直流线路对同塔架设交流线路的影响

张羽翔

(云南电网公司昆明供电局,昆明 650011)

直流线路对同塔架设交流线路的影响

张羽翔

(云南电网公司昆明供电局,昆明 650011)

本文采用PSCAD-EMTDC电磁暂态软件建立了交直流输电系统和同塔输电模型,研究了交直流线路在同塔输电时直流输电线路发生单极接地故障条件下的交直流线路过电压水平变化及其影响。仿真并分析了交流输电线路不同排列方式,是否换位对交直流线路过电压的影响。经过仿真和数据分析,得出了以上因素下交直流线路在直流故障情况下的过电压的大小及其变化趋势,并且分析了过电压发生变化的原因。

直流高压输电；交直流同塔架设；PSCAD电磁暂态仿真

0 前言

我国现有输电线路多为交流输电,同交流输电相比,直流输电线路造价低,杆塔结构简单,线路所占走廊资源较少,输电能耗较小,直流输电系统两端的交流系统不需要同步运行,因此可用以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系。此外直流输电线路的功率和电流的调节控制较为容易且迅速,可以良好的实现各种调节和控制。我国的高压直流输电自1987年舟山直流输电工程而起,到现在已有多条线路投入运行,高压直流输电在我国西电东送和全国联网过程中将起重要作用。既然直流输电线路在现今条件下有诸多优势,改建和架设直流线路自然可以提高线路传输效率。

但在一些经济发达地区,输电走廊资源紧缺,新线路的架设成本越来越高,工程的实施愈加困难。提高电能供应已不能仅通过扩建电站,广架线路来实现。从而提高电能传输水平应向提高电能传输科技含量的集约型方向发展。

本文运用电磁暂态软件PSCAD-EMTDC建立交直流同塔输电的仿真模型,运用仿真模型,模拟交直流同塔输电线路在直流不同运行方式下的过电压及对其同塔架设的输电线路的影响。

利用仿真模型,实现交直流线路在不同导线布置方式、换位方式下的操作过电压对同塔线路的影响。最后,对仿真数据进行分析总结,对不同影响因素对同塔输电线路过电压影响进行评估。

1 PSCAD仿真模型

模型中规划使用±800 kV双极直流输电线路和500 kV双回交流输电线路。其线路图如图1所示：

图1 ±800 kV直流与双回500 kV交流同塔输电线路

1.1 交流输电系统模型

500 kV交流输电线路模型如下图所示：

图2 交流输电模型

采用双端电源模型,首端电源为525 kV,末端电源为500 kV。交流输电线路输送功率为1 850 MW,功率因数为0.95,线路平均电压为525 kV,首端电压取电网电压的105%,短路电流以10～60 kA考虑。交流输电线路使用4分裂导线,分裂间距为450 mm,500 kV线路避雷器选择额定电压为444 kV。

1.2 直流输电系统模型

直流系统电压为800 kV采用双极运行方式,其线路长度为1 100～1 800 km,整流侧直流电压为816 kV,双极正常输送功率为6 400 MW,单极最高连续过负荷运行功率为3 200×1.1 MW。交流输电线路采用6分裂导线,分裂间距同为450 mm。其线路相关参数如表1所示：

表1 ±800 kV直流输电线路导地线参数

高压直流输电因其整流与逆变的复杂性,仿真模型建立在CIGRE标准直流模型基础上。为实现800 kV输电,串联两个CIGRE标准直流模型。PSCAD中整流部分模型如图5所示：

图3 换流阀

图4 直流滤波器

图5 直流换流阀模型

如图6中,采用双极两端中性点接地运行方式,所示部分为整流侧,中性点用0.5 Ω电阻接地。双极直流的出线端加装了平波电抗器,使用150 mH的电感。图3所示即为CIGRE标准直流模型的换流阀模块,图5中每极串联两个此模块。在图5的出线上除了加装平波电抗器,还装有直流滤波器以及避雷器。直流滤波器使用了12/24和12/36双调谐波滤波器,滤波器的相关参数如图4所示。经过查阅资料 [1],设定了图4中线路避雷器的额定电压为920 kV。

以下附上直流系统整流侧和逆变侧的整体仿真模型：

图6 整流站模型

图7 逆变站模型

直流输电线路采用双极输电,输电线路仅有两条,其杆塔布置相对交流简单。在非同塔段,直流杆塔采用羊角塔,其导线布置方式如图8所示。

图8 直流线路塔型

1.3 同塔段输电模型

PSCAD中考虑线路频率参数的频率相关模型可以在相位范围内直接求解换位问题。可以准确模拟传输线路的各个结构,以及不平衡的几何结构。从而在多数仿真中,频率相关模型为输电线路时域分析首选。本文中的同塔段仿真即使用了频率相关模型。

同塔输电段的模型设定即将交流与直流输电系统模拟于同一段输电线路上,由两个PSCAD输电线路模型实现,中间部分加装电流与电压监测模块以及直流故障模拟点,由于交流线路和直流线路在同一输电线路模型上,线路频率根据文献 [2]设定为0.000 1 Hz,其PSCAD模型如下图所示：

