500kV并行双回架设线路高抗隔离开关感应电流仿真分析

超高压柳州局 李海生 李洪坤 张健全 周 韦

南方电网科学研究院 冯 宾

500kV并行双回架设线路高抗隔离开关感应电流仿真分析

超高压柳州局 李海生 李洪坤 张健全 周 韦

南方电网科学研究院 冯 宾

为进一步缩短退运并联高抗的电气操作时间，针对500kV带并联高压电抗器运行的并行双回架设线路，本文探讨了在线路冷备用状态下直接拉合高抗隔离开关的操作可行性。通过电磁暂态仿真计算软件ATP-EMTP，分别计算了当一回线路停运，一回线路运行时，流经500kV山河甲乙线高抗隔离开关的感应电流值，对可能影响感应电流值的几个因素进行了讨论分析。同时计算出高抗隔离开关拉合高抗时的恢复过电压值，为线路高抗隔离开关的改造、选型提供参考。

并行双回架设线路；感应电流；ATP-EMTP；恢复过电压值

随着电力需求的不断增长，电网规模不断扩大，南方电网的主网架输电线路呈现出交直流并联运行、远距离、大容量、电压等级高的特点。对于远距离输电线路，为补偿长线路电容效应，降低操作过电压，通常采用隔离开关将并联高压电抗器接入输电线路中。在南方电网日常电力运行、检修工作中，针对并联高压电抗器的停电检修、线路复电前的线路绝缘测试和直流融冰操作，仍需先将线路并联高压电抗器与系统隔离后才可进行，待上述工作结束后还需要将并联高压电抗器接入系统。据统计，单次退运并联高压电抗器的倒闸操作时间可达40多分钟，工作程序繁琐且效率不高。若不合上线路侧接地刀闸，在线路冷备用状态下直接拉合并联高抗隔离开关，单次退运的倒闸操作时间仅不到10分钟，由此可见，设想的操作模式能够大大减少了停运并联高压电抗器的倒闸操作时间，减轻运行人员劳动强度，提高了工作效率。

对于500kV并行单回架设线路，考虑相互间的静电耦合和电磁耦合作用，当一回运行, 一回停运时，运行线路将在停运线路中产生感应电压和感应电流。若停运线路带有高压并联电抗器时，由于高压并联电抗器补偿线路对地电容量的作用，运行线路在停运线路上产生的静电感应电压将显著增加，故带高压并联电抗器的并行单回架设线路彼此间存在着较强的电气联系[1-2]。停运线路高抗未与系统隔离前，会有较大的感应电流流过高抗隔离开关。目前如何设计出具备开断大感应电流的高抗隔离开关仍是电力设备研究的热点。为此，本文将对某500kV并行单回架设线路带高抗运行条件下电磁感应问题进行研究，在线路冷备用状态下，拉合并联高压电抗器隔离开关，评估此操作方式的可行性，进而提高停运高压并联电抗器的电气倒闸操作效率。

下文将以南方电网500kV山河甲乙线为例，采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，模拟并行单回架设线路中运行线路对停运线路的电磁感应，计算流经停运线路高压并联电抗器隔离开关的感应电流，讨论分析线路输送功率、线路运行电压、导地线对地高度、土壤电阻率、线行间距等因素对感应电流值的影响，同时也对隔离开关拉合高压并联电抗器时的断口恢复过电压、高抗侧操作过电压进行仿真分析计算[3-5]。

1.计算参数选取

500kV山河甲乙线采用两个单回路平等架设，其中500kV山河甲线线路长约199.247km，500kV山河乙线线路长约198.222km，其线路架设情况如图1所示。

