考虑土壤电阻率的特高压直流输电线路过电压抑制措施

李海峰, 赵洪峰, 曹培芳, 杨兴, 渠敬河

(新疆大学电气工程学院, 乌鲁木齐 830017)

随着中国经济的飞速发展,东部、沿海等发达地区对电力的需求与日俱增,然而中国能源主要集中在西北部地区,能源与需求呈逆向分布的问题日益突出。现阶段,中国要通过实施“西电东送、北电南供”的发展战略,来解决能源与需求呈逆向分布的问题,并且完成“碳中和、碳达峰”的目标。特高压直流输电以输送功率大、损耗少、走廊占地少等显著优势成为实施该战略及目标的最优方案[1-2]。

根据现有特高压直流输电工程的历史运行数据,直流线路过电压与绝缘配合是特高压直流输电工程中最主要的影响因素之一,它不仅会影响到输电线路绝缘强度合理化的设计,而且还决定特高压直流系统的安全性与稳定性[3]。目前,已有大量文献对直流输电线路过电压进行仿真分析。文献[4]对特高压直流线路一极发生接地故障,沿线路分布的非故障极过电压进行了研究,并对影响过电压的部分因素进行了分析。文献[5]分析了直流滤波器对线路过电压的影响,表明直流滤波器的主电容对过电压的影响最大,其主电容越小,直流输电线路的过电压也越小;文献[6]对新形势下线路换流器高压直流工程取消直流滤波器的可行性评价,提出±1 100 kV特高压直流输电系统中可以把直流滤波器简化为2/12双调谐滤波器,降低了线路最大过电压;文献[7]分析了±800 kV特高压直流输电线路一极发生接地故障,非故障极过电压产生两次跃升的机理,并分析了部分因素对过电压的影响;文献[8]对准东—华东±1 100 kV直流线路上的过电压沿线路方向的分布特性进行研究,结果表明:输电系统中两端换流站的波阻抗对沿线路分布的非故障极过电压有关键性的影响,建议加装线路避雷器可有效抑制输电线路上的过电压。但是,当前大多数文献主要考虑线路参数、接地电阻、接地位置等因素对过电压的影响,而对土壤电阻率影响线路过电压的研究严重匮乏。

现基于准东—皖南±1 100 kV 特高压直流输电线路,采用行波理论对输电线路过电压进行理论分析,并通过电磁暂态计算软件PSCAD进行仿真。研究土壤电阻率对线路最大过电压的影响。针对直流线路不同平均土壤电阻率和四季实际土壤电阻率进行仿真分析,得到土壤电阻率会对换流站的折反射产生影响,进而对过电压产生影响;实际土壤电阻率会使最大过电压位置向送电侧偏移,通过改进线路避雷器的装设位置,使其对线路过电压抑制效果更好,为以后的特高压直流工程提供重要参考。

1 研究背景

研究的±1 100 kV直流输电工程系统采用双极运行,逆变侧换流站采用分层接入交流电网。直流双极输送12 GW功率,电流为5.454 kA, 直流线路长度为3 324 km。 输电极导线型号为8×JL1/G3A-1250/70或8×JL1/G3A-1250/100,架空地线型号为LBGJ-240-20AC,其中典型的输电线路导线参数如表1所示。在输电线路两端换流站一共配置4组简化为2/12双调谐直流滤波器,具体参数及电路如表2和图1所示。

图1 双调谐直流滤波器结构示意图

表1 ±1 100 kV导线参数

表2 双调谐直流滤波器参数

2 直流线路过电压机理分析

特高压直流输电线路的过电压会受多方面因素的影响,根据现已运行的特高压直流输电工程的运行结果及相关经验,直流系统线路过电压最严重的情况出现在双极运行时,一极中点发生接地故障,健全极产生的过电压。因此主要对其进行机理分析。

在直流输电双极运行情况下,对线路一极故障进行仿真的时候,一般会不考虑输电线路中架空地线的影响,只考虑正极、负极两条线路,正极为极1,而负极为极2。当线路发生接地故障后,波在两极导线中传播,极线间将产生耦合作用。所以计算的直流系统电压方程为

(1)

式(1)中:Z11、Z22为导线自波阻抗;Z12、Z21为导线间互波阻抗,可以由式(2)求得,即

(2)

式(2)中:ε0为空气介电系数;μ0为空气导磁系数;req为直流导线等值半径;h1、h′1、H12、D12分别为极线对地高度、极线对镜像对地高度、一极导线与另一极导线镜像之间的距离、极线间距,其关系如图2所示。当大地为理想导体时,h1=h′1,但实际中大地为非理想导体,因此h1

图2 直流输电线路横截面

以负极线路发生接地故障为例进行分析,正极同理。当输电线路负极发生接地故障后,使负极故障点电压瞬间降低为零,根据叠加原理,相当于在负极的故障位置等效的施加了一个Ux的直流电压源,在负极上将会出现-Ux的前行波,使之在故障的时候故障点的电压降低为零。且该电压会通过极间耦合作用在正极产生一个感应过电压-kUx,如图3所示。

