基于emp-rv的直流輸電線路過(guò)電壓水平仿真研究

基于emp-rv的直流輸電線路過(guò)電壓水平仿真研究

0直流線路仿真計(jì)算模型錦屏-江蘇-800kv直接供電工程是國(guó)家電網(wǎng)公司通過(guò)未經(jīng)家水庫(kù)-南匯800kv直接供電工程后，建設(shè)的第二個(gè)高效、高壓直輸工程。為了能充分發(fā)揮特高壓直流輸電工程長(zhǎng)距離、大容量輸電的優(yōu)勢(shì),經(jīng)過(guò)全面的研究和論證,國(guó)家電網(wǎng)公司決定將錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程的雙極額定輸送容量由原計(jì)劃的6400MW增加到7200MW,額定直流電流由原計(jì)劃的4000A調(diào)整到4500A,額定運(yùn)行直流電壓保持±800kV不變,每極仍采用2個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)。所選取的導(dǎo)線由原計(jì)劃的6×LGJ-720/50改為6×LGJ-900/40。受?chē)?guó)家電網(wǎng)公司委托,中國(guó)電力科學(xué)研究院于2005年曾經(jīng)對(duì)±800kV直流輸電工程過(guò)電壓及絕緣配合進(jìn)行了研究,研究成果已經(jīng)應(yīng)用到了±800kV向家壩—南匯直流輸電工程設(shè)計(jì)當(dāng)中?？紤]到錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程的額定輸送容量、輸送距離及桿塔參數(shù)均與向家壩—南匯直流輸電工程不同,因此有必要對(duì)錦屏—蘇南直流輸電工程的直流線路進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真研究。高壓直流輸電的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是可以通過(guò)快速調(diào)節(jié)兩端換流器的觸發(fā)角,控制直流系統(tǒng)的電壓和電流,并將故障對(duì)設(shè)備的影響降到最低,因此可以得出直流輸電系統(tǒng)的性能極大地依賴(lài)于它的控制系統(tǒng)的結(jié)論。由于直流輸電控制保護(hù)在故障或操作發(fā)生后幾毫秒內(nèi)即能動(dòng)作,在對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部過(guò)電壓研究時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮控制保護(hù)的動(dòng)作特性。在進(jìn)行直流線路對(duì)地故障的仿真研究中發(fā)現(xiàn),整流側(cè)移相過(guò)程對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響很大,因此本文參考常規(guī)直流輸電工程的整流側(cè)移相過(guò)程和故障波形,在2種導(dǎo)線分裂間距下對(duì)線路內(nèi)部過(guò)電壓和沿線接地短路電流兩部分分別針對(duì)2種導(dǎo)線分裂間距進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真研究,仿真計(jì)算模型中采用的參數(shù)是錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程的具體參數(shù)。仿真計(jì)算工具采用電磁暫態(tài)計(jì)算軟件EMTP-RV。1在不同的錯(cuò)誤下，永昌線的內(nèi)部過(guò)載1.1仿真結(jié)果分析在特高壓直流系統(tǒng)雙極平衡和單極金屬回線2種運(yùn)行方式下,本節(jié)對(duì)可能引起直流線路出現(xiàn)過(guò)電壓的故障進(jìn)行仿真計(jì)算,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。當(dāng)直流線路導(dǎo)線分裂間距分別為50cm和45cm時(shí),仿真研究各種故障下的直流線路內(nèi)部過(guò)電壓,并在額定運(yùn)行方式和0.1pu運(yùn)行方式下比較各種故障情況下的仿真結(jié)果。