高壓輸電線串聯(lián)電容補(bǔ)償幾個(gè)問題探討

2019-11-03 10:09:07

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供稿：網(wǎng)友

肖立軍，胡少強(qiáng)
　　（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510641）

　　摘要：基于長距離高壓架空輸電線路的分布參數(shù)，提出了關(guān)于“串聯(lián)補(bǔ)償電容器的安裝位置、補(bǔ)償容量和輸送功率的定量關(guān)系”的計(jì)算公式。從提高功角穩(wěn)定性考慮，在單點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)，最佳補(bǔ)償方式是將電容器安裝在線路中點(diǎn)。同時(shí)，分析了串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)繼電保護(hù)的影響，討論了串聯(lián)補(bǔ)償可能引起次同步諧振問題及相應(yīng)的解決辦法。

　　關(guān)鍵詞：輸電線路；分布參數(shù)；功角穩(wěn)定性；串聯(lián)補(bǔ)償；繼電保護(hù)；次同步諧振

　　1 引言

　　對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電線，其輸電能力主要取決于線路的穩(wěn)定極限［1］，功角穩(wěn)定性使輸送功率、輸電距離受到限制，必須采取補(bǔ)償措施。串聯(lián)電容器補(bǔ)償可使系統(tǒng)穩(wěn)定極限大幅度提高，從而提高線路的輸電能力。但是，普通串補(bǔ)可能引起次同步諧振問題，在工程實(shí)際中，一般將普通串補(bǔ)與可控串補(bǔ)結(jié)合安裝以消除次同步諧振［4］。而且，串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)短路電流產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而干擾繼電保護(hù)的正常運(yùn)行。實(shí)質(zhì)上，串補(bǔ)電容器的安裝位置、補(bǔ)償容量的確定是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及系統(tǒng)穩(wěn)定性、次同步諧振、繼電保護(hù)、弗蘭蒂效應(yīng)［2］（即輕載過電壓）、成本等等方面，本文主要論述前三個(gè)方面。

　　2 分布參數(shù)模型

　　對(duì)于典型的長距離高壓架空輸電線路，由沿絕緣子串的漏電流以及電暈而產(chǎn)生的并聯(lián)電導(dǎo)實(shí)際上為零，而且，其單位長度電阻遠(yuǎn)小于單位長度電抗，因此，長距離高壓架空輸電線路可以視為無損耗傳輸線，其正弦穩(wěn)態(tài)傳輸方程［2］為：

　　式中：θ——電氣長度；

　　Z——特征阻抗；

　　VS——線路送端電壓相量；

　　IS——線路送端電流相量；

　　Vr——線路受端電壓相量；

　　Ir——線路受端電流相量。

　　電氣長度θ＝βD，代表線路全長，D為相位常數(shù)。電磁波沿架空輸電線路的傳播速度接近光速，在50 Hz交流系統(tǒng)中，相位常數(shù)β≈1.06×10－3rad／km。

　　經(jīng)分析，圖1所示的π型電路，其二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸方程與方程（1）完全一致。而且，實(shí)質(zhì)上，無損耗傳輸線的分布參數(shù)等效電路原理圖［3］就是圖1。

　　3 功角穩(wěn)定性

　　3．1　無補(bǔ)償線路的穩(wěn)定極限

　　根據(jù)圖1，可以求得無補(bǔ)償輸電線路的功角方程為：

　　式中： Rr——線路受端輸送的有功功率；

　　RS——線路送端輸送的有功功率；

　　Qr——線路受端輸送的無功功率；

　　QS——線路送端輸送的無功功率；

　　δ——線路送端電壓與線路受端電壓的相角差。

　　取線路額定電壓為U，定義

　　根據(jù)公式（2）、（3）、（4），如果VS＝Vr＝U，則當(dāng)PR＝P0時(shí)，有QS＝Qr＝0，線路與兩端系統(tǒng)之間沒有無功功率的交換，對(duì)于線路每個(gè)單位長度，電容產(chǎn)生的無功功率等于電感吸收的無功功率，而且，沿線電壓都為額定電壓，這就是電壓和無功控制的最佳狀態(tài)。P0叫作自然負(fù)荷。

　　一般，輸電線路輸送的有功功率接近且小于自然負(fù)荷。但是，線路越長，電氣長度［就越大，為了輸送自然負(fù)荷，功角W就越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性就越差。顯然，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的前提下，要想遠(yuǎn)距離輸送自然負(fù)荷，必須采取補(bǔ)償措施。

　　根據(jù)公式（2），無補(bǔ)償線路的穩(wěn)定極限為：

　　從而，線路參數(shù)和［通過它們對(duì)穩(wěn)定極限的控制而影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性。為此，文獻(xiàn)［2］的作者提出了補(bǔ)償和［補(bǔ)償［2］，并且分析了電容器安裝位置、補(bǔ)償容量與輸送功率的“理想”關(guān)系，但是，作者的分析過于脫離實(shí)際，實(shí)用價(jià)值不大。3．2　有補(bǔ)償線路的穩(wěn)定極限

　　假定在距線路受端n（km）處安置串聯(lián)補(bǔ)償電容器，其容抗XC＝Kzsinθ，k稱為補(bǔ)償度（0≤k≤1）。此時(shí)，串補(bǔ)線路的原理圖如圖2所示。

