基于ATP-EMTP的特高压交流输电线路潜供电流仿真分析

张前雄，殷雷，刘耀中，王凯

(中国能源建设集团安徽省电力设计院，合肥市 230601)

0 引言

潜供电流的大小和恢复电压的上升速度直接影响电弧熄灭的速度，故障电弧可能会经历燃烧、熄灭、重燃、熄灭的反复过程，最终会造成电弧未能完全熄灭而导致重合闸失败［1-2］。

理论分析表明，潜供电流及故障点恢复电压都是由相间电容的静电耦合作用产生的静电感应分量和相间互感的电磁耦合产生的电磁分量组成［2］，其大小不仅与线路参数有关，还与线路的长度及故障点位置有关系。

潜供电弧在空气中或者绝缘子表面游离，在一个被短路的“电感性自由电弧”中流过，并在被游离化的弧道中形成和发展，恢复电压的上升波形受回路中电容的大小制约［3-6］。潜供电弧在空气中自由发展，没有强制灭弧条件，熄灭潜供电弧是比较困难的。

本文在分析潜供电流产生机理的基础上，建立基于ATP-EMTP的特高压示范工程仿真模型，验证潜供电流随故障点位置、弧道电阻等条件的变化特性。

1 潜供电流的产生机理分析

1.1 潜供电流产生机理

图1为潜供电流的产生原理，图中:M为相间互感;C12为相间电容;C0为单相线路对地电容。当C相发生单相接地后，C相两侧的开关K1、K2断开，由线路两侧流经C相进入大地的巨大短路电流被切断，接地电弧熄灭后，合上开关K1、K2，系统恢复正常运行。

图1 潜供电流产生原理Fig.1 Principle of secondary arc current

根据图1可列出故障相上的电压、电流表达式

由式(1)、(2)可以得到任意点处单相跳开后故障相上的恢复电压与潜供电流为

由式(3)、(4)可以得出如下结论:

(1)由电容引起的静电感应电压分量沿线分布是一个常数，与故障点位置无关。

(3)由电感关系引起的恢复电压、电磁感应分量是以线路的中点为中心、呈左右对称分布，大小相等方向相反，如图2、3所示。

(4)潜供电流电磁分量与故障点的位置密切相关。当故障点出现在线路最左端时，电流的方向是由大地流向线路，其潜供电流最大;当故障点在线路最右端时，电流的方向是由线路流向大地，其值与前者相同。

图2 恢复电压与故障点位置的关系Fig.2 Relationship between recovery voltage and fault location

图3 潜供电流与故障点位置的关系Fig.3 Relationship between secondary arc current and fault location

1.2 潜供电弧的熄灭时间

潜供电弧在空气中燃烧，只能靠风力以及电弧燃烧产生的热气流拉弧，因此熄弧的外界力量不大，熄灭时间主要与电流大小有关。由于外界条件的复杂性，不存在精确的潜供电弧模型，只能根据试验及运行经验得到经验公式。前苏联电力科学研究院根据500kV线路的试验结果，总结出了潜供电弧熄灭时间 t、电流大小 I之间的经验公式［1］。

由式(5)可得，当 I=20 A时，t=0.75 s。

试验研究结果表明，当风速为1.5～2.5 m/s时，未经补偿的潜供电弧熄弧时间(按照90%的概率统计)可参考表1中的数据，表中潜供电流数值是指潜供电流基波工频分量有效值。

表1 潜供电流的熄灭时间Tab.1 Quenching time of secondary arc current

由表1可知，潜供电弧熄灭时间与电流大小关系非常密切，潜供电流越小，其电弧自熄灭的时间越短。

2 特高压输电线路潜供电流仿真

2.1 模型参数

1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流输电示范工程，北起山西省长治县晋东南变电站，经河南省南阳开关站，南止于湖北荆门变电站。系统额定电压为1000kV，最高运行电压为1100kV［7-8］。

该工程一期采用单回路设计，导线全线换位，典型杆塔有IVI水平排列、VVV水平排列、IVI三角排列和VVV三角排列等4种，导线的最低对地高度在非居民区为22 m，居民区为27 m［7］。本文所采用的塔型为自立式酒杯塔，杆塔按IVI水平方式排列，绝缘子串长为10 m，导线型号为8×LGJ－500/45，导线的分裂半径为400 mm，子导线按正八边形对称排列。避雷线的型号为LBGJ－150－20AC，其计算直径为0.855 mm。导线及避雷线的弧垂均为18 m。

根据塔杆尺寸，再结合线路设计资料以及土壤情况，采用ATP-EMTP所提供的输电线路子程序Line Constants对该工程的输电线路参数进行了计算。计算中土壤情况按一般黄土考虑，电阻率为300 Ω·m，计算所得的线路参数如表2所示。

表2 1000kV线路LCC模型等效参数Tab.2 Equivalent parameters of LCC model in 1000kV transmission line

