P基于分布参数模型的苗尾水电站送出线路潜供电流抑制研究

任洪涛 张 翔



P基于分布参数模型的苗尾水电站送出线路潜供电流抑制研究

任洪涛 张 翔

（华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014）

为提高超高压输电线路单相自动重合闸的成功率，需限制各种运行方式下线路的潜供电流和恢复电压。本文利用ATP-EMTP建立了苗尾500kV输电线路的分布参数模型，通过仿真得出苗尾出线并联中性点小电抗器的取值与出线潜供电流、恢复电压之间的关系，为线路重合闸设置和继电保护整定提供依据。

潜供电流；并联电抗器中性点小电抗器；分布参数模型

超高压线路中单相接地故障占全部故障90%以上，其中近80%的单相接地故障为瞬时性故障[1]。为了提高可靠性，超高压输电线路中广泛采用单相自动重合闸技术。然而由于超高压系统电压等级较高，潜供电流较大，影响了单相自动重合闸的成功概率。尤其对于处于电力系统终端的大型水电站，通常只有一到两回出线与区域电力系统连接，重合闸失败将严重影响水电站的正常运行。目前国内外超高压线路中抑制潜供电流的方法主要有两种：快速接地开关（HSGS）和并联电抗器中性点经小电抗器接地。日本和韩国主要采用HSGS，而我国和大部分欧美国家均采用中性点加装小电抗器来限制潜供电流。

中性点小电抗器参数主要取决于潜供电流，目前比较通用的潜供电流计算方法有集中参数法、分布参数法和二次模法3种。文献[2]利用二次模变换得出了较为精确的潜供电流，但是未能将潜供电流静电分量和电磁分量解耦，算法复杂。文献[3]介绍了集中参数模型下潜供电流计算方法，物理概念清楚，适用于短距离输电线路。文献[4]研究了基于集中电阻和分布LC参数的Bergeron模型和基于分布RLC参数的频率相关线路模型。本文利用ATP- EMTP仿真软件建立了苗尾500kV出线工程的分布参数模型，定量分析了苗尾加装中性点小电抗器对出线潜供电流的抑制，同时分析了中性点小电抗参数与潜供电弧恢复电压、中性点小电抗器两端电压的关系，对类似工程有参考意义。

1 潜供电流抑制原理

1.1 潜供电流的产生

当输电线路发生单相瞬时性接地故障时，继电保护装置使线路故障相两端断路器跳闸。由于故障相和两个非故障相之间存在电容和电感耦合，即使故障相已与系统隔离，故障处仍有感应电流（即潜供电流）通过，导致单相自动重合闸不能成功[5]。

如图1所示，潜供电流由静电感应分量和电磁感应分量组成。静电感应分量是正常相电压通过相间电容12向故障点提供的电流，其与线路的电压等级和长度有关，与故障点所在位置无关。电磁感应分量是负载电流经相间互感在故障相上感应出电动势，通过故障相输电导线、接地弧道以及故障相对地电容0形成回路，向故障点提供电流。电磁感应分量与故障点密切相关，该分量在线路中央接地时为零，在线路两端接地时达到最大值。

图1 单相瞬时性短路时线路耦合传递回路

1.2 中性点小电抗抑制潜供电流原理

除超长距离输电线路外，相间分布电容是决定线路潜供电流大小的主要因素[5]，可用高压电抗器P接中性点小电抗器N来补偿这部分电容。当中性点接小电抗器N后，通过星网变换可得图2所示 电路。

图2 加装中性点小电抗线路等效回路

其中：

式中，LD和LM为等效对地电抗和相间电容。中性点小电抗器相当于增加了值为LM的相间电抗，而潜供电流的静电感应分量是通过相间电容形成通道的，如果等效相间感纳等于容纳时，即LM=C12时，两者将形成并联谐振，其等效阻抗为无穷大，隔断了相间联系，静电感应分量随即被补偿。在实际应用中，小电抗器参数的选取还需两项校验计算：小电抗器工频过电压计算和当断路器一相或两相开断时是否会发生谐振过电压。

2 苗尾500kV输电线路模型

2.1 苗尾接入系统工程概况

苗尾水电站位于云南大理州云龙县苗尾村，上游与大华桥水电站衔接，下游接功果桥水电站，电站装机容量1400MW。投产初期通过单回500kV线路经大华桥电站、新松换流站接至黄坪变电站。苗尾电站至大华桥电站线路路径长度约56km，按单回路架设，导线型号为4×LGJ-400/35；大华桥电站至新松换流站线路路径长度约2×93km，前20km按单回路架设，后73km按同塔双回线架设，导线型号为4×LGJ-400/35；新松换流站至黄坪变线路路径长度约2×43km，导线截面导线型号为4×LGJ-400/35。接入系统网络结构如图3所示。架空线路多次换位以保证相间和对地分布参数对称。苗尾出线侧设有一台210Mvar的并联电抗器以满足工频过电压要求。

图3 苗尾电站接入系统网络结构

2.2 苗尾500kV输电线路模型

潜供电流是由于线间互感和电容关系引起，仿真时必须涉及到线路的基本参数，主要包括输电线路正序阻抗和零序阻抗、每相导线的对地电容和相间电容，将这些参数输入ATP-EMTP的分布式Clarke模型中，即可得到线路的分布参数模型。