图1 500kV山河甲乙线架设情况示意图

500kV山河甲乙线在河池站配置一组三台单相式并联电抗器，容量为3×50Mvar，并联电抗器中性点经中性点小电抗器接地，容量为520Ω。

1.1 塔型的选取及回路布置

对于500kV山河甲乙线，直线塔采用酒杯型杆塔和拉V塔，耐张塔采用干字型杆塔。全线三分之一的杆塔采用ZB1型。为此，本文仿真时，以ZB1型直线塔尺寸建立杆塔模型，主力杆塔呼称高度取36m，导线悬垂串长5m。平均档距取400m，导线弧垂取12m，地线弧垂取9m。ZB1直线塔型结构尺寸以及导地线布置形式如图2所示。

图2 500kV山河甲乙线ZB1直线塔型

500kV山河甲、乙线两个单回路线行之间的距离从65m至1500m不等，偏严考虑，假设两条线路线行中心距均为65m。

1.2 导地线参数

500kV山河甲乙线采用型号为4×LGJ-400/35、4×LGJ-400/50两种导线。其中500kV山河甲线共进行了3次换位，各换位导线长度分别为52.479km、39.687km、54.389km、52.692km；500kV山河乙线共进行了3次换位，各换位导线长度分别为5.693km、87.368km、52.236km、52.925km。如图3所示。

图3 500kV山河甲乙线线路换位示意图

500kV山河甲线地线1根为OPGW光纤架空复合地线，1根为普通地线；500kV山河乙线两根地线均为普通地线，普通地线型号为GJ-80、LJB20A-80、LBGJ-120-40AC，OPGW全线逐塔接地，普通地线不接地。

2.感应电流计算结果及分析

基于南方电网2016年1月大方式运行数据，采用潮流计算程序BPA将交流系统分别等值到独山和河池站的500kV母线处，等值计算结果如表1和表2所示。

表1 500kV山河甲乙线系统等值自阻抗计算结果

表2 500kV山河甲乙线系统等值互阻抗计算结果

根据等值结果并结合线路参数情况在电磁暂态程序ATP-EMTP中建立500kV山河甲乙线的双端简化等值电磁暂态计算模型。

根据所建模型，计算500kV山河甲乙线一回线路停运，一回线路运行时，流过停运线路高抗隔离开关的感应电流。具体讲，将计算结果分成两种情况：（1）500kV山河甲线正常运行，500kV山河乙线停运时，流过乙线高抗隔离开关的电流；（2）500kV山河乙线正常运行，500kV山河甲线停运时，流过甲线高抗隔离开关的电流。同时本文对可能影响感应电流的输送功率、线路电压、导地线对地高度、沿线土壤电阻率、线行间距等因素进行仿真计算分析。

2.1 输送功率的影响

设定500kV山河甲乙线运行线路两端母线电压值为525kV，当线路输送不同功率时，计算流过停运线路高抗隔离开关的感应电流，其变化趋势如图4所示。

图4（a）山河乙线高抗隔离开关感应电流

图4（b）山河甲线高抗隔离开关感应电流

虽然线路各段进行了均匀换位，但由于各相的相对距离并不一致，且流过隔离开关的感应电流主要受运行线路对停运线路相间电容影响，导致流过停运线路各相隔离开关的感应电流值也不相等。由图4中可以得出：（1）当山河甲线输送一定功率时，流经停运的山河乙线A相高抗隔离开关感应电流最大，B相次之，C相最小；当山河乙线输送一定功率时，流经停运的山河甲线B相高抗隔离开关感应电流最大，C相次之，A相最小；（2）随着500kV山河甲线运行线路负荷电流增大，停运的山河乙线各相感应电流变化较小，其中A相稍有减小，B相稍有增大，C相基本保持不变，由此可判流经高抗隔离开关的感应电流主要为静电感应分量；（3）随着500kV山河乙线运行线路负荷电流增大，停运的山河甲线各相感应电流变化较小，其中B相、C相稍有减小，A相稍有增大，由此可判流经高抗隔离开关的感应电流主要为静电感应分量。

2.2 线路电压的影响

为严格考虑，本文将500kV山河甲乙两条线路线行中心距设为65m，运行线路两端等值电源相角差为-30°，当改变运行线路线电压，计算流过停运线路高抗隔离开关的感应电流，其变化趋势如图5所示。

