潜供电流综述

高压输电线路潜供电流及单相自动重合闸xxxxxxxSecondaryArcCurrentandRecoveryCurrentinHigh-VoltageTransmissionLinesandSingle-PhaseAutoReclosurexxxxxxxxABSTRACT:Thisarticleintroducedthegenerationmechanismandthecharacteristicsofsecondaryarccurrentbasedonseveralkeytimepointsduringthefault.Thenthepaperbuiltamathematicalmodelformeasuringsecondarycurrentandrecoveryvoltagebyusingdistributedparametercircuit.Basedonaforesaidanalysis,thispaperthenintroducedfactorsthatinfluencesecondaryarccurrentandrecoveryvoltage,andtwomainsuppressionmethodswerealsoanalyzed.Reclosureoperationisnecessaryafterthesingle-phaseearthfaultandthus,comparisonsweremadebetweentworeclosureplans,namely,fixed-time-delaybasedreclosureplanandadaptive-secondary-arc-extinctionbasedreclosureplan,thealgorithmofthelaterwasgiven.KEYWORDS:Single-phaseearthfault,secondaryarccurrent,recoveryvoltage,single-phaseauto-reclosure摘要:本文首先以故障发生的重要时刻为量度介绍了潜供电流的产生机理及特性，接着通过建立相关数学模型，在分布参数电路基础上定量分析了潜供电流与恢复电压的计算方法。并在此基础上分析了影响潜供电流与恢复电压的因素，对主要的两种潜供电流抑制措施进行了介绍与分析。单相接地故障后需对线路进行重合闸操作，比较了基于固定重合闸时间的单相重合闸方案和基于自适应熄弧时间的单相重合闸方案，并对后者的算法进行了梳理。关键字:单相接地故障，潜供电流，恢复电压，单相自动重合闸0引言自20世纪70~90年代国内外开展特高压输电技术研究以来，输电线路故障一直是人们关注的重要问题之一。据统计，在超(特)高压输电线路中，由于相间距离大，500kV线路故障中90%以上是单相接地故障。随着电压等级的升高，线路间的空间距离也越大，因此，对于特高压输电线路来说多相故障的发生率减小，而单相故障的发生率增加[1-2]。另外，特高压输电线路的杆塔较高压来说增高很多，线路上工作电压幅值很大，易由线路上产生向上先导，这些因素会使避雷线屏蔽性能变差，引发瞬时性故障。因此，对于特高压输电线路来说，单相瞬时性故障发生的几率相对来说更大。由于单相接地故障中，大部分为瞬时性故障，因此多采用单相自动重合闸来消除故障。使用单相自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而尽快恢复系统的正常运行状态[3]。线路出现单相接地故障时，在健全相上产生的瞬态过电压为单相接地故障过电压，它是操作过电压的一种，也称为短路过电压[4]｡当线路发生单相接地故障，线路两端故障相的断路器相继跳开后，由于相间耦合作用的存在，故障点处仍会流过一定的电流，即为潜供电流，此时弧道上仍有小能量的电弧继续燃烧，使短路时弧光通道的去游离受到严重阻碍，而单相自动重合闸只有在故障点电弧熄灭且绝缘强度恢复以后才有可能重合成功｡由于超高压､特高压系统电压高，线路长，相间电容耦合强,使得电弧燃烧时间也较长，直接影响了特高压线路单相重合闸的无电流间歇时间，大大降低了单相自动重合闸的成功率。2潜供电流与恢复电压的模型及等效电路2.1潜供电流与恢复电压的机理及特性对于潜供电弧的研究，国内外已经开展了诸多研究，主要集中在两个方面，一是潜供电弧的产生、熄灭、重燃以及影响因素等[5-7]；二是与电力系统交互作用，其中主要研究线路参数对电流、弧道恢复电压、燃弧时间的影响[8]。潜供电流是单相重合闸过程中产生的一种电磁暂态现象。其产生机理如图1所示。当线路发生单相(C相)接地故障，故障相两端断路器跳闸后，电源和系统从两边向故障点提供的短路电流被切断，非故障相(A、B相)仍在运行，且保持工作电压。由于相间电容C12和相间互感M的作用,使得故障点处产生了由电容分量和电感分量两部分组成的潜供电流。电容分量即是指非故障相的电压通过相间电容C12向故障点提供的电流，在大部分无补偿情况下起主要作用；而正常相上的负载电流经相间互感在故障相上感应出电动势EM这个电动势通过相对地电容C0及并联高抗形成的回路，向故障点提供电流，即为潜供电流的电感分量。当潜供电流熄灭后，同样由于相间电容和互感的作用，在原弧道间出现恢复电压，这就增加了故障点自动熄灭的困难，以致单相重合闸失败。潜供电弧零休阶段的特性决定了电弧的熄灭与重燃，这一过程中，弧道恢复电压的上升率起着至关重要的作用[9]。IsABCIAIBEMC12UBUAC12C0图1单相接地故障Fig.1Principleofsecondaryarccurrent2.2单相接地故障等效电路为建立潜供电流与恢复电压的数学模型，我们可将发生单相接地故障后潜供电流与恢复电压的产生按时间顺序分为以下四个阶段：(1)第一阶段：正常运行输电线路正常运行时，输电系统保持稳定平衡，各电流量、电压量无自由分量。