苗尾出线工程处于规划设计阶段，输电线路分布参数是根据初步设计资料，利用ATP-EMPT支持子程序Line Constant计算获得。根据初步设计资料，苗尾500kV输电线单回线路杆塔采用酒杯型杆塔，导线水平布置，间距取13m，导线平均高度为28m；同塔双回线路采用鼓型杆塔，ABC三相导线距杆塔中性线距离分别为4.5m、6m、5m，对地平均30m、24m、14m。根据以上资料可得线路分布参数分别见表1和表2。

表1 苗尾500kV单回输电线路参数

表2 苗尾500kV同塔双回输电线路参数

3 苗尾出线潜供电流仿真计算

3.1 系统计算模型

苗尾水电站作为电源终端，采用内阻抗为2+ j12.6W的电压源模拟，电压相角为525∠0°kV，为满足苗尾水电站满发时系统的潮流，依据《苗尾水电站接入系统可研报告》潮流分析相关成果，新松变之后的电网由电压源514∠20°kV模拟。由于本模型只用于计算潜供电流的大小，不考虑潜供电弧熄灭的动态过程，故根据《电力系统设计手册》（1998年版），可用300W的等效电阻代替潜供电弧。

3.2 潜供电流仿真

根据以上所述条件建立了EMTP仿真模型。模型中，在0.12s时刻系统发生单相短路，0.17s时刻线路两侧断路器单相跳闸，并在0.4s时断开潜供电流回路以计算恢复电压的幅值。单相接地故障点选取潜供电流最为严重的线路两端，即苗尾水电站出线侧和新松换流站进线侧，并以苗尾出线侧故障时进行各种工况分析。

3.3 仿真结果分析

根据电力行规DL 5222—2005《导体和电器选择设计技术规定》要求，输电线路潜供电流应小于20A，不加装中性点小电抗时苗尾500kV出线潜供电流约为37.5A，不满足要求，故需加装中性点小电抗器。

表3 故障点为苗尾出线侧时潜供电流和恢复电压

表4 故障点为黄坪进线侧时潜供电流和恢复电压

由上节仿真计算结果可得出以下结论：

1）苗尾出线侧并联电抗器中性点小电抗最佳取值在1200mH左右，线路满载时潜供电流降至3.04A后无法在继续降低，导致这种结果有两个因素：①由式（1）可知，并联电抗器容量确定后，LP不变，仅改变LN无法同时补偿线路相间电容和对地电容，静电感应分量无法完全补偿；②满载时输电线路1.54kA的额定电流会产生一部分电磁感应电流。由图4中线路空载和满载时潜供电流的波形可看出，线路空载时的潜供电流即未补偿的静电感应分量，空载与满载潜供电流之差即为电磁感应分量。

2）单相跳闸后中性点小电抗承受电压与小电抗值成正比，而与潜供电流大小无关，因此在选择中性点小电抗参数时通常采用欠补偿。对于苗尾出线，取值在0～2000mH之间时，中性点小电抗两端电压均在60kV以下，处于较低水平。

3）由图5和图6可知，潜供电弧熄灭后，故障相电压出现低频振荡现象。这是因为线路装设并联电抗器后，无论中性点采用何种接地方式，相间和对地电容都会与并联电抗器形成串联谐振回路。如图6所示，当苗尾出线中性点小电抗取600mH时，谐振电压幅值甚至超过额定电压，势必会引起潜供电弧重燃。

图4 装设中性点小电抗前后潜供电流对比

图5 小电抗取1200mH线路空载和满载潜供电流

图6 小电抗取600mH时故障相电压波形

潜供电流的顺利自熄是自动重合闸成功的必要条件。根据1974年国际大电网会议结论，无电流间隙时间（s）和潜供电流（A）的关系可用下式表示：

当小电抗取1200mH时，苗尾出线侧潜供电弧（3.04A）熄灭时间为0.326s。单相自动重合闸时间可据此整定。

4 结论

本文运用ATP-EMTP建立了苗尾水电站500kV输电线路的潜供电流计算模型，结合电站投运初期的运行方式，分析了并联电抗器中性点小电抗器参数对苗尾-黄坪线路潜供电流、恢复电压的影响。根据仿真结果，推荐苗尾出线并联电抗器中性点小电抗器取1200mH。

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Submersible current of Miaowei Hydropower Station’s transmission line analysis based on distributed model

Ren Hongtao Zhang Xiang

(Huadong Engineering Co., Ltd, Hangzhou 311122)

In order to improve the success rate of single-phase automatic reclosure of EHV transmission lines, the submersible current and recovery voltage under various operation modes need to be restricted. In this paper, the distribution parameter model of the 500kV transmission line of the seedling tail is established by ATP-EMTP. Through the simulation, the relationship between the value of the high resistance neutral point small reactor and the potential supply current and the recovery voltage is obtained. It provides the basis for the setting of the line reclosing and the relay protection setting.

submersible current; neutral point reactor; distribution model

2018-06-26

任洪涛（1989-），男，河南焦作人，硕士，主要从事水电站机电工程方面的研究工作。