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330kV电力电缆一架空线混联线路过电压仿真探讨
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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:vicky
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  • 论文字数:32256
  • 论文编号:el2021111620235125971
  • 日期:2021-11-16
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?本文基于某地区 330kV 输电工程,在 ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件中搭建了电缆—架空线混联线路仿真模型,仿真分析了该系统在雷电、工频过电压及操作工况下的过电压水平。


1 绪论


1.2  国内外研究现状

1.2.1  过电压仿真研究现状

1)  雷电过电压研究现状

架空线路遭受雷害主要是受直击雷和感应雷的影响,其中直击雷的过电压幅值较大,是线路的主要威胁。对于电缆线路,因其深埋于大地,不会受到雷电直击的影响,因此电缆线路遭受雷害主要来自雷击架空线,雷电波沿架空线传入电缆,既雷电侵入波过电压。但与架空线不同的是,架空线受雷击后多为瞬时性故障,而电缆受侵入波过电压影响造成绝缘老化或击穿多为永久性故障,需要停电检查故障点,并对故障电缆进行更换,使得电缆设备和监测抢修的成本远高于架空线[16]。因此,对于混联线路的过电压研究,应将电缆段的过电压幅值监测作为重中之重。

目前国内外对于雷电过电压的研究多集中于配电网的雷电防护和 GIS 变电站的雷电入侵波等方面。文献[17]针对某地区雷电参数进行了统计分析,采用 MODELS  语言结合ATP  软件,进行了配电网感应雷过电压影响因素仿真分析,为防雷工程设计提供了参考。文献[18]  基于 Agrawal 场线耦合模型,建立了计算感应雷过电压峰值的宏观模型,并与时域有限元法进行对比验证,得出了某地区 10kV 架空输电线路感应雷跳闸率。文献[19]针对复杂地形下的架空线,建立 3 维时域有限差分(3-DFDTD)算法模型,计算复杂山体地形下的雷击电磁场,分析雷电过电压的影响。文献[20]针对电力线缆和通信线缆感应雷电过电压的问题,利用多脉冲雷电流发生器模拟自然雷电,对架空线缆进行耦合试验,分析雷电流泄放时产生的瞬态雷击电磁脉冲在不同类型线缆上耦合的感应过电压特征和差别。文献[21]针对南京 1000kV 交流特高压变电站 1100kV GIS 现场雷电冲击耐压试验工程,利用ATP-EMTP 电磁暂态分析软件对特高压 GIS 现场冲击耐压试验系统与故障电弧进行建模,分析了特高压 GIS 现场冲击耐压试验暂态过电压水平,并对过电压抑制方法进行了探究。但上述研究的输电形式都为单纯的架空线或者电缆线路,缺乏对电缆—架空线混合线路的整体分析;同时杆塔的波阻抗计算多采用传统的经验公式计算,缺少对常用杆塔的仿真。

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3  混联线路雷电过电压仿真研究


3.1  系统模型和参数

3.1.1  雷电流模型和参数

根据国内大量关于雷电的实测,我国雷电波的波头时间大致在 1~4μs,平均在 2.6μs左右。在雷电过电压计算过程中,雷电流常采用我国防雷设计标准 DL/T 620 中推荐的2.6/50μs 标准雷电流进行模拟,即波头时间为 2.6μs,半波时间为 50μs。在雷电过电压分析中,目前用于雷电暂态计算的雷电流大致分为两类:双指数模型和 Heidler 模型[41]。

在目前的输电线路杆塔研究中,常用的杆塔模型为集中电感模型、单一波阻抗模型和多波阻抗模型[42]。随着超/特高压电网的快速发展,杆塔的高度和几何尺寸不断增加,因此多波阻抗模型可以更真实地模拟线路的反击特性。

当雷击杆塔,雷电波沿杆塔传播时,由于杆塔部分不同高度的𝐿𝐿0和𝐶𝐶0不同,导致沿杆塔分布的波阻抗也不相同。考虑到杆塔参数随高度变化的特性,为了模拟在杆塔上传播的雷电波的折射和反射特性,本文采用了 Yamada 和 Hara 提出的多波阻抗模型模拟 330kV输电线路的杆塔[43]。

