基于ATP_EMTP的交流特高压试验示范工程建模及仿真

示范工程建模及仿真

田　庆

(国网运行有限公司,北京　100005)

　　[摘　要]　基于晋东南—南阳—荆门交流特高压试验示范工程提供的参数,采用电磁暂态程序ATP2E MTP建立了1000k V交流输电系统的模拟仿真系统。利用该模型不仅可以对保护方案进行有效的验证或者作相应的改进,而且可以帮助运行检修人员更轻松地了解特高压一些运行特性,比如电容电流、励磁涌流、潜供电流、合闸过电压等等。

　　[关键词]　交流特高压试验;ATP2E MTP;励磁涌流;潜供电流

　　[中图分类号]T M77　　[文献标识码]A　　[文章编号]100623986(2007)0520019203

M odeli n g and S i m ul a ti on of UHV P ilot Project Ba sed on ATP2E M TP

TI A N Q ing

(S tate Grid O peration Co m pany L i m ited,B eijing100005,China)

[Abstract]Based on the para meters of the UHV p il ot p r oject fr om Southeast Shanxi via Nanyang in Henan p r ovince t o J in men in Hubei p r ovince,a si m ulati on model of1000kV AC power trans m issi on syste m is devel2 oped by using the electr omagnetic transient p r ogra m ATP2E MTP.W ith the data generated by this si m ulati on model,the p r otecti on sche me used f or the UHV p il ot p r oject can be validated and i m p r oved accordingly.It can als o hel p the operat ors and maintenance staffs t o understand s ome UHV operati on characteristics easier,like capacitive current,inrush excitati on current,secondary arc current and s witching overvoltage.

[Key words]AC UHV testing;ATP2E MTP;inrush excitati on current;secondary arc current

　　研究并建立1000k V交流输电系统的模拟仿真系统,不仅可以对特高压输电系统继电保护方案进行有效的验证或者作相应的改进,而且可以详细模拟特高压交流输电(UHV)中产生的零点偏移、谐振过电压、潜供电流熄灭和短时间交流过电压升高等现象。

E MTP是用数值计算的方法来模拟电力系统的电磁暂态现象,从1984年以来,随着500kV输变电系统的建设,E MTP程序在我国电力工业界的运用也愈加广泛。它具有成本低,使用方便的优点,并可模拟多种在现场和实验室无法做的试验,为科研、设计和运行提供可靠的数值依据。

1　示范工程仿真模拟系统设计

　　目前,晋东南一南阳一荆门特高压交流输电试验示范工程的可行性研究已经完成,线路及变电站的设计方案已基本确定,主要设备选型及其参数也通过了专家评审。

[收稿日期]　2007204213

[作者简介]　田　庆(1976-),男,安徽安庆人,博士。

　　避雷器用Type292非线形电阻模拟,它可以输入非线形电感元件的电流—电压曲线。目前该元件最多能输入电流—磁链曲线的16个点,不含(0,0)点。E MTP程序自动根据输入的这些点作线形拟合绘制出完整的电流—电压曲线。

2　仿真结果分析

　　下面分别给出利用上述模型仿真如下操作过程的结果:并联电抗器特性仿真、励磁涌流、潜供电流、操作过电压。

2.1　并联电抗器特性仿真

图1是系统正常运行时,据晋东南100km处在0.06s时发生a、b相间短路,故障线路a相的电容电流波形图。图1(a)图1(b)分别是投入并联电抗器和退出并联电抗器的仿真结果。晋—南—荆三站的高抗配置为960/720/720/600Mvar。可以看出,若退出并联电抗器,则晋南线的电容电流达到额定电流的38%。这只是稳态运行情况下的电容电流,在a、b相间短路时,暂态充放电电流将增大数倍。投入并联电抗器后,晋南线的电容电流约为额定电流的7.5%,而且可以暂态充放电电流的大小。

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然而,这7.5%的电容电流将使线路两端电流的波

形、幅值和相位都发生畸变,影响电流差流的正确动作,因此保护中需采取补偿电容电流的措施

。

图1　无高抗(a )或有高抗(b )时ab 相外部相间

短路故障所得a 相电容电流

　　当晋—南—荆三站的高抗配置为1080/720/720/720Mvar,华北和华中两侧电源摆开角为40°时

的电压沿线分布。为求取沿线不同观测点的电压,需要将晋—南—荆线适当分段,每段线路上取11个观测点。特高压线路输送功率较大时,线路本身的感性无功功率Q L 和容性无功功率Q C 接衡,那么当补偿度很高时,如前苏联特高压线路的并联补偿度约100%,高压电抗器就成了多余的负担,造成Q C 严重不足,使沿线电压降低较多,增大了线路有功损耗,减小了线路输电的稳定极限,影响了特高压线路的输送能力。

　　高补偿时还容易产生非全相工频谐振过电压,可用E MTP 频率扫描的功能确定谐振频率。南荆线在不同的并联电抗器补偿度条件下,计算得到单相重合闸期间恢复电压中的自由分量的频率如图2所示。

2.2　空投变压器时的励磁涌流

变压器差动保护的误动率一直比较高,保护生产厂家一直在寻求既能避免空投时励磁涌流造成差动保护误动,又要保证当空投到轻微匝间短路时快速动作的完美解决方案。了解特高压变压器励磁涌流的特点,可以加深运行检修人员对变压器保护原理理解。图3是变压器在空投时产生的高压侧三相图2　南荆线非全相工频谐振频率