　　圖中：

　　根據(jù)圖2，可以推出下列傳輸方程：

　　根據(jù)公式（7）、（8）、（9），可以推出傳輸方程如下：

　　取受端電壓相量Vr為參考相量，則：

　　根據(jù)公式（10）、（15），可得該補(bǔ)償方式下的功角方程為：

　　式中，Pm0代表補(bǔ)償前輸電線路的穩(wěn)定極限。　　

　　根據(jù)三角函數(shù)的性質(zhì)可知：當(dāng)n＝D／2時(shí)，K1取得最大值，而且，以“n＝D／2”為對(duì)稱軸，向兩側(cè)遞減。從而穩(wěn)定極限Pm1的最大值為：

　　可見，補(bǔ)償線路的穩(wěn)定極限是電容器的安裝位置與補(bǔ)償容量的函數(shù)。在相同的補(bǔ)償容量下，電容器的安裝位置對(duì)穩(wěn)定極限的提高影響很大，線路越長，這種影響越強(qiáng)烈。單點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)，這種“提高作用”是關(guān)于線路中點(diǎn)對(duì)稱而向兩端遞減的，越遠(yuǎn)離線路中點(diǎn)，這種“提高作用”越小，在線路中點(diǎn)，這種“提高作用”最大；所以，從提高系統(tǒng)功角穩(wěn)定性考慮，將電容器安裝于線路中點(diǎn)是最佳選擇。表1反映了上述關(guān)系，表中，＝1000 km。

　　4 短路電流

　　在實(shí)際中，如果采取單點(diǎn)補(bǔ)償方式，則一般將電容器安裝于線路中點(diǎn)。假定在距線路中點(diǎn)e（km）處發(fā)生接地短路，則此時(shí)補(bǔ)償線路的原理圖如圖3所示。

　　假定接地短路是金屬性的，則Ve＝0，根據(jù)圖3，有；

　　可見，補(bǔ)償電容器將使短路電流顯著加大，補(bǔ)償容量越大，短路電流增大就越強(qiáng)烈，而且，在電容器“后側(cè)”線路短路時(shí)，短路電流很可能大于其“前側(cè)”線路短路時(shí)的電流，從而使繼電保護(hù)誤動(dòng)。

　　5 次同步諧振

　　5．1　普通串補(bǔ)

　　在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，采用普通串補(bǔ)的一個(gè)很大的障礙就是次同步諧振問題。大型汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系具有顯著的彈性，在一定的條件下將因機(jī)械和電氣的相互作用而產(chǎn)生自發(fā)振蕩，其頻率低于同步頻率，并與軸系的固有振蕩頻率有關(guān)。因此，在規(guī)劃安裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置時(shí)，要找出可能導(dǎo)致次同步諧振的臨界補(bǔ)償度。一般來講，如果從發(fā)電站看出去輸電網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，并且在補(bǔ)償度超過線路阻抗

　　5．2　可控串補(bǔ)

　　可控串補(bǔ)TCSC的基本結(jié)構(gòu)之一是在固定的串補(bǔ)電容上并聯(lián)一個(gè)由晶閘管控制的電抗器。以串補(bǔ)電容電壓為理想正弦波作為假設(shè)條件時(shí)，可控硅控制電抗器（TCR）與固定電容并聯(lián)的等值基波阻抗為［5］：

　　所以，通過控制T，就可以靈活快速調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償線路的等值電抗，使系統(tǒng)電的自振頻率“躲開”機(jī)械的自振頻率，從而消除次同步諧振。即，利用可控串補(bǔ)改變系統(tǒng)電的自振頻率是消除次同步諧振的一個(gè)有效方法。

　　實(shí)質(zhì)上，串補(bǔ)電容的存儲(chǔ)電荷是產(chǎn)生低頻振蕩的物理原因，而利用可控串補(bǔ)的晶閘管經(jīng)電抗器放電，意味著增大系統(tǒng)的阻尼，將機(jī)械扭振與系統(tǒng)的自振關(guān)系阻尼掉。可控串補(bǔ)可以根據(jù)增加系統(tǒng)阻尼和抑制振蕩的要求快速調(diào)節(jié)阻抗，如果可控串補(bǔ)調(diào)節(jié)器整定參數(shù)恰當(dāng)，完全能消除次同步諧振。通常設(shè)計(jì)的運(yùn)行范圍使得觸發(fā)角在約140°～180°時(shí)，可控串補(bǔ)的等效阻抗呈容性；而當(dāng)觸發(fā)角在約90°～140°范圍時(shí)，則其等效阻抗呈感性。

　　實(shí)際中，應(yīng)該將普通串補(bǔ)與可控串補(bǔ)結(jié)合安裝，這樣，既可提高線路的輸電能力，又可消除次同步諧振，還能降低補(bǔ)償成本。

　　6 結(jié)論

　　串聯(lián)電容器補(bǔ)償是提高長距離輸電線路的輸電能力的有力措施。當(dāng)采取單點(diǎn)補(bǔ)償方式時(shí)，從提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限考慮，將電容器安裝在線路中點(diǎn)是最佳選擇。但是，普通串補(bǔ)有可能引起次同步諧振，應(yīng)該與可控串補(bǔ)結(jié)合運(yùn)用。同時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償將使短路電流增大，可能引起繼電保護(hù)誤動(dòng)。

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　摘自電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)

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