某水电厂不同黑启动路径下操作过电压仿真计算

邓玮琪

（大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530000）

1 引言

当电网失电后，黑启动是恢复重建电网的主要手段，而在电网恢复过程中需要对长距离空载线路进行合闸送电操作，由于系统中存在大量的电感元件、电容元件及非线性元件，瞬间的合闸操作易引起系统电磁振荡，此时将产生高于正常工作电压的操作过电压。操作过电压过高将引起回路中电器元件的绝缘击穿，造成短路、爆炸等恶性事故[1-3]，因此，在制定黑启动方案时对恢复过程中产生的操作过电压进行研究是十分必要的。

操作过电压的产生与诸多因素有关，文献[4]研究了恢复空载长距离架空线路内部过电压的产生机理，表明线路末端电压的大小与线路的电容、电感、有无并联电抗器以及线路的长度等因素有关。文献[5]研究了550 kV 变电站罐式断路器在投入空载输电线路时引起的断路器合闸电阻损坏问题，研究表明电抗器及合闸相角均影响合闸过电压的幅值。文献[6]对超高压线路操作过电压公式进行了理论推导，并通过仿真表明线路残余电压将影响合闸过电压的大小与持续时间。文献[7]研究了输电线路的贝瑞龙模型和避雷器的分段线性化数学模型，仿真验证了避雷器降低过电压的有效性。可见，空载合闸操作过电压与黑启动路径中的系统构成、设备参数及操作过程等因素密切相关，选择合适的恢复路径，将能有效避免操作过电压对黑启动的影响。

本文以某水电厂为实例，分别对黑启动方案中提出的两条不同路径进行仿真计算，模拟其在不同恢复路径下三相不同期合闸空充线路时产生的操作过电压，以验证是否满足过电压规程要求，所得结果将为该电厂黑启动路径的选择提供参考依据。

2 黑启动路径方案

本次拟定的黑启动方案是以某水电厂（A 电厂）2 号机组为电源点远程输电至待启动电厂（B 电厂）的机组启备变，A 电厂2 号机组、2 号主变以及B 电厂启备变主要设备参数见表1。

表1 A、B 厂站主要设备参数表

启动路径拟采用两套方案，具体路径信息如下。

方案1：A 电厂—220 kV 乐溯Ⅰ线—溯河站—220 kV 溯磨Ⅱ线—新磨东站—110 kV 磨电线—B电厂，其中220 kV 线路长度66.676 km，110 kV 线路长度40.667 km，线路总长度合计107.343 km。方案1 的启动路径上线路设备主要参数见表2。

表2 方案1 线路主要设备参数表

方案2：A 电厂—220 kV 乐溯Ⅰ线—溯河站—220 kV 溯贡Ⅰ线—贡磨站—110 kV 贡合Ⅱ线—B电厂，其中220 kV 线路长度46.929 km，110 kV 线路长度10.271 km，线路总长度合计57.146 km。方案2 的启动路径上线路设备主要参数见表3。

表3 方案2 线路主要设备参数表

以上两个方案主要区别在于线路长度以及途径换流站的变压器参数不同，仿真时可设置变量对比线路长度及变压器参数对操作过电压的影响。此外，以上所列线路的电阻、电感、电容等未列出详细参数可根据线路电缆型号的公开参数进行计算。

3 PSCAD/EMTDC 简介

PSCAD/EMTDC 是广泛用于电力系统的电磁暂态分析软件，EMTDC 是核心计算器，PSCAD 则作为其图形化操作的显示界面，PSCAD 中含有丰富的元件库，包括无源元件库、电源库、I/O 设备库、断路器库、输电线路库、控制器库、变压器库等，其交互式的图形编辑操作便利了系统模型的组建，同时还可灵活改变设置参数，即时显示测试结果和图像曲线。

PSCAD/EMTDC 可应用于绝大部分电力系统研究领域，如线路、电缆、负荷模型研究；继电保护配合研究；雷击、故障以及开关切换仿真；电路、控制回路的效果测试等。利用其作为黑启动操作过电压仿真工具，可以快速、准确地进行设计模拟，方便了复杂系统的建模，能有效提升工作效率。

4 仿真计算及结果

4.1 仿真设置

利用PSCAD 建立仿真模型，分别设置并连接发电机、主变、输电线路、断路器及母线，线路设置采用Bergeron 模型，手动输入各电压等级线路的典型参数，在线路末端分别设置电压表测量三相电压并将波形输出到示波器。仿真条件设置为断路器一次合闸空充整条线路，仿真总时长1 s，计算步长50 μs。