图9 同塔输电模型

2 交流塔型变化和换位仿真结果

2.1 交流塔型变化及其仿真情况

2.1.1 交流线路仿真用塔型

在整个仿真模型中,交流杆塔使用了两种塔型：一种为三相交流线路三角形排列,另一种为竖直排列。在单独的交流输电段,杆塔使用了竖直排列,其形状大致为鼓型,其排列方式如图3所示。但在同塔段,预定为两种塔型进行仿真分析,即竖直排列和三角形排列。同塔段三角形排列如图10所示,同塔竖直排列如图11所示。

图10 同塔输电交流三角排列塔型

图11 同塔输电交流竖直排列塔型

2.1.2 交流线路竖直塔型仿真数据分析

在交流线路同塔段使用竖直塔型进行仿真时,同样设置的参数为交流线路长度150 km,直流线路全长为1 600 km,在其线路长度的90%即1 440 km处为同塔段架设段,交流同塔段始于60 km处。同塔架设段总长为90 km,在正极直流线路同塔架设的中点模拟了单极接地故障,由仿真所得相关电压波形图如以下所示。

在图12中,可以看出交流线路过电压水平与直流线路故障时交流各相所处相位有关,本例中将故障时刻设置为B相电压峰值时刻。虽然A相离直流线路较近,但B相的过电压水平最高,其过电压水平达到1.69 p.u.。A相过电压水平第二,为1.15 p.u.,C相其次,为1.23 p.u.。A相与C相的过电压波动过程时间较长,而B相的过电压峰值较高,但振荡相对较小。

图13所示为同一时刻的直流电压波形图。由图可以看出,图中所示正极直流线路模拟单极接地故障,由于整流侧换流阀触发角迅速移相至逆变方式运行,故障极线上的电荷从线路两侧换流站交流侧泄放,其电压在一个时期内降为零。负极直流输电线路由于受到故障相的影响,产生了较大的过电压,其过电压达到1.38 p.u.的水平。波动结束后趋于平稳,和初始电压等级相差不大,但还是有微小的纹波。

图12 同塔段双回交流导线竖直排列交流电压波形图

图13 同塔段双回交流导线竖直排列直流电压波形图

2.1.3 交流线路三角形塔型数据分析

在交流线路同塔段使用三角形塔型进行仿真时,设定交流线路全长150 km,直流线路全长1 600 km,在直流1 440 km处开始同塔架设,交流则始于60 km。同塔段总长度为90 km,在直流正极线路上模拟单相接地故障,所得电压波形如图所示。

图14中,过电压水平最高相同样为B相,达到1.65 p.u.。其余A相和C相也有所波动,但过电压水平较低,A相为1.10 p.u.,C相为0.56p.u.。B相的波动在一个时间点产生较大的峰值,然后在三个周期内波动趋于缓和,最大过电压相的持续时间较短。A相和C相过电压等级较低,但持续了一定的时间,而且在一定的时间内,其过电压水平缓慢变化。

图14 交流杆塔三角形架设交流电压波形

图15为双极直流线路电压波形图,其波形大致与竖直架设时类似。还是在正极直流输电线路模拟了单相接地故障,正极电压先降至零值。其后由于线路间的耦合作用,故障线路亦产生耦合电压。其耦合电压的产生经过了一定的波动,但其波动峰值不超过最终的稳态值。正常运行极过电压情况与竖直架设时类似,过电压最大达到1.39 p.u.。

图15 交流杆塔三角形架设直流电压波形

2.1.4 交流线路不同塔型数据对比

对比交流线路塔型变化后的过电压数据,直流线路健全极过电压等级受塔型变化影响较小,但交流线路过电压受塔型变化影响较大。比较各相的过电压等级,三角形架设时 B相为 1.65 p.u.,A相位1.10 p.u.,C相为0.56 p.u.。竖直形架设时B相为1.69 p.u.,A相和C相为1.15 p.u.和1.23 p.u.。各相过电压水平皆高于三角形架设,尤其是C相高了一倍多。原因在于三角形架设时,三相电流的磁场容易相互抵消,可以降低线路间的相互影响。

2.2 交流输电线路换位及其仿真情况

交流输电线路在进行长距离输电时会造成三相参数的不平衡,三相参数的不平衡会引发不对称电流,线路不对称电流会影响到杆塔间的电磁耦合情况。尤其是交直流线路同塔架设时,交流线路由于参数不平衡引发的不对称电流会对交直流线路的过电压水平造成影响。从而交直流线路在同塔架设时应考虑到交流线路换位的问题。

在交流输电线路输电时,其进行一次整换位循环和不换位相比引发的不对称电流前后差距达到十分之一[3]。进行换位对消除不平衡参数的好处是十分明显的,但换位布线较为复杂,进行换位跳线、绝缘子串和横担的需求数量较多,从而增加了线路建设成本。随着输电线路电压等级的提高,高压线路由于换位困难较大,500 kV以上的高压输电线路有时只能采取不换位的架设方案,这样的不换位架设就需要面对三相参数不平衡而带来的各种问题。

