 与晶闸管 SW 控制电感 L 所组成的 TCR 支路并联构成;金属氧化物限压器 MOV、火花间隙 G、阻尼回路 D 与旁路断路器 S构成串补系统保护模块;其中 MOV 是电容器组过电压保护的必要措施,火花间隙 G 是电容器组后备保护,i 为线路电流。超高压串补系统基波阻抗受电容器电流 iC的影响,导致断路器两端 TRV 变化更为复杂。因此,基于输电系统等效拓扑结构,建立安装串联补偿装置的超高压线路单相接地故障等效模型,分析串联补偿对 TRV 暂态特性的影响,如图 2 所示。U 为等效电源;iA为电源侧等效电流;RA、LA、CA为电源侧等效电阻、电感与电容;QF 为断路器;UA与 UB为断路器
18、两侧 A、B点对地电压;RX、LX、CX为断路器发生单相接地故障时线路侧的等效电阻、电感与对地电容;UC为 TCSC 电容电压;iTCSC为TCSC 等效电流;L 为 TCSC 等效电感;SW 为 TCSC 晶闸管阀图 2 单相接地故障等效模型图Fig.2 Equivalent model of single-phase grounding fault线路发生单相接地故障时,设稳态电流为 IA。断路器断口电弧熄灭前,A 点对地电压为UAm=2IARX+(LX+L)=2URX+(LX+L)R2A+R2X+(LA+LX+L)2(1)投稿网址:2023,23(27)何柏娜,等:超高压混合串补线路瞬态
19、恢复电压暂态特性11683式(1)中:为电源角频率;U 为系统相电压有效值。以断路器 QF 的电弧电流熄灭时刻作为时间坐标零点,定义为 t0,此时出现弧隙电压的恢复过程。此时电源侧回路方程为RACAdUAdt+LACAd2UAdt+UA=Umsin(t+)(2)式(2)中:UA为断路器左侧 A 点对地电压;Um为电源电压幅值;为线路故障时的功率因数角,由 RA、LA、L、LX与 RX决定。求解式(2)可得UA=tR(1)m(t)cost+R(2)m(t)sint(3)式(3)中:R(1)m(t)与 R(2)m(t)为系数待定的多项式。t0时刻电源侧电压 UA起始条件为:t0=0,iC=0,UC
20、A=UAm。代入式(3)求得UA=U0-(U0-UAm)e-tcost+sint()(4)式(4)中:=1/(2RACA);=1/(LACA)。由于 ,因此 e-=1,式(4)可简化为UA=Umsin+cost(Umsin-UAm)(5)由于线路侧 TCSC 随着晶闸管阀的导通与关断在不同拓扑结构之间切换,因此可根据晶闸管阀触发角 得到 TCSC 阻抗数学模型,即XTCSC=XC-k2XC(k2-1)(2+sin2)+4 k2XCcos2(k2-1)2(ktank-tan)(6)式(6)中:k=XC/XL(2.2,2.7);XC、XL为TCSC电容、电感电抗;为晶闸管阀触发超前角。根据 TCS
21、C 电容电压波形的对称特性,设 0 时刻电容电压为 UC(0)=U0,t0时刻线路侧电流 i=Imsin(t+),线路侧电压与电流的计算公式为UC=XCImcos(+)-cos+U0iTCSC=-CXdUBdt=CdUCdtRXiTCSC+LXdiTCSCdt+UTCSC+UFSC=UB(7)式(7)中:UB为断路器右侧 B 点对地电压;UTCSC为TCSC 电压;UFSC为 FSC 电压。求解线路侧电流 iTCSC得iTCSC=Asinsec XL(1-XL)sink(t-)-Imcossint(8)式(8)中:A=k2/(1-k2)XLIm;=(-)/2;=arctancos-UC()kT
22、sin,其中 T 为周期。因此,瞬态恢复电压 UTRV为UTRV=UA-iTCSC(RX+XLX+XFSC)+UTCSC=Umsin+cost(Umsin-UAm)-(RX+XLX+XFSC+XTCSC)Asinsec XL(1-XL)sink(t-)-Imcossint(9)如式(9)所示,断路器两端 TRV 由两部分组成,一部分与电源侧等值电压源 U 相关,另一部分与TCSC 基准阻抗、FSC 电容器、晶闸管触发角、电容器组残压等因素有关,而 TCSC 与 FSC 混合复用串补度决定串联补偿系统中电容器的容抗值,影响 TRV峰值与上升率 RRRV。2 仿真模型构建与串补参数确定2.1 系统
23、模型依托 500 kV 德宏-博尚-墨江超高压交流示范线路,考虑电网实际结构与输电线路频变特性,结合实际潮流分布,利用 PSCAD 电磁仿真软件研究不同串联补偿方式对线路暂态特性的影响,探究输电线路单相接地故障下串补度对断路器两端 TRV 的影响。超高压串联补偿系统等值模型如图 3 所示,500 kV 德宏-博尚-墨江超高压交流输电线路采用单回路双端等值模型,线路全长 412 km,西起德宏,东至墨江站,中途在博尚设有串补站,具体参数如表 1、表 2 所示;AC1与 AC2为德宏与墨江变电站的等效电源;DK1、DK2为线路首、末端并联电抗器;QF1与 QF2为线路首、末端断路器;TCSC 与
24、FSC 为线路串联补偿设备。图 3 串补系统等值模型Fig.3 Equivalent model of transmission line表 1 等效电源参数Table 1 Equivalent power supply parameters等效电源正序阻抗/零序阻抗/相位AC1(德宏站)8.068+j144.7582.566+j64.6730AC2(墨江站)9.007+j154.1931.612+j47.934-5投稿网址:11684科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)表 2 超高压串补线路参数Table 2 L
25、ine parameters参数德宏-博尚博尚-墨江长度/km257155正序参数R1=0.016 34/km,X1=0.202 1/km,C1=0.017 65 F/km零序参数R1=0.273 69/km,X1=0.912 6/km,C1=0.007 4 F/km2.2 串补系统参数及方案确定电磁暂态分析与串补配比是串补系统研究与设计的重要内容。TCSC 与 FSC 最优串补配比影响系统潮流分析与绝缘配合,是开展串补技术研究与装置研制的基础。目前,中国超、特高压串补度一般为 40%左右,对大于 400 km 的线路需加装更高补偿度串补对系统进行调节。基于 500 kV 示范线路,在德宏-博
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