串聯(lián)諧振法在高壓直流輸電線路參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用

王慶玉，張高峰，張青青

(山東電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

輸電線路參數(shù)的頻率特性，是進(jìn)行操作過電壓的研究和計(jì)算、內(nèi)過電壓模擬以及電力系統(tǒng)其他暫態(tài)過程研究的重要依據(jù)。

導(dǎo)線和大地在交變電流作用下的集膚效應(yīng)使得線路參數(shù)隨頻率而變。 頻率升高時(shí)，線路電阻明顯增大，電感有所減小，線路電容在頻率低于1MHz時(shí)，不隨頻率而改變。

直流輸電線路頻率特性的計(jì)算，是以長線的電磁場(chǎng)方程為基礎(chǔ)，計(jì)及導(dǎo)線和大地的集膚效應(yīng)等因素，借助Bessle函數(shù)和Carson公式推算得到有關(guān)結(jié)果。重點(diǎn)介紹串聯(lián)諧振法在直流長距離輸電線路參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用，計(jì)算時(shí)，做了許多簡(jiǎn)化，如把土壤看成是均勻的，導(dǎo)線高度是恒定的等等，而沒有考慮線路的各種具體情況［1］。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 測(cè)量方法研究

1.1.1 諧振法

超高壓輸電線路Q值大，實(shí)測(cè)表明，能在±1 Hz內(nèi)精確地調(diào)出諧振點(diǎn)。 在諧振頻率下，線路的入端阻抗很小，電源能輸出數(shù)安培的電流，抗干擾能力較強(qiáng)。測(cè)量時(shí)，根據(jù)欲測(cè)的參數(shù)，選用不同的試驗(yàn)接線，對(duì)線路施加頻率可變的正弦電壓，調(diào)節(jié)電源頻率，使線路達(dá)到諧振狀態(tài)，測(cè)取線路末端短路和開路狀態(tài)下的諧振頻率和諧振阻抗［2］。

諧振次數(shù)與線路的損耗有關(guān)。 若是無損耗，則有無窮多個(gè)諧振點(diǎn)。損耗愈大諧振次數(shù)愈少。諧振法測(cè)試簡(jiǎn)單，測(cè)量頻率范圍較寬。

1.1.2 相位法

相位法的基本原理同諧振法一樣，都是在正弦電壓下測(cè)量輸電線路的入端阻抗。當(dāng)電源頻率為線路諧振頻率時(shí)入端阻抗是實(shí)量，即為諧振法。 而在一般情況下入端阻抗是復(fù)量，須測(cè)量其模和幅角，這就是相位法。

相位法原理簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，但其測(cè)量頻率范圍有限，一般在50～200 Hz左右。 但是一方面由于輸電線路的Q值很高，當(dāng)遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)和端阻抗的幅角接近90°，幅角測(cè)量的較小誤差將引起線路參數(shù)的較大誤差，因而對(duì)相位角測(cè)量的精度要求較高；另一方面，由于電源的容量有限，而線路的入端阻抗隨頻率變化很大。當(dāng)入端阻抗很大時(shí)，電源輸出的電流很小，干擾的影響使波形畸變，不易獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

1.1.3 電容放電法

將充電電容器組向末端短接的輸電線路放電，產(chǎn)生衰減振蕩電流。經(jīng)過2～3個(gè)半波以后，高次諧波分量已衰減完畢，此時(shí)用一個(gè)π型電路足以等價(jià)真實(shí)線路。 改變充電電容C1的電容量可得到不同的振蕩頻率。從電流波形圖可測(cè)得振蕩頻率和衰減因子，經(jīng)過計(jì)算，可得出線路單位長度的電阻與電感。

電容放電法能測(cè)量線路參數(shù)在較低頻段的頻率特性，放電電流大，電壓高，抗干擾能力較強(qiáng)。但為使C1＞10Cn，這就限制了測(cè)量頻率。

通過比較得知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試容易實(shí)現(xiàn)且能保證測(cè)量結(jié)果的方法為諧振法。

1.2 串聯(lián)諧振法

諧振法簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

對(duì)于串聯(lián)諧振：

對(duì)于并聯(lián)諧振：

實(shí)測(cè)時(shí)宜用串聯(lián)諧振點(diǎn)，因?yàn)樵谄漕l率下入端阻抗小，電源能輸出較大的電流。隨著頻率的增高，串、并聯(lián)諧振的入端阻值的差異減小，在較高頻段并聯(lián)諧振點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)也可采用。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試概況

