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      電力系統(tǒng)工頻過電壓的計(jì)算與仿真

      2022-07-01 17:01:29孫熙晨
      科技資訊 2022年14期
      關(guān)鍵詞:電抗器輸電線路

      孫熙晨

      摘要:日常的絕大多數(shù)的負(fù)載為感性負(fù)載,增加電抗器,可以使線路更加穩(wěn)定的運(yùn)行。該文在沒有電抗器和有電抗器的情況下,對(duì)空載線路分別求解首末端電壓關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在有電抗器的情況下,末端電壓波動(dòng)要小,首末端電壓比較小。最后使用EMTP進(jìn)行仿真,搭建了沒有電抗器和有電抗器的空載線路,采集了輸入輸出點(diǎn)電壓的波形,然后畫出首末端電壓圖,發(fā)現(xiàn)首末端電壓波形都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦,而且是同相位,只有幅值大小不等,仿真結(jié)果和理論相一致。

      關(guān)鍵詞:容性功率??輸電線路??工頻過電壓??電磁暫態(tài)分析??電抗器

      中圖分類號(hào):?TM744????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A???文章編號(hào):1672-3791(2022)07(b)-0000-00

      Calculation?and?Simulation?of?Power?Frequency?Overvoltage?in?Power?System

      SUN??Xichen

      (Government?Affairs?Guarantee?Center?of?Shandong?Provincial?Party?Committee,?Jinan,?Shandong?Province,?250004?China)

      Abstract:?Most?of?the?daily?loads?are?inductive?loads.?Adding?reactors?can?make?the?line?run?more?stably.?In?this?paper,?the?head?and?end?voltage?relationship?of?no-load?line?is?solved?respectively?without?reactor?and?with?reactor.?It?is?found?that?in?the?case?of?reactor,?the?end?voltage?fluctuation?is?small?and?the?head?and?end?voltage?is?relatively?small.?Finally,?EMTP?is?used?for?simulation,?no-load?lines?without?reactor?and?with?reactor?are?built,?the?voltage?waveforms?of?input?and?output?points?are?collected,?and?then?the?head?and?end?voltage?diagram?is?drawn.?It?is?found?that?the?head?and?end?voltage?waveforms?are?standard?sinusoidal?and?in?the?same?phase,?only?the?amplitude?is?different,?and?the?simulation?results?are?consistent?with?the?theory.

      Key?Words:?Capacitive?power;?Transmission?line;?Power?frequency?overvoltage;Electromagnetic?transient?analysis;?Reactor

      1電力系統(tǒng)工頻過電壓

      1.1電力系統(tǒng)工頻過電壓的產(chǎn)生的基本機(jī)理

      電力系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓是指系統(tǒng)中的電磁能由于系統(tǒng)故障或開關(guān)操作而發(fā)生較大的變化,發(fā)生電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓時(shí)會(huì)發(fā)生電壓從額定允許值瞬間或長(zhǎng)期上升。這種不正常的電壓增長(zhǎng)會(huì)對(duì)電氣設(shè)備構(gòu)成威脅,因此盡量減小電力系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部過電壓的次數(shù)。電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓可以分為操作過電壓和暫時(shí)過電壓這兩類,操作過電壓是指在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中不正確的操作導(dǎo)致電壓異常增長(zhǎng)超過了允許值,而暫時(shí)過電壓是由于環(huán)境等原因發(fā)生了電壓的振蕩,一般而言,順態(tài)過電壓可以在比較短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)過電力系統(tǒng)自身內(nèi)部的調(diào)節(jié)而消除,從而達(dá)到一種電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)[1-3]。

      在瞬態(tài)轉(zhuǎn)換完成后持續(xù)數(shù)秒或數(shù)小時(shí)(持續(xù)?0.1?s(5?個(gè)工頻周期)或更長(zhǎng)時(shí)間)的持續(xù)過電壓稱為暫時(shí)過電壓。?由于現(xiàn)代超高壓電力系統(tǒng)的保護(hù)日益完善,超高壓電網(wǎng)中的暫時(shí)過電壓很少持續(xù)超過幾秒鐘,因此這種過電壓稱為順態(tài)過電壓,由于瞬時(shí)過電壓的存在的時(shí)間不是很長(zhǎng),因此更容易進(jìn)行調(diào)節(jié),盡量減小順時(shí)過電壓發(fā)生的次數(shù),可以保障電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行。

      該文設(shè)計(jì)內(nèi)容有:(1)掌握電力系統(tǒng)工頻過電壓的產(chǎn)生的基本機(jī)理、計(jì)算方法和抑制措施。(2)掌握電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP的基本使用方法和分析方法。(3)設(shè)計(jì)一個(gè)500?kV輸電系統(tǒng)的仿真模型,分析不同工況條件產(chǎn)生工頻過電壓的情況,對(duì)理論分析和抑制方法進(jìn)行驗(yàn)證。

