特高壓交流輸電系統(tǒng)的動態(tài)物理模型

1、特高壓交流輸電系統(tǒng)的動態(tài)物理模型楊德先,陳德樹,陳衛(wèi),吳彤,張鳳鴿(華中科技大學(xué)電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北省武漢市430074摘要:在論證中國有重點(diǎn)地建設(shè)特高壓輸電系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的必要性后,介紹了特高壓輸電線路、變壓器系統(tǒng)、并聯(lián)電抗器等模型的建設(shè)情況,針對特高壓的特殊性對其輸電線路及特殊的變壓器組開展了動模試驗(yàn),研究了特高壓帶來的新問題和物理現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明該模型的試驗(yàn)結(jié)果與對原型的基本理論分析相似,可用于研究特高壓系統(tǒng)的暫態(tài)特性和相應(yīng)的二次設(shè)備性能。關(guān)鍵詞:特高壓;交流輸電;動態(tài)模擬;元件模型中圖分類號:TM743收稿日期:2008206213;修回日期:2008208220。

2、0引言美國、前蘇聯(lián)、日本和意大利等都曾建成交流特高壓試驗(yàn)線路,并且進(jìn)行了大量的交流特高壓輸電技術(shù)研究和試驗(yàn)。前蘇聯(lián)和日本建設(shè)的交流特高壓線路,目前全部降壓運(yùn)行。中國于2006年8月批準(zhǔn)建設(shè)1000kV 晉東南南陽荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程,從而拉開了國內(nèi)首條特高壓輸電線路的建設(shè)序幕。中國是電能的生產(chǎn)和使用大國,地域廣闊,發(fā)電資源分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不平衡。全國可開發(fā)的水電資源近2/3在西部的四川、云南、青海、西藏;煤炭保有量的2/3分布在山西、陜西、內(nèi)蒙古。而全國2/3的用電負(fù)荷卻分布在東部沿海和京廣鐵路沿線以東的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。西部能源供給基地與東部能源需求中心之間的距離將達(dá)到2000km 300

3、0km 。中國發(fā)電能源分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不均衡的基本國情,決定了能源資源必須在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置。特高壓電網(wǎng)是指1000kV 交流和±800kV 直流組成的輸電網(wǎng)絡(luò),與現(xiàn)有電網(wǎng)相比,特高壓電網(wǎng)具有容量大、輸電距離長、損耗低等明顯優(yōu)勢。只有建設(shè)特高壓電網(wǎng),才能適應(yīng)東西2000km 3000km 、南北800km 2000km 遠(yuǎn)距離、大容量電力輸送需求,促進(jìn)煤電就地轉(zhuǎn)化和水電大規(guī)模開發(fā),實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨流域的水電與火電互濟(jì),將清潔的電能從西部和北部大規(guī)模輸送到中、東部地區(qū),滿足國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對電力的需求1。在中國將先建設(shè)3條特高壓示范工程:國家電網(wǎng)公司的晉東南南陽荊門1000kV 交流特

4、高壓、溪洛渡向家壩800kV 直流特高壓和南方電網(wǎng)公司的云南楚雄廣州穗東800kV 直流特高壓。1000kV 晉東南南陽荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程,跨越山西、河南和湖北三省,線路全長645km 。特高壓交流試驗(yàn)示范工程建成后,可實(shí)現(xiàn)華北電網(wǎng)和華中電網(wǎng)的水火調(diào)劑、優(yōu)勢互補(bǔ),有效推動晉東南大型煤電基地集約化開發(fā),緩解煤電緊張局面,并具有錯(cuò)峰、調(diào)峰和跨流域補(bǔ)償?shù)染C合社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。工程如期投運(yùn)后,將填補(bǔ)國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)的空白。電力系統(tǒng)動態(tài)模擬采用了與原型系統(tǒng)具有相同物理性質(zhì)且參數(shù)標(biāo)幺值一致的模擬元件,根據(jù)相似原理建立起的電力系統(tǒng)模型能夠直接觀察到各種現(xiàn)象的物理過程,便于獲得明確的物理概念,特別對于某