2.2 特高压输电线路潜供电流仿真计算

根据计算得到的线路参数，建立了1000kV特高压输电线路南阳—荆门段的仿真模型。仿真结果为:南阳侧，¯E1(∠0°)=1100kV，系统等效零序阻抗 Z10=0.8Ω +j10.89 Ω，正序阻抗 Z11=0.86 Ω +j52.74 Ω;荆门侧，¯E2(∠－25°)=1100kV，等效零序阻抗Z20=3.15 Ω +j8.15 Ω，正序阻抗 Z21=5.69 Ω +j14.18 Ω。南阳侧装设720 Mvar的磁控高抗，而荆门侧装设600 Mvar的固定高抗。仿真时，假设系统在1.1 s时经10 Ω电阻发生单相接地故障，经过0.06 s后故障被切除，潜供电流产生，再经过0.24 s，潜供电弧熄灭。图4为不投并联电抗器时潜供电流波形。

图4 潜供电流波形Fig.4 Waveform of secondary arc current

3 影响潜供电流大小的因素

3.1 故障点位置对潜供电流的影响

根据仿真模型，计算了不同故障点的潜供电流数值，结果如图5所示，图中L为南阳—荆门段输电线路长度。

计算结果表明:故障发生在线路中间时潜供电流最小，此时的潜供电流互感分量前、后两段相互抵消，其值几乎为0;而故障发生在线路两侧时潜供电流最大。

图5 故障点位置对潜供电流的影响Fig.5 Effect of fault location on secondary arc current

3.2 弧道电阻的影响

弧道电阻与线路对地电容构成串联回路，弧道电阻的存在会使得潜供电流有所下降［9］。弧道电阻通常是非线性的，为计算方便常将其视为线性。功角为25°、在线路两端和中间发生单相接地故障时，弧道电阻与潜供电流之间的对应关系如图6所示，图中R为弧道电阻。

图6 潜供电流与弧道电阻的关系Fig.6 Relationship between secondary arc current and arc resistance

由图6可看出，潜供电流随弧道电阻的增加而减小，变化趋势是非线性的。

3.3 线路输送潮流的影响

潜供电流电磁感应分量主要与线路间的互感以及线路输送的潮流有关系，而对于静电感应分量主要体现在当线路潮流增大后，导致沿线电压分布下降，从而使潜供电流的静电感应分量略有下降。

接地电阻20 Ω时，潜供电流与功角变化之间的关系曲线如图7所示。由图7可看出:当故障发生在线路两侧时，潜供电流随着功角的增大而增大;故障发生在线路中间时，潜供电流随着功角的增大而减小;功角较小时，故障发生在两侧时的潜供电流小于发生在线路中间的潜供电流，而当功角较大时，故障发生在两侧时的潜供电流大于故障发生在线路中间。

图7 潜供电流随功角变化曲线Fig.7 Curves of secondary arc current varing with power angles

3.4 影响潜供电流的其他因素

影响潜供电流大小的因素还有很多，如并联电抗器的接入、线路长度、系统运行电压等。并联电抗器的存在增加了对地电流的分流通道，潜供电流会略有降低。线路长度很大程度上决定了线路的对地电容及相间电容大小。在电压等级以及输电容量已确定的情况下，潜供电流的数量级直接决定于输电线路的长度。系统运行电压越高，其静电感应电压越大，对应的潜供电流也增大。

线路换位对潜供电流也有影响。在我国，超高压输电线路超过100 km需要换位，线路换位主要是为了使线路三相之间的电容以及对地电容相互平衡。

4 抑制潜供电流和故障点恢复电压的措施

为保证重合闸的成功，必须采取措施来减小潜供电流、降低恢复电压。当潜供电流在20 A以下时，可以靠风力、上升气流力等作用快速熄灭，但是我国已建和在线的特高压输电线路长度为几百km，其潜供电流数值远远超过了20 A，必须采取适当的措施来减小潜供电流。

4.1 采用快速接地开关减小潜供电流

这种方法在日本、韩国得到了广泛应用，适用于线路长度较短，不用装设并联电抗器，线路换位不均匀的线路。

当线路发生故障时，故障相两侧的断路器断开，故障线路通过两端的快速接地开关接地，使得故障相的对地电容被短路，故障点潜供电流和恢复电压大大降低。

使用快速接地开关也会带来一些不利的影响，比如在带串联补偿的线路中，当故障单相切除后合上接地开关，补偿电容和线路本身电感将形成串联谐振回路，潜供电流将进一步增大使得电弧更加难以熄灭。

4.2 电抗器中性点加小电抗抑制潜供电流

在输电线路上并联三角形联接的电抗器XL12来补偿相间电容C12;再并联1组Y形联接，中性点直接接地的电抗L0来补偿输电线路的相对地电容，以增大潜供电流纵向分量的回路阻抗，达到减小潜供电流纵分量的目的。由星形与三角形变换原理可知，上述2组并联电抗器的效果可以由1组中性点经电抗XN接地的电抗器XL1来代替。

5 结论

(1)仿真计算表明，1000kV晋东南—南阳—荆门特高压输电示范工程的潜供电流约为100 A，潜供电弧无法自熄灭，必须采取措施加以限制。

(2)影响潜供电流大小的因素有:影响潜供电流的静电感应分量，比如线路长度、线路换位、系统运行电压等;影响潜供电流的电磁感应分量，比如输送容量、故障点位置等;影响潜供电流形成回路的阻抗，比如弧道电阻等。

(3)快速接地开关适用于线路比较短的情况;对于长距离输电网络，在装有并联电抗器的情况下应优先采用并联电抗器中性点加装小电抗的措施。

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