      該文首先介紹電力系統(tǒng)工頻過電壓的計(jì)算方法,涵蓋空載長(zhǎng)線路的沿線電壓分布,并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償作用。然后,進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和EMTP的仿真,對(duì)沒有電抗器和有電抗器兩種情形進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)電抗器的在抑制工頻過電壓中的作用,總結(jié)抑制工頻過電壓的方法。

      1.2電力系統(tǒng)工頻過電壓的計(jì)算方法

      1.2.1空載長(zhǎng)線路的沿線電壓分布

      工頻過電壓是電力系統(tǒng)中的一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象,屬于電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓,是暫時(shí)過電壓的一種。

      對(duì)于長(zhǎng)輸電線路的入口阻抗為容性時(shí),末端往往是空載的,容性阻抗產(chǎn)生的電容效應(yīng)會(huì)使線路首段電壓低于末端電壓,此時(shí)線路的首、末端電壓高于電源電動(dòng)勢(shì),這就是空載長(zhǎng)線路的工頻過電壓產(chǎn)生的原因之一。

      同時(shí),線路首端的電壓高于電源電動(dòng)勢(shì),這個(gè)原因就是在電源電抗上由于電容電流的上升,使得電壓也會(huì)上升,從而進(jìn)一步增加了工頻過電壓。

      根據(jù)式(1)推得電源電動(dòng)勢(shì)與線路末端電壓的關(guān)系為:

      定義電源電動(dòng)勢(shì)的傳遞系數(shù),這是令阻抗角,阻抗角代入式(2)式中得傳遞系數(shù)為:

      ,,可見,當(dāng)考慮電源電抗時(shí),相當(dāng)于增加了線路長(zhǎng)度,使諧振點(diǎn)提前了,由此可以看出電容效應(yīng)和電源電抗都會(huì)增加了工頻過電壓倍數(shù)。

      1.2.2并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償作用

      采用并聯(lián)電抗器來補(bǔ)償線路的電容電流可以限制電容效應(yīng)引起的工頻過電壓,以削弱其電容效應(yīng)XP,因此本節(jié)考慮并聯(lián)電抗器來補(bǔ)償線路的電容電流,從而對(duì)比在有電抗器和沒有電抗器時(shí)工頻過電壓的大小。

      在線路末端并接電抗器,降低了電壓傳遞系數(shù),這是由于電抗器等效的縮短了線路長(zhǎng)度,因而此時(shí)由首端看進(jìn)去,輸入端阻抗將會(huì)增大,用式(1)同樣可以求出線路末端開路時(shí)輸入端阻抗為:

      根據(jù)式(4)和式(5),首端對(duì)電源的電壓傳遞系數(shù),通過化簡(jiǎn)可得

      由式(4)和式(5)可求得線路末端對(duì)電源的電壓傳遞系數(shù),化簡(jiǎn)可得:

      因此,并聯(lián)電抗器的可以降低工頻過電壓,電路運(yùn)行會(huì)更加穩(wěn)定,在建設(shè)初期,電抗補(bǔ)償控制在80%~90%就可以,對(duì)于短的輸電線路,補(bǔ)償控制可以更低,這樣電網(wǎng)運(yùn)行會(huì)更穩(wěn)定。

      2參數(shù)計(jì)算和ATP仿真

      2.1例題參數(shù)計(jì)算

      2.2工頻過電壓的EMTP仿真

      雙擊“Clarke模型”圖標(biāo),參數(shù)設(shè)定。其他元件參數(shù)參照例題的仿真設(shè)定。線路末端電抗器參數(shù):電阻為0,電感值為3291?mH。為了更直觀地顯示輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系,線路未裝設(shè)電抗器時(shí)的末端電壓與電源電勢(shì)波形如圖4所示。

      0時(shí)刻開始的波形代表線路首端電壓波形,可以看到是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,0.04?s時(shí)刻開始的波形代表線路末端的波形,可以發(fā)現(xiàn)在0.04?s合閘后,線路末端電壓產(chǎn)生了很短暫的波動(dòng),在0.08?s以后末端電壓恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的正弦,而且和線路首端電壓同相位。

      可以發(fā)現(xiàn)末端電壓幅值為540?kV,?電源電壓幅值為408?kV,末端電壓對(duì)電源電動(dòng)勢(shì)的比值為=1.32,與計(jì)算值相符。