5、些新問題和物理現(xiàn)象,可以探索其本質(zhì)和變化的基本規(guī)律,并可以校驗(yàn)電力系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式以及各種假設(shè)的合理性,進(jìn)而使理論得到進(jìn)一步完善和發(fā)展2。隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展,電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,電壓等級逐步升高,設(shè)備類型更為豐富,設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化,現(xiàn)有動態(tài)模型不能完全適應(yīng)發(fā)展需要,特高壓輸電系統(tǒng)有其自身的特殊性,如輸電線路暫態(tài)時(shí)間長、變壓器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)變壓器結(jié)構(gòu)完全不一樣等。為了研究特高壓輸電系統(tǒng),華中科技大學(xué)于2006年9月2007年3月建立了1000kV 晉東南南陽荊門特高壓交流試驗(yàn)輸電系統(tǒng)模型,并進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究。1特高壓輸電線路模型1000kV 特高壓輸電線路原型共分為2段,即晉東南至南

6、陽開關(guān)站段、南陽開關(guān)站至荊門段。晉東南南陽開關(guān)站特高壓線路長度近似為360km ,南陽開關(guān)站荊門特高壓線路長度近似為285km 。第32卷第22期2008年11月25 線路原型采用型號為8×L G J 2500/35分裂導(dǎo)線3(前蘇聯(lián)的1150kV 線路采用8×AS330/43分裂導(dǎo)線,日本的特高壓線路為雙回線設(shè)計(jì),導(dǎo)線分別為8102×8或6102×8ACSR 鋼芯鋁絞線。晉東南南陽線每100km 主要參數(shù)為:X 1=2613,X 0=83106,<1=88135°,<0=7915°,C 1=11397F ,C 0=019

7、3F ;南陽荊門線每100km 主要參數(shù)為:X 1=2613,X 0=78121,<1=88125°,<0=7817°,C 1=11383F ,C 0=0189F 。模型線路電壓選定為1000V ,則電壓模擬比為1000,電流模擬比為400,阻抗模擬比為215,功率模擬比為4×105。模型線路采用等值鏈型電路以分段集中參數(shù)來模擬分布參數(shù),綜合考慮到經(jīng)濟(jì)性和暫態(tài)特性的模擬,該模型設(shè)計(jì)了16個(gè)單元電抗元件來模擬645km 原型線路,電抗元件之間的連接端頭采用鍍銀處理,以最大限度地減少接觸電阻,充分考慮系統(tǒng)總體接觸電阻的影響。正序阻抗角的設(shè)計(jì)值不小于8815

8、3°,與實(shí)際參數(shù)相比保留一定的裕度,為了滿足頻率特性和減少集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)的影響,電抗器元件采用19股高強(qiáng)度絞合漆包線制成空芯電感,每股導(dǎo)線直徑為1145mm 。為了使模型具有通用性,采用并、串方式使每組單元可模擬原型系統(tǒng)15km 或60km ,即模擬線路總長可在240km 960km 之間調(diào)整,即在模擬15km 線路電抗時(shí),相當(dāng)于38股導(dǎo)線并繞而成,因此正序電抗的用銅量高達(dá)102kg 。目前,采用模擬60km 的6個(gè)大單元模擬晉東南南陽特高壓線路360km ,采用60km 的3個(gè)大單元和15km 的7個(gè)小單元模擬南陽荊門特高壓線路285km ,采用多個(gè)小單元的目的是為了讓線路上的

9、故障點(diǎn)距保護(hù)裝置測量點(diǎn)至少有5個(gè)以上的單元,這樣可以更好地模擬線路暫態(tài)過程。在整條線路上設(shè)有10個(gè)短路點(diǎn),每條線路兩側(cè)均有模擬并聯(lián)電抗器。1000kV 特高壓輸電線路 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D如圖1所示427。圖11000kV 特高壓輸電線路試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1T est model diagram of 1000kV UHV transmission line2特高壓并聯(lián)電抗器模型原型特高壓交流線路產(chǎn)生的充電無功功率約為500kV 的5倍,為了抑制工頻過電壓,線路須裝設(shè)并聯(lián)電抗器。1000kV 特高壓試驗(yàn)示范工程的并聯(lián)電抗器參數(shù)如表1所示。表1特高壓并聯(lián)電抗器參數(shù)T able 1Main para