1.2桿塔接地電阻仿真計(jì)算直流系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行方式下,當(dāng)發(fā)生以下故障時(shí),可能會(huì)在直流線路整流側(cè)、逆變側(cè)和線路中點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓:1)線路中點(diǎn)發(fā)生對(duì)地短路故障;2)逆變側(cè)不投旁通對(duì)緊急停運(yùn);3)直流系統(tǒng)先閉鎖再跳最后一個(gè)斷路器;4)最后一個(gè)斷路器跳開(kāi)10ms后直流系統(tǒng)再閉鎖。對(duì)于以上故障,分別在輸送額定運(yùn)行功率和0.1pu運(yùn)行功率下對(duì)直流線路進(jìn)行仿真研究,借鑒交流線路桿塔工頻接地電阻值,即當(dāng)大地電阻率不大于100?·m時(shí),接地電阻不宜超過(guò)10?,因此本文認(rèn)為桿塔接地電阻為10?。另外經(jīng)調(diào)研得知,目前投運(yùn)的±500kV直流輸電線路桿塔的接地電阻也在5~15?范圍內(nèi)。表1為雙極平衡運(yùn)行方式下的直流線路過(guò)電壓的仿真計(jì)算結(jié)果,其中括號(hào)外的值是在分裂間距為50cm時(shí)計(jì)算得出的,括號(hào)內(nèi)的值是在分裂間距為45cm時(shí)計(jì)算得出的,對(duì)于線路中點(diǎn)故障,斜線左邊為故障極數(shù)值,斜線右邊為非故障極數(shù)值。從表1可以看出,在雙極平衡運(yùn)行方式下,對(duì)分裂間距為50cm的直流線路過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果表明,靠近整流側(cè)的直流線路最大暫態(tài)電壓、靠近直流線路中點(diǎn)的最大暫態(tài)電壓和靠近逆變側(cè)的直流線路最大暫態(tài)電壓均出現(xiàn)在額定功率逆變側(cè)不投旁通對(duì)緊急停運(yùn)中,分別為1276kV、1454kV和1383kV。對(duì)分裂間距為45cm的直流線路過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果表明,靠近整流側(cè)直流線路最大暫態(tài)電壓、靠近直流線路中點(diǎn)最大暫態(tài)電壓和靠近逆變側(cè)直流線路最大暫態(tài)電壓均出現(xiàn)在額定功率逆變側(cè)不投旁通對(duì)緊急停運(yùn)中,分別為1274kV、1422kV和1377kV。圖1為直流導(dǎo)線分裂間距為50cm時(shí),雙極額定功率運(yùn)行直流線路中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)的波形。1.3直流線路各點(diǎn)是否出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題直流系統(tǒng)單極金屬回線運(yùn)行方式下,當(dāng)發(fā)生以下故障時(shí),直流線路整流側(cè)、逆變側(cè)和線路中點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。本節(jié)對(duì)以下幾種故障進(jìn)行了仿真計(jì)算:1)逆變側(cè)直流線路出口發(fā)生對(duì)地短路故障;2)逆變側(cè)直流線路中點(diǎn)發(fā)生對(duì)地短路故障。計(jì)算中考慮線路輸送額定功率的情況,桿塔接地電阻按照10?來(lái)考慮。表2為單極金屬運(yùn)行方式下直流線路過(guò)電壓的仿真計(jì)算結(jié)果,其中括號(hào)外的值是在分裂間距為50cm時(shí)計(jì)算得出的,括號(hào)內(nèi)的值是在分裂間距為45cm時(shí)計(jì)算得出的。從表2可以看出,直流線路各點(diǎn)未出現(xiàn)過(guò)電壓。以上計(jì)算結(jié)果表明,直流線路沿線最大暫態(tài)過(guò)電壓出現(xiàn)在逆變側(cè)不投旁通對(duì)緊急停運(yùn)時(shí)靠近直流線路中點(diǎn)處,當(dāng)導(dǎo)線分裂間距為50cm時(shí),線路中點(diǎn)電壓為1454kV,當(dāng)導(dǎo)線分裂間距為45cm時(shí),線路中點(diǎn)電壓為1422kV。