图3 负极线路故障等效电路

研究-Ux在正极上所产生的耦合电压时,可根据式(1),可认为Δi1=0,Z12=Z21,则可得

(3)

式(3)中:Δu1、Δu2分别为输电线路正极和负极上的叠加电压。

由工程杆塔参数计算得k=0.221,通过式(3)得接地故障后,在健全极(极1)产生的耦合电压为243 kV,这是电压第一次升跃。图4为直流线路故障极(极2)中点发生接地故障时,健全极中点过电压波形。图4中 1.5 s 处为极2发生接地故障,极线间通过耦合作用在极1产生耦合电压,使极1的电压阶跃。在图4中可以看出在1.5 s时电压升高了266 kV与计算出的耦合电压有差距但差距不大,这是因为直流输电的电压中存在谐波,故在仿真的时候产生的升压是耦合电压和谐波电压进行了叠加所得到的。

图4 直流线路健全极中点过电压

图5和图6为故障后故障点左侧附近故障极线路和整流侧正极直流滤波器电流波形,从中可以看到直流滤波器的电流的最大值出现在约1.505 8 s时,而图4中直流线路最大过电压出现在1.514 3 s时,两者传播的时间存在2倍以上的差距,并且从线路故障后的电压波形情况,可以看出其符合换流站内阻抗呈现出电感性的形式[8],并且健全极过电压最大值出现在线路中点发生故障。

图5 故障点左侧附近故障极线路电流

图6 整流侧正极直流滤波器电流

3 土壤电阻率对线路过电压的影响

当前大多数文献主要考虑线路参数、接地电阻、接地位置等因素对过电压的影响,而对土壤电阻率影响线路过电压的研究较少。文献[4]仅指出土壤电阻率会对线路过电压有影响,两者呈正相关。故对土壤电阻率影响线路过电压的理论进行分析。

3.1 土壤电阻率对线路过电压机理分析

首先,当直流线路负极发生故障时,会在健全极产生感应电压,而两极间产生的电压波会从故障点位置沿线路向两端换流站传播,但行波传播速度接近光速,使得波在传播到两端换流站的时候,保护系统来不及动作,换流站波阻抗和线路波阻抗不同,使行波传到换流站后会出现反射和折射现象,而引起线路第二次电压升跃的反射波将会沿直流线路的方向进行传播。

直流线路上的总电压为正向波uf和反行波ub的和,即

U=uf+ub

(4)

设入射波为E,线路的波阻抗为Z,则当线路末端(换流站波阻抗)电阻为R,电容为C,电感为L时,反射波UbR、UbC、UbL如式(5)～式(7)所示。

(5)

UbC=E-2Ee-t/TC

(6)

UbL=-E+2Ee-t/TL

(7)

式中:TC=CZ;TL=L/Z。

根据式(2)可知,线路的波阻抗与ε0、μ0、req、h1、h′1、H12、D12的值有关,一般ε0、μ0、req、h1、D12是不变的,当大地为理想导体时,波会被完全反射没有能量的损失,即h1=h′1,H12不变;但实际中大地为非理想导体,波会发生折射和反射使能量产生损失,故线路的波阻抗在增大,即h1

根据式(6)和TC=CZ,换流站波阻抗呈为容性的形式时,入射波经过换流站反射后的波和直流线路中的正向波方向是相反的,线路中的电压幅值先升高后降低。随着土壤电阻率的增大,线路波阻抗Z也增大,使TC增加,导致反射波UbC增加,让线路过电压变大。

根据(7)和TL=L/Z,换流站内阻抗呈现出电感性的形式时,所以入射波经过换流站反射后的波和直流线路中的正向波方向是相同的,线路中的电压幅值是先降低后升高。随着土壤电阻率的增大,线路波阻抗Z也增大,使TL减小,导致反射波UbL增加,让线路过电压变大。

3.2 基于平均土壤电阻率下的线路最大过电压仿真分析

采用PSCAD分别计算了直流线路土壤电阻率分别为50、100、200、500、1 000、1 500 Ω·m时,一极发生接地故障,健全极线路上的最大过电压,仿真结果如表3所示。

表3 不同土壤电阻率对线路最大过电压的影响

从表3可以看出,平均土壤电阻率为1 500 Ω·m,比50 Ω·m的最大过电压高近104 kV,随着土壤电阻率的增大,线路的最大过电压也增加,表明线路最大过电压与土壤电阻率成正相关。从图7看出,随着土壤电阻率的增大,健全极中点过电压反而在增大,在图8中整流侧正极直流滤波器和故障点左侧附近故障极线路电流都在减小,说明从直流滤波器中释放的能量减少,而直流线路上的总电压为正向波和反行波的和,而线路中的正向波是不变,说明从换流站反射波增大,使得线路过电压增大,验证了理论分析。

图7 土壤电阻率对健全极中点过电压的影响

图8 土壤电阻率对故障点左侧附近故障极线路电流及整流侧正极直流滤波器电流的影响

3.3 基于实际土壤电阻率下线路最大过电压仿真分析

根据文献[9-12]可知,准东—华东±1 100 kV特高压直流输电线路的土壤电阻率分布是不均匀的,所以按照其土壤电阻率分布进行建模仿真,测量四季不同时期的最大过电压的位置,仿真结果如表4所示。