10、meters of UHV shunt reactors線路容量/Mvar 主電抗/線電壓/kV 中性點(diǎn)電阻/晉東南2南陽晉東南南陽60020161100440按照同樣的模擬比,特高壓模型中設(shè)計(jì)了6種規(guī)格的模擬電抗器與表1對應(yīng),即504,672,806,112,148,176,每臺電抗器均有8個(gè)抽頭,阻抗角不小于8911°,在113倍額定電壓下,阻抗線性度偏差不大于5%,所得特性與原型一致8211。3特高壓變壓器模型1000kV 特高壓變壓器原型結(jié)構(gòu)如圖2所示。以晉東南開關(guān)站1000kV 特高壓變壓器為原型,采用中性點(diǎn)變磁通調(diào)壓,由主變壓器(不帶調(diào)壓的自耦變壓器和調(diào)壓變壓器(含低壓電

11、壓補(bǔ)償功能兩部分組成,調(diào)壓變壓器與主變壓器通過架空線進(jìn)行連接。主體為單相四柱結(jié)構(gòu),兩心柱套線圈,每柱50%容量,高、中、低壓線圈全部并聯(lián)。主體油箱外設(shè)調(diào)壓變,內(nèi)有調(diào)壓和補(bǔ)償雙器身。主變壓器每相容量為1000MVA ;調(diào)壓變壓器每相容量為59MVA ;補(bǔ)償變壓器每相容量為18MVA 。原型主變壓器參數(shù)如下:變壓器容量為3000MVA ,各側(cè)電壓為1050kV/525×(1±5%kV/110kV ,高壓中壓短路阻抗為18%,高壓低壓短路阻抗為62%,中壓低壓短路阻抗為40%,空載電流0107%,空載損耗155kW 。特高壓模擬變壓器的結(jié)構(gòu)方式采用與原型一一對應(yīng)方式,即由模擬主變

12、壓器、模擬調(diào)壓變壓器、模擬補(bǔ)償變壓器組成,如圖3所示。研制與開發(fā)楊德先,等特高壓交流輸電系統(tǒng)的動態(tài)物理模型 圖21000kV 特高壓變壓器原型結(jié)構(gòu)Fig.2Prototype structure of 1000kV UHV transformer圖31000kV 特高壓單相變壓器模型結(jié)構(gòu)Fig.3Model structure of 1000kV UHV transformer考慮到模型的通用性和靈活性,即在每臺主變壓器的雙繞組的每一相上均設(shè)有21個(gè)抽頭,調(diào)壓變壓器和補(bǔ)償變壓器也設(shè)有多個(gè)抽頭,以方便改變變比和進(jìn)行匝間短路試驗(yàn),并且短路阻抗可大范圍調(diào)整。具體參數(shù)如下:模擬主變壓器容量為215kV

13、A (對應(yīng)1000V ;變比為1000V/500V/110V ,容量比為111/3,損耗I 0<112%,P 0<1%,短路阻抗為18%60%;模擬調(diào)壓變壓器容量為14715VA ,變比為31811;模擬補(bǔ)償變壓器容量為45VA ,變比為51351。4實(shí)驗(yàn)分析特高壓交流輸電系統(tǒng)物理模型建成以后,進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,如輸電線路充電試驗(yàn)、金屬性短路試驗(yàn)、經(jīng)大電阻接地短路試驗(yàn)、各類變壓器故障和匝間短路試驗(yàn)等,分析了各種故障時(shí)電流、電壓的波形畸變程度、諧波含量、非周期分量的衰減時(shí)間常數(shù)以及操作和保護(hù)動作所產(chǎn)生的過電壓等。深圳南瑞科技有限公司也在該模型上進(jìn)行了微機(jī)線路保護(hù)試驗(yàn)、微機(jī)變壓器保護(hù)