由于三相合闸的不同期性会对操作过电压的结果产生影响，且理论上不同期合闸所产生的最大暂态冲击电压高于同期合闸时所产生的最大暂态冲击电压[8]，为接近实际且考虑最大过电压影响，在模拟断路器合闸操作时，需要对其进行三相不同期合闸条件进行设置。在本文的仿真算例中利用Multiple Run 组件来模拟三相合闸的不同期性，具体为将断路器的合闸时间设置一个0.46～0.48 s 均匀分布的时间序列，再利用求和连接器（Summing Junction）对断路器各相合闸时间单独加入一个±1.5 ms 的小范围内服从正态分布的时间序列，以此来模拟断路器在0.46～0.48 s 时随机合闸，并且断路器三相在±1.5 ms 的范围内不同期合闸产生的影响，模型重复计算200 次，每次均记录各线路末端的三相电压值，同时利用求最值功能（Maximum/Minimum Functions）记录三相电压值中的最大值。

在同一计算模型下，由于仿真结果因三相合闸时间的随机性变化较大，还需要对其进行统计分析，根据正态分布的“3σ规则”，在绝缘配合中使用2%统计过电压（U2%），其概率定义是P（U＞U2%），即置信概率水平在98%内的过电压值，其中U2%可用下式计算[9]：

式中：Umean是过电压平均值，σ是过电压分布标准差。

Multiple Run 组件可根据重复运行200 次的仿真数据自动计算出统计过电压结果，其结果在mrunout.out 文件中输出。

4.2 结果分析

根据仿真设置条件，分别对两个方案路径进行建模仿真，得到全段空载合闸充电状态下220 kV及110 kV 充电线路某时刻的末端电压波形（均取a 相电压），见图1～图4。由图中可见，当断路器在0.46～0.48 s 内随机合闸瞬间，线路末端电压波形将产生突变，且突变幅值超过其线路的正常工频相电压峰值，在经过约0.2 s 的短暂波动后，线路末端的电压波形回归正常的正弦波形，幅值也保持在合理相电压范围内，与实际情况相吻合。

图1 方案1：220 kV 溯磨II 线末端电压波形

图2 方案1：110 kV 磨电线末端电压波形

图3 方案2：220 kV 溯贡I 线末端电压波形

图4 方案2：110 kV 贡合II 线末端电压波形

110 kV 及220 kV 电压等级线路的正常相电压峰值（1.0 p.u.）分别为[10]：

根据GB/T 50064《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中对于范围I：7.2 kV≤Um≤252 kV 系统（Um为系统最高电压有效值）绝缘配合的规定，范围I 系统计算用相对地最大操作过电压的标幺值应按表4 的规定选取。

表4 系统计算用相对地最大操作过电压标幺值

对线路进行全段空载合闸充电仿真校验时，重复200 次合闸操作的线路末端统计过电压的峰值及操作过电压倍数计算值可参见表5。

表5 空载合闸操作过电压仿真计算结果

由表5 可见，仿真模拟A 电厂对线路空载合闸输电至B 电厂的过程，方案1 中溯磨II 线、磨电线末端过电压统计值分别为398.177 kV、198.990 kV，方案2 中溯贡I 线、贡合II 线末端过电压统计值分别为389.739 kV、203.642 kV，两个方案中线路末端过电压值与正常相电压峰值之比均满足过电压保护规程的要求。此外，方案1 中溯磨II 线末端电压较之方案2 中溯贡I 线末端电压要高，符合线路越长，空载合闸造成的线路末端电压越高的理论[3]；而方案1 中磨电线末端电压较之方案2 中贡合II 线末端电压要低，则主要是由于路径途经的换流站主变参数不相同而导致的。

5 结语

本文通过电磁暂态分析软件PSCAD 对某水电厂黑启动方案中的两条路径分别进行空载合闸过电压建模仿真，所测得的各等级线路末端操作过电压统计值均未超出过电压保护规程规定的倍数限值，满足过电压保护规程的要求，表明该两条黑启动路径均可作为黑启动方案的理论恢复路径。此外，仿真结果还显示合闸过电压与线路长度呈正比，且受到途经变压器参数的影响。本文结果可以为该水电厂黑启动方案路径选择提供参考依据。