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5  混联线路操作过电压仿真研究


5.1 仿真模型和计算参数

5.1.1  电源模型和参数

与雷电和工频过电压相比,操作过电压水平大小与系统中等效电源阻抗有关。本章仿真中,电源采用理想电压源与等值序阻抗串联的型式等效。如 4-1 节所示系统模型,以 A变电站—B 变电站典型线路为例,该线路两侧电源等着阻抗参数如表 5-1 所示。

表 5 -1  电源等值阻抗(Ω)

表 5 -1  电源等值阻抗(Ω)

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5.2  合闸空载线路过电压研究

在电力系统中,合闸空载线路是一种常有的操作。因为线路电压在合闸前后会产生突变,所以此变化的过渡过程会引起空载线路的合闸过电压。合闸空载线路操作有两种情况: ①  正常运行的计划性合闸(例如检修后或新建线路按计划投入);②  线路故障切除后的自动重合闸。由于后者是非零初始条件,合闸时过电压更高。根据国标要求,330kV 交流线路相地统计操作过电压(出现概率不超过 2%的操作过电压)架空线不宜超过 2.2p.u.,电缆线路不宜超过 2.0p.u.。

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图 5-3  电缆侧合闸过电压波形

可以看出,架空线路侧的合闸过电压比电缆侧的合闸过电压更高。因此,可以在架空线侧合闸时在断路器上加装合闸电阻,来抑制合闸过电压。本文选用了 300kV 和 288kV两种额定电压的避雷器,288kV 的避雷器又分为 1.66 压比和 1.58 压比。当断路器正常合闸时,线路沿线的操作过电压均在绝缘水平的要求内,其中使用压比较低的避雷器,线路上的操作过电压更低,由于电缆线路的绝缘为非自恢复绝缘,一旦发生绝缘故障,则可能带来较严重的损失,故其绝缘水平应有一定的裕度,因此建议选择压比较低的避雷器。当线路使用自动重合闸时,会使操作过电压升高,目前学术上对在电缆线路上是否使用自动重合闸还存在争议,因为电缆线路敷设于地下,是封闭性的,大多数故障是永久性故障,自动重合闸的加入会加重故障,扩大事故,造成二次损害。基于表 5-2 的计算结果,选择压比较低的避雷器,能够将线路的合闸过电压抑制在安全范围内。

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6  总结与展望


6.1  论文总结

本文基于某地区 330kV 输电工程,在 ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件中搭建了电缆—架空线混联线路仿真模型,仿真分析了该系统在雷电、工频过电压及操作工况下的过电压水平。总结全文,主要研究成果及结论如下:

(1)本文介绍了混联线路输电过程中常见的三种过电压:雷电过电压、工频过电压和操作过电压。针对雷电过电压,重点介绍了雷击杆塔和雷击输电线路两种典型情况下,雷电过电压的产生机理。针对工频过电压,重点分析了空载长线路的容升效应、不对称接地引起的工频过电压和不对称甩负荷引起的工频过电压这三种情况针对操作过电压,重点分析了分闸操作过电压和合闸操作过电压两种情况的产生机理。

(2)针对雷电过电压,仿真结果发现:雷电波绕过避雷线击中架空线路,导致架空线雷电过电压幅值较高,易引起线路的跳闸。电缆侧受雷电入侵波的影响,也会产生雷电过电压,但幅值远低于架空线路。由于电缆线路的波阻抗低于架空线路的波阻抗,入侵波会在电缆线路末端发生反射,导致电缆末端过电压高于电缆首端。电缆的首末端电压均随雷击距离的增大而减小。在混联线路上两侧安装避雷器,能够有效的将输电线路的雷电过电压抑制到绝缘水平内。

(3)针对工频过电压,仿真发现:两相短路接地甩负荷引起的工频过电压最高,容升效应引起的工频过电压最低。线路上加装补偿度 81.4%的高抗,能有效抑制工频过电压。线路长度对电缆的影响远高于对架空线路的影响,线路的长度越长,其工频过电压越高。当电缆线路长度达到 60km 时,线路发生两相短路甩负荷引起的工频过电压已达安全限值。如果线路长度更长的话,有越限的风险。

(4)针对操作过电压,仿真结果表明:架空线路侧的合闸过电压比电缆侧的合闸过电压更高。自动重合闸的使用,会使操作过电压升高,选择压比较低的避雷器,能够将线路的合闸过电压抑制在安全范围内。断路器分闸造成重击穿只会发生在未加高抗的线路上,选用压比较低的避雷器可以将分闸过电压限制在合理范围。

参考文献(略)