图5（a）山河乙线高抗隔离开关感应电流

图5（b）山河甲线高抗隔离开关感应电流

从图5的曲线变化趋势中可以看出：（1）当运行线路线电压值不变时，流过停运线路各相高抗隔离开关的感应电流值并不相等。当山河甲线停运时，流经山河乙线高抗隔离开关的感应电流A相最大，B相次之，C相最小；当山河乙线停运时，流经山河甲线高抗隔离开关的感应电流B相最大，A相次之，C相最小；（2）随着运行线路线电压增加，流经停运线路各相高抗隔离开关的感应电流值成正比增大趋势，由此可进一步验证流经高抗隔离开关的感应电流主要为静电感应分量。

2.3 导地线对地高度的影响

500kV山河甲乙线独山站至河池站线路位于广西北部，线路所经区域地形复杂，若采用导地线实际对地平均距离难以得出与实际情况贴近的仿真计算结果，为此本文通过调整杆塔呼称高或导地线弧垂，改变导地线对地高度，研究导地线对地高度对流经停运线路高抗隔离开关感应电流的影响。

设定两条线路线行中心距为65m，运行线路电压为550kV，输送电流两端电源相角差为-30°，通过改变导地线对地高度，计算一回线路运行，一回线路停运时，流过停运线路高抗隔离开关的感应电流，其变化趋势如图6所示。

由图6可以看出，当线路导地线对地高度变化时，流经停运高抗隔离开关的三相感应电流值均随线路导地线对地高度增高而增大，随线路导地线对地高度减小而减小，感应电流值正相关于线路导地线对地高度。

图6（a）山河乙线高抗隔离开关感应电流

图6（b）山河甲线高抗隔离开关感应电流

2.4 土壤电阻率的影响

经实际测算，500kV山河甲乙线独山站至河池站的线路杆塔所经沿途土壤电阻率变化较大，大小在100Ω·m～5000Ω·m范围中变化。现设定运行线路输送电流两端电源相角差为-30°、运行线路电压为550kV时，计算不同土壤电阻率下，流过停运线路高抗隔离开关的感应电流，其变化趋势如图7所示。

当土壤电阻率在100Ω·m～2000Ω·m范围内发生变化时，由图7中可以得出，流经停运线路隔离开关的感应电流值只发生极微小的改变，表明输电线路沿线的土地电阻率对并行单回架设线路之间的静电感应和电磁感应影响非常小。因此，可以得出土壤电阻率不是影响流经停运线路隔离开关感应电流大小的主导因素。

图7（a）山河乙线高抗隔离开关感应电流

图7（b）山河甲线高抗隔离开关感应电流

2.5 线行间距的影响

500kV山河甲乙线两个单回路线行之间的距离从65m至1500m不等。为研究线行间距对流经停运线路高抗隔离开关感应电流的影响，现设定运行线路两端等值电源相角差为-30°、线路电压为525kV，计算当两条线路间距变化时，流过停运线路高抗隔离开关的感应电流值。其变化趋势如图8所示。

从图8可见，流过停运线路高抗隔离开关的电流值受线行间距影响很大，随着线行距离增加，流过停运线路的感应电流迅速下降到零值附近，感应电流值负相关于线行间距。

图8（a）山河乙线高抗隔离开关感应电流

图8（b）山河甲线高抗隔离开关感应电流

2.6 高抗隔离开关开合感应电流的能力要求

通过对以上仿真计算结果分析，并联高压电抗器的补偿使得停运线路对地电容量减少，运行线路对带高抗停运线路的感应主要为静电感应，在此感应作用下流过高抗隔离开关的电流为感性电流。计算出流经500kV山河甲乙线停运线路高抗隔离开关的电流最大值可以对如表3所示。