表4 不同季节下的线路最大过电压

从表4可以看出,土壤电阻率的分布不均匀,导致最大过电压的位置会向送电侧发生偏移,但是最大过电压的值变化不大,这是因为这条线路的左边线路的土壤电阻率比右边的高,把左右土壤电阻率互换,可以得到最大过电压的位置向右偏移,说明土壤电阻率分布对最大过电压位置是有影响的。同时从四季的过电压和文献[13]的线路土壤电阻率比例的简要计算,可以看出其最大过电压与平均土壤电阻率为1 000 Ω·m时的最大过电压基本相同,所以在考虑其他影响因素对线路最大过电压影响的时候,准东—皖南±1 100 kV 特高压直流输电线路模型可以选择平均土壤电阻率为1 000 Ω·m进行计算仿真。

4 抑制措施

选择在输电线路上装设DB避雷器,具体参数如表5所示。

表5 避雷器参数

4.1 实际土壤电阻率对过电压分布的影响

图9为直流线路沿线过电压分布图,其曲线1为平均土壤电阻率1 000 Ω·m下的直流线路过电压分布,曲线2为四季实际土壤电阻率下的直流线路过电压最大轮廓分布。从图9中可以看出,在b段(1 262～1 962 km)曲线1和曲线2的过电压幅值都超过1.5 p.u.,并且最大过电压幅值达到1.58 p.u.,但曲线2最大过电压的位置向送电侧发生偏移;曲线2的两端的过电压幅值比曲线1低且其过电压幅值的差值在负荷侧最大,而中部比曲线1高且左侧增大的长度比右侧多,这是因为这条线路两端的土壤电阻率比1 000 Ω·m低,但在500 km后的土壤电阻率普遍比1 000 Ω·m高,而在直流线路中点右侧的土壤电阻率普遍比500 Ω·m低,只有部分高山地段土壤电阻率较高,所以通过改进线路上加装避雷器位置对实际土壤电阻率下的过电压进行抑制。

图9 直流线路沿线过电压分布图

4.2 改进线路上加装避雷器

现在的研究线路过电压抑制的措施主要是通过在线路中部加装线路避雷器来进行抑制过电压,如在±1 100 kV 准东—华东输电线路的中部加装避雷器来抑制过电压[14-15],这些在考虑加装避雷器的时候没有考虑实际土壤电阻率的影响,以下是对考虑实际土壤电阻率后,对线路上加装避雷器位置进行改进的效果。

4.2.1 线路上加装1台线路避雷器

如图10所示, 曲线1为不加装避雷器过电压分布,曲线2为考虑实际土壤电阻率在中点加装避雷器过电压分布,曲线3为考虑实际土壤电阻率在最大过电压处加装1台避雷器过电压分布。

图10 考虑实际土壤电阻率后加装1台避雷器直流线路沿线过电压

4.2.2 线路上加装4台线路避雷器

经研究在不考虑实际土壤电阻率时,在线路长度的1 462、1 562、1 662和1 762 km各装一台避雷器能使将线路沿线过电压降低至 1.5 p.u.以下,但在考虑实际土壤电阻率后,最大过电压的位置向送电侧偏移,改变在中点加装避雷器位置,使其更好地抑制过电压。如图11所示为考虑实际土壤电阻率,改进线路上加装避雷器位置的效果对比图。曲线1为不加装避雷器过电压分布,曲线2为原安装位置的过电压分布,曲线3为改进后过电压分布。

图11 考虑实际土壤电阻率后加装4台避雷器直流线路沿线过电压

从图10和图11可以看出,在考虑实际土壤电阻率后,改进线路上加装避雷器位置的效果比在原加装避雷器的效果更佳,对最大过电压的抑制效果更好,可以更有效的保护线路。

5 结论

通过PSCAD仿真软件,研究了土壤电阻率对准东—皖南±1 100 kV 特高压直流输电线路最大过电压的影响。针对直流线路不同平均土壤电阻率和随季节变化的实际土壤电阻率进行仿真计算,得到以下结论。

(1)随着土壤电阻率的增大,故障极线路电流和直流滤波器电流减小,但健全极中点过电压反而增大,而在直流线路上的总电压为正向波和反行波的和,正向波不变,说明换流站反射波在增大。

(2)四季实际土壤电阻率下线路最大过电压幅值与平均土壤电阻率为1 000 Ω·m时基本相同,因此,在研究最大过电压的其他影响因素时,可以把线路土壤电阻率等效为1 000 Ω·m,简化计算。

(3)四季实际土壤电阻率的线路最大过电压位置与平均土壤电阻率为1 000 Ω·m相比,会向送电侧偏移了20 km左右,这是因为条线路的左边线路的土壤电阻率比右边的高,而把左右土壤电阻率互换,得到最大过电压的位置向负荷侧偏移,说明土壤电阻率分布会对最大过电压的位置产生影响。

(4)在考虑实际土壤电阻率情况下,通过优化线路避雷器的加装位置,使抑制过电压效果更好,能够更有效地保护线路。