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程，起于寧夏寧東換流站，止于青島換流站，途經(jīng)寧夏、陜西、山西、河北、山東五省區(qū)，線路長度1 335 km，線路跨越500 kV線路14回次，跨越330 kV線路11回次，跨越220 kV線路47次。導(dǎo)線采用4×JL/G3A-1000/45型鋼芯鋁絞線，地線采用JLB20A-150鋁包鋼絞線。

本次測(cè)試工作共進(jìn)行了以下參數(shù)的測(cè)量：線路直流電阻測(cè)量，線路工頻正序阻抗測(cè)量，線路工頻零序阻抗測(cè)量，線路工頻正序電容測(cè)量，線路工頻零序電容測(cè)量，線路參數(shù)頻率特性測(cè)量［3］。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

3.1 線路直流電阻測(cè)量

線路直流電阻測(cè)量接線如圖1所示，測(cè)量采用四極法接線方式，消除測(cè)量引線引起的測(cè)量誤差。

圖1 直流電阻測(cè)量示意圖

單極直流電阻值為R=9.725 Ω。

3.2 線路工頻正序阻抗測(cè)量

線路工頻正序阻抗測(cè)量接線如圖2、圖3所示。測(cè)量采用四極法接線方式，消除測(cè)量引線引起的測(cè)量誤差［4-5］。

圖2 正序短路阻抗測(cè)量示意圖

圖3 正序開路阻抗測(cè)量示意圖

線路工頻正序阻抗為Z1=12.8828+j376.8705Ω。

3.3 線路工頻零序阻抗測(cè)量

線路工頻零序阻抗測(cè)量接線如圖4所示。 測(cè)量采用四極法接線方式，消除測(cè)量引線引起的測(cè)量誤差。

圖4 零序短路阻抗測(cè)量示意圖

圖5 零序開路阻抗測(cè)量示意圖

線路工頻零序阻抗Z0=127.893+j585.264 Ω。

3.4 線路工頻正序電容測(cè)量

線路工頻正序電容測(cè)量接線如圖6所示。測(cè)量采用四極法接線方式，消除測(cè)量引線引起的測(cè)量誤差。

圖6 正序電容測(cè)量示意圖

線路工頻正序電容C1=17.221 5 μF。

3.5 線路工頻零序電容測(cè)量

線路工頻零序電容測(cè)量接線如圖7所示。測(cè)量采用四極法接線方式，消除測(cè)量引線引起的測(cè)量誤差。

圖7 零序電容測(cè)量示意圖

線路工頻零序電容C0=10.813 5 μF。

3.6 線路參數(shù)頻率特性測(cè)量

線路參數(shù)頻率特性測(cè)量接線如圖2、圖3、圖4、圖5所示，為得到準(zhǔn)確結(jié)果，采用諧振法測(cè)量。測(cè)量采用四極法接線方式，消除測(cè)量引線引起的測(cè)量誤差。

3.6.1 正序參數(shù)頻率特性測(cè)量

正序末端開路計(jì)算結(jié)果如表1所示，正序末端短路計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 正序末端開路計(jì)算結(jié)果

表2 正序末端短路計(jì)算結(jié)果

正序電感頻率特性曲線如圖8所示，正序電阻頻率特性曲線如圖9所示。

圖8 正序電感頻率特性曲線

圖9 正序電阻頻率特性曲線

3.6.2 零序參數(shù)頻率特性測(cè)量

零序末端開路計(jì)算結(jié)果如表3所示，零序末端短路計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 零序末端開路計(jì)算結(jié)果

表4 零序末端短路計(jì)算結(jié)果

零序電感頻率特性曲線如圖10所示，零序電阻頻率特性曲線圖11所示。

圖10 零序電感頻率特性曲線

圖11 零序電阻頻率特性曲線

4 結(jié)語

隨著電網(wǎng)發(fā)展，超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路越來越多，特別是超高壓直流輸電的發(fā)展，線路參數(shù)測(cè)試已經(jīng)變得越來越重要。通過本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，諧振法測(cè)試簡(jiǎn)單，在測(cè)試過程中，根據(jù)欲測(cè)的參數(shù)，選用不同的試驗(yàn)接線，可以較為簡(jiǎn)單捕捉到諧振點(diǎn)，對(duì)線路施加頻率可變的正弦電壓，調(diào)節(jié)電源頻率，使線路達(dá)到諧振狀態(tài)，測(cè)取線路末端短路和開路狀態(tài)下的諧振頻率和諧振阻抗。而且測(cè)量頻率范圍較寬，抗干擾能力較強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果完全能滿足工程實(shí)際需要。