如不考慮該種故障形式,則直流線路沿線最大暫態(tài)過(guò)電壓出現(xiàn)在0.1pu功率下,線路中點(diǎn)故障且導(dǎo)線分裂間距為50cm時(shí),非故障極線路中點(diǎn)為1308kV,線路中點(diǎn)故障且導(dǎo)線分裂間距為45cm時(shí),非故障極線路中點(diǎn)電壓為1308kV。根據(jù)錦屏—蘇南直流輸電工程的初步設(shè)計(jì)方案,受端交流出線有4條,而額定雙極輸送容量為7200MW又比較大,因此在額定運(yùn)行情況下不可能出現(xiàn)只有一回出線運(yùn)行的情況,從而不可能出現(xiàn)最后一個(gè)斷路器跳閘的情況。另外本文對(duì)輸送0.1pu負(fù)荷的情況下最后一個(gè)斷路器跳閘的情況進(jìn)行了仿真計(jì)算,直流線路上未出現(xiàn)過(guò)電壓。鑒于以上原因,從限制系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓的角度來(lái)說(shuō),可以不考慮最后一個(gè)斷路器跳閘的情況。2直流線路暫態(tài)電壓分析本文通過(guò)模擬直流工程雙極額定運(yùn)行方式下線路沿線各點(diǎn)的接地故障,對(duì)直流線路沿線各點(diǎn)最大過(guò)電壓進(jìn)行了仿真研究,研究中導(dǎo)線分裂間距選用50cm,桿塔接地電阻選用10?。本文將直流線路分為30段,靠近線路中部分段較多,最小段距離為10km,靠近線路兩端分段較少,最大段距離為100km。從整流側(cè)出口沿直流線路每段間均進(jìn)行線路接地故障仿真計(jì)算(共31處),記錄故障期間故障極和非故障極直流線路暫態(tài)過(guò)電壓最大值及最大值所在位置,詳細(xì)研究直流線路沿線過(guò)電壓的分布情況。圖2給出了直流線路沿線過(guò)電壓水平的包絡(luò)線。研究結(jié)果表明,直流線路上中點(diǎn)對(duì)地故障引起的折反射電磁波在線路中點(diǎn)的疊加使直流線路中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí),非故障極線路中點(diǎn)過(guò)電壓水平最高,其值為1283kV,即1.57pu,距離線路中點(diǎn)2km外,過(guò)電壓水平降為1242kV,即1.52pu,距離中點(diǎn)100km外,過(guò)電壓水平降到1230kV以下,即1.5pu。3直流電線路短路電流建模與分析本文針對(duì)直流工程雙極額定運(yùn)行方式下線路沿線各點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)的短路電流進(jìn)行了仿真研究,研究中導(dǎo)線分裂間距選用50cm,桿塔接地電阻選用10?。與進(jìn)行直流線路沿線過(guò)電壓的研究結(jié)果相同,將直流線路分為30段,靠近線路中部分段較多,最小段距離為10km,靠近線路兩端分段較少,最大段距離為100km,共在31處進(jìn)行對(duì)地故障的模擬?？紤]到雙極平衡運(yùn)行與單極大地回線運(yùn)行方式下的短路電流基本相同,而單極金屬回線方式下短路電流比雙極平衡運(yùn)行時(shí)略低,本節(jié)選擇在雙極平衡運(yùn)行方式下對(duì)直流線路沿線對(duì)地故障短路電流進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,整流側(cè)出口發(fā)生線路接地故障時(shí),因短路電流不流經(jīng)直流線路直接入地,短路電流最大,其值為9.16kA。除整流側(cè)出口外,線路其它各點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),短路電流最大值為8.02kA,最小值為5.16kA。除直流線路整流側(cè)出口對(duì)地故障外,其它線路各點(diǎn)短路電流變化的總體趨勢(shì)是隨故障點(diǎn)距離逆變側(cè)距離的縮短,短路電流幅值略有上升,這主要是因?yàn)橹绷骶€路電容上積蓄的電荷向短路點(diǎn)放電。圖3為直流線路不同位置接地故障時(shí)短路電流的包絡(luò)線。4考慮工程參數(shù)對(duì)內(nèi)電壓的影響1)將錦屏—蘇南特高壓直流輸電線路電磁暫態(tài)研究結(jié)果與向家壩—南匯特高壓直流輸電線路電磁暫態(tài)研究結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),直流線路的過(guò)電壓水平與線路長(zhǎng)度、導(dǎo)線型號(hào)和桿塔參數(shù)、桿塔接地電阻、輸送容量、平波電抗器、直流濾