1000kV特高压输电线路潜供电弧试验研究

第31卷第16期中国电机工程学报Vol.31No.16Jun.5,20111382011年6月5日ProceedingsoftheCSEE©2011Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2011)15-0138-06中图分类号：TM83文献标志码：A学科分类号：470·401000kV特高压输电线路潜供电弧试验研究和彦淼1，宋杲1，曹荣江1，袁亦超2，林集明1，班连庚1，李炜1，杨堃1，韩彬1(1．中国电力科学研究院，北京市海淀区100192；2．华北电力科学研究院有限责任公司，北京市西城区100045)TestResearchofSecondaryArcin1000kVUHVDouble-circuitTransmissionLinesHEYanmiao1,SONGGao1,CAORongjiang1,YUANYichao2,LINJiming1,BANLiangeng1,LIWei1,YANGKun1,HANBin1(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China;2.NorthChinaElectricPowerResearchInstituteCo.Ltd,XichengDistrict,Beijing100045,China)ABSTRACT:Theauto-reclosingtimeandthesuccessrateofthesingle-phaseauto-reclosingoperationaredeterminedbytheextinguishingtimeofthesecondaryarc.Theextinctioncharacteristicresearchofthesecondaryarcisthekeytechnologytoguaranteethesuccessoftheauto-reclosingoperation.Laboratorysimulationisaneffectivemethodtoresearchtheextinctioncharacteristicofsecondaryarcinultrahighvoltage(UHV)transmissionlines.AccordingtothesecondaryarcandtherecoveryvoltagevalueoftheUHVtransmissionlines,atotalof102groupsamountedto2013timesofsecondaryarcsimulationexperimentswithdifferentwindspeeds,voltagegradientsandsecondaryarccurrentswereconductedundercompensation-free,normalcompensationandcompensationconditions.SecondaryarcextinctioncharacteristicsonUHVtransmissionlineswereinvestigated,andtheresultsprovidedascientificbasisforstipulatingthedesignspecificationofcircuitbreakers’reclosingtime.KEYWORDS:ACultrahighvoltage(UHV);secondaryarc;recoveryvoltage;simulationtest;extinctioncharacteristic;single-phaseauto-reclosingoperating摘要：潜供电弧的自灭时间决定单相重合闸的重合时间和成功率，潜供电弧自灭特性的研究是保证单相重合成功的关键技术。特高压输电线路潜供电弧试验室模拟试验是行之有效的研究方法，根据特高压回路设计可能的潜供电流和恢复电压值，采用试验室单相等价回路进行了相应风速、电压梯度、潜供电流值的无补偿、正常补偿和过补偿情况下的102组基金项目：国家电网公司重大科研攻关项目(B11-07-042)。ImportantscientificresearchprojectsofStateGridCorporationofChina(B11-07-042)．(共计2013次)潜供电弧模拟试验，深入研究了特高压输电线路潜供电弧自灭特性，其结果为确定断路器单相重合闸时间整定值的设计规范提供了科学依据。关键词：交流特高压；潜供电弧；恢复电压；模拟实验；自灭特性；单相重合闸0引言建设特高压(ultrahighvoltage，UHV)电网是满足未来持续增长的电力需求的根本保证[1]。2008年国家电网公司建成晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程，2010年建成淮南—皖南—浙北—上海1000kV交流特高压同塔双回输变电工程等。由于特高压线路的输送容量大，导线间的静电感应和电磁耦合效应突出[2-4]，因此如何使潜供电弧快速自灭，将直接影响单相重合闸的无电流间歇时间和成功率[1]。为保证特高压线路的安全运行和增强系统的稳定性，潜供电弧自灭特性的研究是目前急需研究的关键问题。世界上仅有日本、前西德和前苏联等少数几个国家曾做过潜供电弧自灭特性试验的研究[5-6]。对于1000kV线路的潜供电弧自灭特性，有些500kV的研究结论可以推延到1000kV，但某些结论尚无法获得，如前人试验研究的电压梯度昀高为16kV/m，已不能满足工程设计和运行要求。不少专家学者用仿真等手段来计算潜供电弧自灭时间[7-10]，但目前均未应用到实际工程中，对于开放性的潜供电弧来说，由于其自灭时间受自然第16期和彦淼等：1000kV特高压输电线路潜供电弧试验研究139条件和弧道状况的影响较大，除了在实际线路上进行测量之外，试验室模拟测定是唯一可行的办法。