表3 500kV山河甲乙线高抗隔离开关感应电流峰值（A）

目前相关标准未对隔离开关开合感应电流值作出明确要求[6-7]。隔离开关要求具备开合一定的小电流能力，需指明小电流特指小的电容性电流（如开合短母线）或小的电感性电流（如开合电压互感器）。在额定电压下，隔离开关应能可靠开合1.0A感性电流，2.0A电容电流。通过以上仿真计算，现有高抗隔离开关在型式试验中是无法满足直接开合感应电流。为使隔离开关具有开合感应电流的能力，需对现有高抗隔离开关结构进行改造，如增加类似于断路器结构的并联灭弧室，灭弧介质可以采用SF6或者真空。

3.隔离开关切合高抗断口恢复电压

隔离开关能否顺利切除高抗，除了与切除电流大小有关外，还与隔离开关断口两端的恢复电压有关，尤其是与电流刚刚过零熄弧后出现在断口两端的暂态恢复电压有关，当断口间暂态恢复电压的增长速度超出断口间介质强度的恢复速度时，隔离开关将发生重燃，进而造成开断失败，因此，有必要对隔离开关两端的暂态恢复电压进行评估[8-9]。利用上述建立的电磁暂态计算模型对500kV山河甲乙线高抗隔离开关的断口恢复电压（包括暂态值与稳态值）进行了仿真，计算结果如表4所示。

表4 隔离开关切除高抗时断口恢复电压（峰值）

4.隔离开关分合操作时高抗侧的过电压

高抗隔离开关的分合操作可能会在高抗侧产生过电压，通过计算过电压值判断是否会对高抗绝缘性产生影响，进而验证设想操作方式的可行性[10-11]。利用以上建立的电磁暂态模型分别计算高抗隔离开关分合操作时高抗侧的过电压幅值，如表5、表6所示。

表5 切除高抗时高抗侧过电压幅值（峰值）

表6 合闸高抗时高抗侧过电压幅值（峰值）

由表5、表6可以得出，线路在冷备用状态下，隔离开关开合高抗时过电压值远低于其允许的操作冲击耐压水平，不会对高抗绝缘水平造成破坏。

5.结论

本文对500kV山河甲乙线并行单回架设线路一回线路停运时，流经停运线路高抗隔离开关的感应电流及其断口恢复电压、高抗侧过电压进行了研究，得到如下结论：

1）线路沿线的土壤电阻率对线路间电磁感应几乎没有影响，线路导地线对地高度、运行线路输送功率、运行线路电压变化对流过高抗的感应电流有一定影响，两条单回线路线行间距对感应电流影响较大，且成反比关系，随线行间距增加，感应电流迅速下降至零附近。当运行线路线电压为最高，空载，最下层导地线对地平均高度越高，两单回路线行平均距离取值越小时，流过停运线路高抗隔离开关感应电流最大。

2）对于本文所研究的500kV山河甲乙线，流过停运线路高抗隔离开关感应电流达5.6A，超过现有隔离开关技术条件，需考虑对现有高抗隔离开关进行技术改造并进行试验验证。

3）计算了500kV山河甲乙线高抗隔离开关拉合高抗时的断口恢复电压，给出了隔离开关断口暂态恢复电压和稳态恢复电压值。

4）计算了500kV山河甲乙线高抗隔离开关拉合高抗时高抗侧的过电压幅值（峰值），得出拉合高抗隔离开关操作不会对高抗绝缘造成破坏。

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李海生（1980-），男，山东淄博人，高级工程师，硕士，从事变电运行管理工作。

李洪坤（1989-），男，河南濮阳人，助理工程师，硕士，从事变电运行工作。

张健全（1983-），男，广西贵港人，工程师，本科，从事变电运行工作。

周韦（1985-），男，重庆潼南人，工程师，本科，从事变电运行工作。

冯宾（1983-），男，山东冠县人，工程师，硕士，从事电力系统电磁暂态仿真及过电压计算工作。