超高压串联补偿输电线路潜供电流仿真

李小亮，王巨丰，刘儒

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

为了提高单相自动重合闸的成功率，限制潜供电流和恢复电压，在我国超/特高压长距离输电线路中，一般采用线路装设高压并联电抗器，其中性点通过小电抗接地的方法，限制线路的的潜供电流和恢复电压。

同时，为了提高远距离超/特高压输电线路输送能力，串联补偿技术得到了应用。但串补电容、高压电抗器等形成的低频振荡回路电流和潜供电流的工频分量叠加后，延长了潜供电流熄灭的时间，对单相重合闸不利［1，2］。

本文通过建立750kV超高压串补输电线路模型，仿真分析了串补电容对潜供电流的影响，最后给出了抑制方法和建议。

2 潜供电流产生的物理过程分析

如图1所示，假设系统C相在某处发生单相接地故障，C相两端断路器动作断开，电源和系统从两边向故障点提供的短路电流被切断，由短路电流导致接地电弧本应随之熄灭，当重合后，系统应恢复正常。可是，由于三相线路导线之间存在电容和电感，两健全相上的电压UA和UB将经过相间电容C分别向故障点提供电容电流;再有两健全相上继续流过的电流IA和IB将经过相间互感M在故障相上感应出互感电势EM，此电势通过故障相对地电容C0向故障点提供互感电流，它们之和就是潜供电流。潜供电流又称二次电流，是在故障短路电流被切断后，继续沿故障点流过的电流。此电流产生的电弧，叫做潜供电弧［3－5］。

图1 潜供电流产生的原理

3 串补系统中潜供电流暂态过程

当串补线路上发生单相接地过程中，在故障相线路两侧断路器断开后，则串补电容的残余电荷通过由串补电容、高压电抗器、短路点弧道电阻组成的低频振荡回路，如图2所示［6，7］。它的振荡频率约数赫兹，电流幅值可达几十至上百安培，而且衰减缓慢。它和潜供电流的工频分量叠加后，加大了潜供电流而且减少了潜供电流的过零点，延长了潜供电弧熄灭的时间，不利于单相重合闸。

图2 串补系统单相接地时的低频振荡回路

4 串联补偿潜供电流仿真模型

图3是在Matlab建立的750kV超高压输电线路串联补偿模型［8，9］。它有两条输电线路，分别是LINE1和LINE2，长度都为200km。其中线路LINE2由两个分段分布参数线路模块组成，每个模块设置为100km。

在线路LINE2两端加装中性点接小电抗的并联电抗器模块，中性点小电抗值设置为700Ω，补偿度为80%;在其中部加装串联补偿模块，容抗值设置为21.8Ω，串联补偿度40%。电阻R模拟电弧电阻，设置为30Ω。

5 串联补偿潜供电流仿真分析

图4是无串联补偿系统单相重合闸过程中潜供电流仿真波形图。从图4(b)的波形可以看出，无串联补偿时潜供电流衰减很快，潜供电流的峰值大约为10A，易于自灭。

图4 无串联补偿时潜供电流波形

图5是对0.2～0.9s间无串联补偿潜供电流的频谱分析图。从图中可以看出，主要存在的是50Hz的工频分量，低频暂态分量对潜供电流的影响较小。

图5 无串联补偿时潜供电流频谱分析

图6是带串联补偿时潜供电流波形。从图6可以看出，由于串联补偿的关系，在线路断路器跳闸后，潜供电流的峰值非常高，甚至达到130A左右，潜供电弧自灭困难。

图7是对0.2～0.9s间带串联补偿的潜供电流的频谱分析图。从该图中很明显看出，潜供电流除了包含50Hz的工频分量外，还包括几个幅值极高的低频分量，主要为1～4Hz这4个振荡频率。这些低频分量是由线路中的串联电容在线路两侧跳闸后在低频振荡回路的充放电所引起的。也是由于这些低频分量的存在，使得潜供电流的过零次数减少，如图6(b)中所示，从而影响了潜供电流的自熄。

图6 带串联补偿时潜供电流波形

图7 带串联补偿时潜供电流频谱分析

6 抑制串联补偿潜供电流方法和仿真结果

为了限制串补电容对潜供电流自熄的影响，一般采取线路断路器和火花间隙联动措施。要求在线路保护启动断路器跳闸的同时，使串补的控制系统触发火花间隙，以旁路对应的串补电容，同时合闸旁路断路器，使得线路的振荡条件不再成立。

在仿真中，在0.1s线路断路器保护跳闸跳开故障相后，同时使旁路断路器闭合，短接串联电容，潜供电流的波形图如图8所示。

从图8中可以看出，潜供电流幅值大幅度降低，大约为12A，有利于自熄。

从图9串联旁路后的潜供电流频谱分析中可以看出，潜供电流中的低频分量大大降低，主要存在的是50Hz的分量。旁路后的潜供电流的总谐波畸变率THD为3.28%，相比于图7中没有旁路的潜供电流总谐波畸变率THD为5.15%，也说明了低频分量对潜供电流的影响程度降低。

图8 串补旁路后的潜供电流

图9 串补旁路后的潜供电流频谱分析

5 结束语

随着西电东送工程的实施，我国电网的结构和规模必将得到进一步的发展，串联补偿装置也将在我国超/特高压电网中进一步得到应用。本文根据串联补偿的理论，通过Matlab仿真建模分析了串补条件下的潜供电流现象。从仿真结果看，有串联补偿和无串联补偿线路的单相重合闸有很大差异，有串补时，潜供电流是一个低频率、幅值衰减的电流，随着幅值缓慢衰减和过零次数减少，潜供电流难于自熄;同时，当装设串联补偿电容的输电线路发生接地故障时，在故障相两侧断路器跳闸的同时，可以通过线路的继电保护，命令串补旁路断路器按相闭合，从而可以有效避免出现较大幅值的低频潜供电流，有利于单相重合闸成功。

［1］解广润.电力系统过电压［M］.北京:水利电力出版社.1985.

［2］鲁铁成.电力系统过电压［M］.北京:水利电力出版社.2009.

［3］陈维贤，陈禾.可控并联电抗器的功能和调节［J］高电压技术，2006，32(12):92 －95.

［4］林莘，何柏娜，徐建源.超高压线路上潜供电弧熄灭特性的分析［J］.高电压技术，2006，32(3):7 －9.

［5］林莘，何柏娜，徐建源.潜供电流的仿真分析［J］.高压电器，2007，43(1):8－10.

［6］周孝信，郭剑波，林集明，等.电力系统可控串联电容补偿［M］.北京:科学出版社.

［7］(美)P.M.Anderson，(美)R.G.Farmer，电力系统串联补偿翻译组.电力系统串联补偿［M］.北京:中国电力出版社.

［8］吴天明，谢小竹，彭彬，MATLAB电力系统设计与分析［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［9］张德丰，MATLAB－Simulink建模与仿真［M］.北京:电子工业出版社，2009.