14、試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)。對特高壓線路進(jìn)行的試驗(yàn),探索到特高壓線路保護(hù)應(yīng)注意的一些問題。如南陽開關(guān)站的南荊線出口處三相短路時(shí),晉東南側(cè)的電流波形如圖4所示,故障切除后表現(xiàn)出存在較強(qiáng)的非工頻振蕩電流。特高壓線路的衰減時(shí)間常數(shù)為0112s ,圖4為南陽開關(guān)站南荊線出口處發(fā)生三相短路時(shí)晉東南側(cè)測量到的三相電流波形,A 相電流的直流分量衰2008,32(22 減時(shí)間超過了100ms ,應(yīng)從保護(hù)算法上考慮濾除衰減直流分量的影響 。圖4南2荊線出口處三相短路時(shí),晉東南側(cè)的電流波形Fig.4Current w aveform of Jindongnan during 32phase short circuit at

15、 N anyang 2Jinmen line outlet特高壓輸電線路具有電壓高、線路長、輸送功率大、波阻抗小、分布電容大、線路充電電容電流亦大等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致特高壓線路保護(hù)的目的不同于傳統(tǒng)保護(hù):不是以快速切除故障或者盡量保持系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)為首要目的,而是限制線路過電壓,保證設(shè)備及系統(tǒng)安全;特高壓線路充電電流使得差動保護(hù)面臨考驗(yàn),必須尋找更合理的保護(hù)方式12。有關(guān)特高壓系統(tǒng)存在的特殊問題,需要深入研究和探討。5結(jié)語特高壓交流輸電系統(tǒng)的物理模型的成功建立,為1000kV 交流輸電系統(tǒng)動態(tài)模擬研究提供了一個(gè)試驗(yàn)平臺,為研究特高壓交流輸電系統(tǒng)暫態(tài)特性提供了科學(xué)依據(jù),為特高壓輸電系統(tǒng)的各種繼電保護(hù)裝置

16、的設(shè)計(jì)、選型、運(yùn)行提供了非常真實(shí)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該?shí)驗(yàn)室為對外開放試驗(yàn)室,可供有關(guān)方面進(jìn)行研究、探索或檢驗(yàn)性試驗(yàn)。參考文獻(xiàn)出版社,2004.3賀家李,李永麗,郭征,等.特高壓輸電線繼電保護(hù)配置方案:(一特高壓輸電線的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn).電力系統(tǒng)自動化,2002,26(23:126.H E Jiali ,L I Y ongli ,GUO Zheng ,et al.Relay protection for U HV transmission lines :Part one const ruction and operation characteristics.Automation of Electric

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23、楊德先(1963陳德樹(1930,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等。E 2mail :dschen 陳衛(wèi)(1970研制與開發(fā)楊德先,等特高壓交流輸電系統(tǒng)的動態(tài)物理模型Dynamic Physical Model of 1000kV UHV AC T ransmission SystemYA N G Dex ian ,C H EN Deshu ,C H EN Wei ,W U Tong ,Z HA N G Feng ge(Electric Power Security and High Efficiency Lab ,Huazhong University of Scien

24、ce and Technology ,Wuhan 430074,China Abstract :This paper discusses the necessity of establishing the dynamic physical model system of U HV AC transmission system ,and introduces the construction of U HV transmission lines ,transformers ,shunt reactors ,and so on.A lot of dynamic simulation experim

25、ents are done on transmission lines and transformers with special features on U HV.The unique problems and phenomena arisen in the U HV system are studied.The experiments show that the result of the physical model is identical with the theoretical analysis on the prototype ,and the physical model ca

26、n be used to study the transient characteristics on U HV system and the characteristics of secondary devices.K ey w ords :U HV ;AC transmission ;dynamic simulation ;component models(上接第15頁continued f rom page 157KEAN E A ,O MALL E Y M.Optimal allocation of embeddedgeneration on distribution networks

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