Ls0LxRxRyLyLs1EmcEncLs0LxRxRyLyLs1EmbEnbLs0LxRxRyLyLs1EmaEnaL0MC1C0L0L1N图2第一阶段Fig.1Stage1(2)第二阶段：单相接地故障发生假设A相在t0时刻发生接地故障，则电路拓扑模型可用图２表示。R1为短路电弧电阻。输电线路首端、末端、故障点处的电压可以通过态方程求解得到。短路电流主要取决于故障相自身回路的阻抗，健全相则由于相间阻抗很大而影响甚微。另外，电路中各元件电流、电压的衰减系数及振荡频率主要由故障点位置与短路电弧电阻R1决定；电路中各储能元件初始值则由故障发生时刻决定。故障后，电路各状态量的自由分量经过衰减后形成新的稳定状态。Ls0LxRxRyLyLs1EmcEncLs0LxRxRyLyLs1EmbEnbLs0LxRxRyLyLs1EmaEnaL0MC1C0L0L1NR1图3第二阶段Fig.3Stage2(3)第三阶段：潜供电弧产生，接地故障切除单相接地故障发生后，输电线路上首先产生短路电流，随后线路两端的断路器受到跳闸信号后开始动作，实现分闸切除故障后，短路电流过零，短路电弧熄灭后，故障点随即形成潜供电弧。其潜供电流的自由分量主要由潜供电弧电阻与故障发生的位置决定；强制分量则由相间阻抗决定，即取决于并联电抗补偿度及中性点小电抗。该阶段的电路状态仍然会在经过自由分量衰减后形成新的稳定状态。等效电路如图3所示，R2为潜供电弧电阻。Ls0LxRxRyLyLs1EmcEncLs0LxRxRyLyLs1EmbEnbLs0LxRxRyLyLs1EmaEnaL0MC1C0L0L1NR2图4第三阶段Fig.4Stage3(4)第四阶段：潜供电流电弧熄灭潜供电弧过零熄灭后，恢复电压迅速起始。在此阶段，对于不同故障点和不同潜供电流过零时刻，潜供电弧恢复电压各自由分量的系数也不同。实际上，输电线路多为欠补偿，其相间阻抗呈容性且远大于潜供电弧电阻。因此，在潜供电弧过零熄弧时，相间电容电压为峰值，相间电感电流则为0。Ls0LxRxRyLyLs1EmcEncLs0LxRxRyLyLs1EmbEnbLxRxRyLyL0MC1C0L0L1N图5第四阶段Fig.5Stage42.3潜供电流与恢复电压的计算为了分析潜供电流与恢复电压的影响因素，对单相接地故障切除故障后的电路进行建模并计算。由上文知，潜供电流产生的原因是，故障相电源虽被切断，但由于非故障相仍带电运行，它通过相间电容仍对故障点进行供电，这一部分电流称为电容分量；由于相间互感的影响,故障相上将被感应出一个电势，在此电势作用下，通过故障点及相对地电容形成一个环流，该部分电流称作电感分量。目前,国内外对潜供电弧参数的计算多采用集中参数电路的观点和理论分析处理。由于其计算方法简单、物理概念清楚并能包括线路两侧系统状态的影响,因而对简单系统或者中短距离输电线的计算具有一定的实用价值。而电力系统中，远距离的高压电力传输线是典型的分布参数电路,在50Hz工频情况下,电流、电压其波长虽为6000km,但远距离输电线长度达几百甚至几千千米,已可与波长相比。故采用分布参数电路模型推导潜供电弧的参数。本文计算潜供电流所用参数为：L为每相导线的自感系数，M为相间互感系数，C0为每相导线的对地电容（以单位长度计算），C为相间电容（以单位长度计算）。如图6所示,设故障发生在C相上，C相两端断路器BC和BC’已被断开,短路电流被切除,故障相中的电压和电流分别为U和I；A和B两相仍在运行，其上的电压分别为UA和UB,其中的电流分别为IA和IB。为简化计算，本文作出以下三点假设：(1)忽略非故障相对地电容；(2)忽略故障相的沿线电阻；(3)略去全部对地有功泄露[10]。根据以上条件，可写出下列表达故障相电压U和电流I的分布情况的传输线方程式：BABBBCC0CCLLLM图6潜供电流基本参数图Fig.6Basicparametersofsecondaryarccurrent022ABABUjLIjMIIlUUIjCUjCUl(1.1)式中，l为线路长度，单位为km;为314。为简化公式，令(1)中的ABABIII；2ABABUUU。对(1)式第一式对l求偏微分，考虑到本节主要目的是求解潜供电弧参数，电弧的熄灭速度与弧中电流的关系在一定误差范围内影响不显著，因此忽略IA+B的沿线变化，即0ABIl，联立(1)中第二式，可解得U和I的表达式。令202;2jLCCLC，则：122ttABUAeAeU(1.2)121=ttABcMIAeAeIZL(1.3)其中，021cCCZjLL由边界条件求解得到常数A1和A2，代入上式中可得到：2112chsh(1ch)shcABcABUUlZUlUlMZIlL(1.4)1212sh+chshch1ABccABUIlIlUlZZMIlL(1.5)以上两式为决定故障相上电压电流分布的基本方程式，U和I求法如下：将线路分成两部分，0-x和x-l。通过对两队分别计算得到：0022chchxshl2xABABCUUCClxMILCC(1.6)其次，再求故障相上的电流分布。这里将接地电阻略去不计，即设电弧弧道电阻为零，短路点的电位与大地相同，即在x处：Ux=0。同样将线路自x处分为前后两,0-x和x-l。根据两段的边界条件,分别解得0-x这一段上的I’x和x-l这一段上的I’’x，两电流叠加，得到x处的潜供电流为：02thth1211chchxABABCIUxxLCCMILxlx(1.7)结合(1.8)及(1.9)的表达式以及反三角函数的相关特性，可以得到潜供电弧参数的一般性规律：(1)由电容关系引起的恢复电压分量UxC沿输电线路的分布为常数，与故障点的位置无关。在物理意义上可以解释为它是由于相间电容与