      在線路末端加入電抗器,電抗器是一個(gè)電感性負(fù)載,組建帶有電抗器的計(jì)算模型電路,如圖5所示。在線路裝設(shè)有并聯(lián)電抗器時(shí),為了更直觀地顯示輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系,線路未裝設(shè)電抗器時(shí)的末端電壓與電源電勢(shì)波形如圖6所示。

      0時(shí)刻開始的波形代表線路首端電壓波形,可以看到是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,0.04?s時(shí)刻開始的波形代表線路末端的波形,可以發(fā)現(xiàn)在0.04?s合閘后,線路末端電壓產(chǎn)生了很短暫的波動(dòng),在0.07?s以后末端電壓恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的正弦,而且和線路首端電壓同相位。

      由圖6可測(cè)得線路裝設(shè)有并聯(lián)電抗器時(shí)的首端電壓幅值為429?kV,電源電壓幅值為?408kV,末端電壓對(duì)電源電動(dòng)勢(shì)的比值為?=?l.05,與計(jì)算值也相吻合。

      從圖4和圖6的波形對(duì)比可知,在設(shè)有電抗器的情況下,線路末端電壓波動(dòng)要小,在同樣是首端電壓408?kV的情況下,未設(shè)有電抗器的末端電壓為540?kV,有電抗器的情況下末端電壓為429?kV,可以看出末端設(shè)有電抗器,可以使末端電壓波形波動(dòng)更小。

      在未設(shè)有和設(shè)有電抗器的情況下,首末端電壓比都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦,而且是同相位,只有幅值大小不等。

      可見,在線路空載或輕載時(shí),負(fù)載較少,絕大多數(shù)的負(fù)載為感性負(fù)載,所以此時(shí)的線路的容性就顯得比較厲害,容性功率能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的主磁通產(chǎn)生增磁作用(容性電流產(chǎn)生的磁通和主磁通方向相同),所以會(huì)提高發(fā)電機(jī)的電壓,從而使得線路末端的電壓高于線路首端的電壓,所以此時(shí)應(yīng)增加電抗器,來吸收容性功率,使線路更好的輸送電能[4-7]。

      3結(jié)語

      日常的絕大多數(shù)的負(fù)載為感性負(fù)載,在線路空載或輕載時(shí),負(fù)載較少,線路的感性較弱,容性較強(qiáng),由于容性電流產(chǎn)生的磁通和發(fā)電機(jī)的主磁通方向相同,所以容性功率能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的主磁通產(chǎn)生增磁作用,從而提高了發(fā)電機(jī)的電壓,使得線路末端的電壓高于線路首端的電壓,所以此時(shí)應(yīng)增加電抗器,來吸收容性功率,避免線路末端電壓過高而影響運(yùn)行。

      在沒有電抗器和有電抗器的情況下,對(duì)空載線路分別求解首末端電壓關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在有電抗器的情況下,末端電壓波動(dòng)要小,首末端電壓比較小。最后使用EMTP進(jìn)行仿真,搭建了沒有電抗器和有電抗器的空載線路,設(shè)置了輸入輸出采集點(diǎn)采集電壓的波形,然后用plot畫出首末端電壓圖,發(fā)現(xiàn)首末端電壓的波形都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦,而且是同相位,只有幅值大小不等,仿真結(jié)果和理論相一致。

      在線路空載或輕載時(shí)線路末端電壓會(huì)比首段電壓高以及采用何種手段來抑制過高的工頻過電壓現(xiàn)象,同時(shí)使用EMTP進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果和理論近似相同,結(jié)果是比較可觀的。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 董毅峰,王彥良,韓佶,等.電力系統(tǒng)高效電磁暫態(tài)仿真技術(shù)綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(8):2213-2231,2532.

      [2] 楊孟飛.電力系統(tǒng)恢復(fù)過程中的工頻過電壓動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2018(6):102-103.

      [3] 侯新春.淺析10kV配電架空線路的運(yùn)行維護(hù)措施[J].電子制作,2017(14):63-64.

      [4] 韓志錕,王震泉,許文超,等.500kV變電站主變中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓計(jì)算研究[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2016(3):72-76.

      [5] 姜為元,楊玉姣,唐小龍.基于曲線擬合的可控電抗器電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].微型電腦應(yīng)用,2021,37(11):121-124,129.

      [6] 李清,彭光強(qiáng),何東林,等.電力系統(tǒng)受迫振蕩檢測(cè)與自適應(yīng)振蕩抑制研究[J/OL].電測(cè)與儀表:?(2022-01-10)[2022-01-13].http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1202.TH.20220110.1300.002.html.

      [7] 張?zhí)烀??鐵路電力供電系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓抑制技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2021.

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