励磁涌流(a )和磁通(b )仿真波形。从图3可以看

出,产生励磁涌流的原因是在变压器空载投入或外部故障切除后的电压恢复过程中,变压器铁芯中的磁通急剧增大,使铁芯瞬间饱和。由于此时其他侧均无电流,励磁涌流就构成了差流,差动保护必须避免其引起的误动作。下面根据励磁涌流的特点分析南瑞和许继对特高压变压器保护改进的新措施

。

图3　特高压示范线路荆门侧变压器空载合闸

三相涌流(a )和磁通(b )仿真波形

　　从图3可以看出,a 、b 相励磁涌流较大,波形包

含非周期分量和大量的高次谐波分量,并且波形之间出现间断,c 相励磁涌流较小。为作差动对Y/△211接线变压器相位补偿方法都是采用Y →△的补偿方法,在微机保护中是在软件中实现电流相减。当空投变压器时如果两相都有涌流,两相电流相减后可能出现涌流特征(例如二次谐波或间断角)不很明显但幅值很大的电流。为了避免差动保护的误动,采用了任一相差电流出现涌流特征时闭锁三相的方法,但这样将造成空投在故障变压器上时差动保护不能快速跳闸的缺陷。为解决上述问题南瑞采

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用由△→Y 电流相位补偿的新方法。许继认为涌流状态的识别实质就是空投和电压恢复的识别。对于空投,他们利用启动前后的开关位置和启动前后的电流相比较来确定。通过智能识别变压器运行状态,适时地仅在空投及电压恢复时投入涌流判别原理,从而有效地解决变压器保护可靠性与快速性之间的矛盾。

2.3　单相瞬时接地故障的潜供电流仿真

当潜供电流较小时,依靠风力、气流拉长电弧等作用,可以在较短的时间内使其熄灭,以保证重合闸动作的成功。当潜供电流和恢复电压较高时,就需要采用相应措施。目前用于熄灭潜供电弧的方法主要有使用快速接地开关(HSGS )和并联电抗器中性点接小电抗2种。前者在日本已建成的特高压系统中得到使用,而后者在国内外已得到了广泛的应用。所有用于熄灭潜供电弧的方法均可归结为降低潜供电流的幅值,进而减少电弧燃烧的时间。

　　因特高压线路电压高、电容大,接地故障切除后故障点潜供电流熄弧困难,为了确保重合闸成功,示范线路采用带中性点小电抗的并联电抗器。HSGS 可保证在各种故障情况下有效地缩短潜供电流的熄弧时间,但当输电线路安装并联电抗器时,可以无须额外增加投资,采用带中性点小电抗的并联电抗器即可综合发挥降低短时工频过电压和缩短潜供电流的熄弧时间的作用。因此清楚地了解潜供电流幅值、持续时间以及恢复电压数值是十分必要的,可为设定合适的保护定值和重合闸时间提供技术依据并考核线路继电保护。图4是晋南线晋东南侧C 相瞬时接地故障的仿真波形,可以看出,潜供电流在其初始阶段存在明显的高频分量,但衰减很快,1个工频周期后虽然潜供电流中仍有3、4、5、7次谐波,但以工频分量为主。特高压线路的潜供电流被有效地至约10A ,可在1s 内单相重合闸,无需采用HSGS

。

图4　特高压示范线路晋东南侧单相瞬时

接地故障C 相潜供电流仿真波形

　　目前仿真程序能较准确地计算潜供电流和恢复

电压幅值,但还无法模拟随机变化的环境因素对潜供电流燃弧时间的影响。而且潜供电流与线路电容特别是相间电容密切相关,根据750kV 示范线路的运行经验,相间电容参数计算值与实测值存在较大偏差,达到23.1%,故实测的潜供电流较大。因此,在特高压示范线路的调试、运行过程中,需要注意积累相关数据,通过实验或仿真,恰当地设定高抗中性点小电抗的抽头,确保其满足系统运行要求。2.4　由南阳合晋南线,过电压沿线分布仿真

特高压系统的最高运行电压相当高,相应的过电压绝对值也较高,因而对绝缘水平要求也很高。尤其是外绝缘的操作冲击放电电压和间隙距离的关系已进入非线性区,随着操作过电压的增大,要求间隙距离的增加要快得多。因此,仿真特高压的过电压现象可以帮助运行检修人员更深刻地理解站内过电压的措施和设备,如:为降低雷电过电压,与500kV 变电站相比,特高压变电站采用更多的MOA;在线路两端装并联高压电抗器以T OV;

增加线路两侧断路器分闸联动通道使T OV 持续时

间减至0.2s,从而可以选定低额定电压的MOA;采用合、分闸电阻以合、分闸过电压等

。

图5　特高压示范线路沿线过电压仿真波形

　　图5是由南阳合晋南线,电压沿线分布图。这是对晋—南—荆线路的绝缘配合起决定性作用的过电压类型。晋—南—荆线分段方法同前,每段线路上取11个观测点。从图5中可以看出,沿线最大的2%过电压为1.66p.u .,变电站母线侧为1.52p.u .。

3　结语

　　E MTP 可应用于各种电压等级的交流、直流和交直流混合系统及其设备的模拟,其强大的功能可以帮助运行检修人员方便地了解和分析运行中出现的各种状况,更加直观的掌握特高压的运行检修知识,为特高压示范线路的稳定运行做出更大的贡献。

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