交直流线路在进行同塔架设时其线路间的电磁耦合和电磁感应问题较为严重,同塔段如果不进行换位,其不对称电流对交直流线路造成的不良影响同单独架设交流线路相比要大很多。故同塔架设时应充分考虑交流线路是否换位。

2.2.1 交流线路换位仿真模型

在进行仿真时,保持同塔段长度为90 km不变,直流线路全长1 600 km,在90%处即1 440 km处开始同塔段架设,交流线路采用三角形排列。在同塔段初始处模拟直流线路单极接地故障。设置交流线路在同塔段进行了一次逆相序全换位,其具体换位方式如图16所示：

图16 交流线路同塔段换位方式

2.2.2 换位仿真数据分析

为了便于进行数据对比分析,换位仿真前,先进行了在直流线路长度为1 600 km,同塔段长度90 km,在同塔段初始处模拟直流单极接地故障的仿真,其所得交直流线路数据如下图所示：

图17 未换位交流电压波形

图18 未换位直流电压波形

如图17和图18所示,交流线路未进行换位,其交流过电压最大相位B相,达到1.46 p.u.,直流负极线过电压水平达到1.43 p.u.。

交流线路进行换位时,将同塔段90 km线路分为三部分,每段30 km,如图17所示进行三次换位,所得仿真数据如下：

图19 换位交流电压波形

图20 换位直流电压波形

经过换位后的交直流线路电压波形并未发生太大变化,但交流最大过电压相B相过电压水平为1.39 p.u.,直流负极线过电压为1.42 p.u.。比较换为前后的数据,交流线路过电压水平明显降低,从1.46 p.u.降到了1.39 p.u.；而直流线路过电压水平基本未变。从而可以看出,在交流线路换位对降低交流过电压水平有显著的作用。其原因在于换位后交流线路的不对称电流减少,从而对降低交流过电压起到了一定作用。

3 结束语

本文通过电磁暂态仿真软件建立模型,经过设置仿真变量模拟了双回500 kV交流和±800 kV直流同塔架设线路,仿真了直流线路因操作引起的过电压以及同塔架设交流线路的感应过电压,并分析了各类因素对过电压水平的影响,得出以下结论：

I交流线路采用三角形排列时,B相过电压为1.65 p.u.,A相位1.10 p.u.,C相为0.56 p.u.,当改为竖直排列时,B相过电压提升为 1.69 p.u.,A相和C相为1.15 p.u.和1.23 p.u.。在同塔段进行全换位后,交流线路最大相过电压从1.46 p.u.降为1.39 p.u.。从而可以判断交流输电线路在同塔段采用三角形架设和换位时可以降低交流线路在直流故障情况下的过电压等级。

II交直流线路同塔架设时,双极直流线路的双极接地故障比单极接地故障造成的交流和直流过电压等级皆低,因为直流线路对称故障磁场相互抵消从而显著降低过电压等级。直流线路故障点位于同塔段中点时故障过电压等级最高,离故障极较近的交流线路过电压等级较高。

[1] 赵婉君.高压直流输电工程技术 [M].北京：中国电力出版社,2004.

[2] Douglas A.Halamay,Katrina M.Saxby,Juan L.Bala Jr,et al.Feasibility Study of a High-Voltage DC＆AC Multi-Circuit Hybrid Transmission Line[Z].

[3] 王晓彤,林集明,班连庚,等.1 000 kV同塔双回线路不平衡度及换位方式分析 [J].电网技术,2009,33(5)：1-5.

[4] 周沛洪,修木洪,聂定珍.同廊道架设交直流线路的相互影响 [J].高电压技术,2003,29(9)：5-9.

[5] 吴桂芳,余军,郭贤珊,等.±800 kV直流和1 000 kV交流线路同走廊时的最小接近距离研究 [J].中国电力, 2007,40(12).

[6] 吴桂芳,袁春峰,陆家榆,等.特高压直流线路与交流线路同走廊时的混合电磁环境的计算 [J].电网技术, 2010,34(2).

Research on Influence of DC Transmission Line on AC Transmission Line on Same Tower

ZHANG Yuxiang
(Kunming Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid,Kunming 650011,China)

This article use the PSCAD-EMTDC software to build a model of AC and DC transmission system which make the AC and DC transmission line on the same tower.Analysis the hybrid line’s overvoltage level and its trends when the DC transmission line under the single-pole ground fault.Design different arrangement modes of AC transmission line,whether the AC transmission line exchange the transposition to simulate the overvoltage of same tower system.Also make the DC transmission line on the different fault condition,different operation modes and different length to simulate the overvoltage of the single-pole ground fault of the DC transmission line.Through the model simulation and data analysis,it should draw the size and trend of transmission line’s overvoltage,and analyze the reason of the change of overvoltage.

high-voltage DC transmission；AC＆DC transmission line on the same tower；PSCAD simulation

TM75

B

1006-7345(2015)01-0124-05

2014-10-24

张羽翔 (1989),男,云南电网公司昆明供电局,主要从事变电运行工作 (e-mail)yuxiang_z＠yeah..net。