对于1000kV的特高压双回线路，目前尚无利用实际线路进行试验的条件，并且实际线路试验有很大的局限性：方案不可能很多，次数有限，也不能任意改变试验条件。因此，在试验室条件下进行模拟试验是唯一的选择。本文通过大量的试验室试验，研究了1000kV特高压输电线路在无补偿、正常补偿和过补偿状态下潜供电弧的自灭特性，昀终确定不同运行条件下特高压输电线路潜供电弧的自灭特性，为1000kV特高压电网建设中自动重合闸动作时间的确定提供依据。1试验理论和依据潜供电弧是一个在大气中游动的开放性电弧，或称自由电弧。按其电路特性，属于“电容性电流”电弧，但它燃烧在已被“电感性短路电流”所离化了的弧道中，所以其燃烧特性与“电容性电路”产生的自由电弧不同。试验表明，当电流有效值达到15A以上，电压梯度约为数kV/m(有效值)时，即能维持这类电弧燃烧的稳定性，使之不能快速自灭(指燃烧时间超过0.2s以上)[11]。为了使潜供电弧快速自灭，必须研究潜供电流的大小和恢复电压(潜供电弧在空间游动自灭后，故障相上残留有一定的电压，这个电压即为潜供电弧的恢复电压)值的高低，这二者统称为潜供电弧的参数；此外，还必须研究一定参数下电弧的自灭时间。前者取决于系统结构和运行条件，即潜供电流及恢复电压的大小除了与线路单、双回路结构有关外，还与线路长度、线路电压、输送潮流、是否有补偿等因素有关；后者取决于潜供电弧参数和当时当地的环境条件(主要是风速)，即潜供电弧熄灭的快慢除了与潜供电弧参数的大小有关外，还与补偿情况及风速等其他多种因素有关。潜供电弧参数计算实际上是电力系统的一种复杂故障方式下的电流电压计算，本文主要依托淮南—沪西特高压输变电工程，采用理论分析和数字仿真相结合的方法，利用已完成的特高压输电线路的潜供电弧参数值[12-13]。通过等效计算简化线路，降低试验电压，用试验室模拟线路[14]测出潜供电弧不同网络参数下的自灭时间，分析其自灭特性，并与中、外各国的系统实测结果及历年统计结果相比较，以确定试验室结果的正确性。本文强调，有关潜供电弧自灭时间的现场试验数据的局限性在于以下4点：1）试验参数变化范围有限；2）试验次数有限，难于进行数理统计处理；3）试验环境条件的一致性难以保持；4）无法实时检测电弧燃烧区域内的风速。图1为潜供电弧自灭特性的试验回路，图中：B1为回路总断路器，B2为引弧回路断路器，B3为补偿回路断路器；E为电源电压；IL为电感电流；IC为电容电流；L'为引弧电抗；C为电容；L为补偿电抗；I为潜供电流；Ua为电弧电压本文要做的试验包括系统在无补偿(IL=0)、正常补偿(ILIC)和过补偿(ILIC)线路状态下潜供电弧的自灭试验。IC˙XCCB1B3B2I˙IL˙XLL电源电压E(ω0)潜供电弧UaL'图1潜供电弧自灭特性试验回路Fig.1Circuitofsimulationtestforsecondaryarc图2为不同补偿情况下恢复电压的各种形态，其中：电流过零瞬间为O''；恢复电压u的瞬时峰值点为O'；ω0是工频，其1/4周期是5ms，即图2中的O''A。ω0O''ω01ω02ω03ω0n−1⋅⋅⋅⋅⋅⋅ω'01⋅⋅⋅ω'0nC'B'BACDFO'unω0n=0t/msn'⋅⋅⋅1'0123n−1⋅⋅⋅τ'τt恢复电压图2恢复电压的各种形态Fig.2Variousformsoftherecoveryvoltage在正常补偿情况下，ω是低于ω0的低频波；ω0是工频，其1/4周期是5ms(即图2中的O''A)，低频的1/4周期时间大于5ms，如图中B,C,⋅⋅⋅,F等点所示。本文将各时间区段与5ms之差命名为“补偿频率的差值”，以下简称为“频差值时间”，以τ(正常补偿)和τ'(过补偿)表示，单位为ms；过补偿时，波形即为曲线0左边的曲线1',⋅⋅⋅,n'等，其1/4周期小于5ms。当图1中XL→∞时，图2中ω→0，以曲线n表示(此时与横轴平行)，曲线1,2,⋅⋅⋅,n−1与曲线0(O'ω0)之间的垂直距离(即2条曲线相同横坐标时在纵轴方向上的垂直距离)表示在各种补偿程度上的恢复电压上升情况。显然，当XL=XC、ω=ω0(当略去补偿回路的内电阻，即无损耗)时，曲线0(O'ω0)与曲线1(O'ω01)完全重合，恢复电压为零，此时潜供电流也为零，140中国电机工程学报第31卷电弧快速自灭。1965年及1994年试验结果[11,15]已表明，当补偿度接近XL=XC时，即潜供电流I值较小(例如在30A以下时，潜供电弧的自灭时间≤0.2s(左右))时，补偿效果昀佳，其恢复电压趋于零，图2对前期试验结果[11,15]做出很好的说明。当补偿较小时(即ILIC)，恢复电压间的高度差由0与1之间逐渐变为0与n之间，潜供电弧电流为电容性电流。因此，分析各种补偿情况下的差异可以用ω(ω01→ω0n)与ω0之差来表示。系统在某些运行情况下，会出现“过补偿”，即试验回路图1中，ILIC(即XLXC)，由此，ωω0(因/1LCXX)，波形即为图2中的曲线0左边的曲线1',⋅⋅⋅,n'等。在极端情况下，XL→0，曲线n'逐渐接近垂直线O''O'，此时的恢复电压特性完全转变为纯电感性电路，其恢复电压特性与一般高压开关设备开断“端部短路”时的工况完全相同。在这种情况下，前文给定的“τ”将变为“τ'”(即其1/4周期与5ms之差为负值)，τ的极限可为∞，而τ'的极限为−5ms。τ'的变化量对恢复电压的上升陡度(较之τ的变化量)影响较大，因此，过补偿对潜供电弧的自灭是不利的因素。本文根据以上理论进行特高压潜供电弧自灭特性研究，并与试验结果互为验证。2试验方案的确定本次试验的主要内容是有补偿的潜供电弧自灭试验，但这种电弧自灭试验的参数组合数量众多，为减少工作量，本文根据上文中提到的试验原理进行了合理的组合，仅对有代表性、概括性的方案进行试验。选定方案的原则是：将潜供电流值由小到大分为若干等级，在每个等级范围内以大代小；将恢复电压梯度也分为若干等级，在每个等级范围