并聯(lián)高抗中性點小電抗補償原理分析及參數(shù)選擇方法

1、并聯(lián)高抗中性點小電抗補償原理分析及參數(shù)選擇方法并聯(lián)高抗中性點接小電抗四線補償?shù)乃枷胧峭ㄟ^對導(dǎo)線相問電容的補償來隔離相間聯(lián)系,削弱潛供電流與恢復(fù)電壓的電容性分量,此時小電抗進行的是二次補償.在系統(tǒng)不同的運行情況下,小電抗器參數(shù)選擇的原那么和方法也不相同.2.1 等值電源定理分析小電抗二次補償高抗中性點加小電抗四線補償原理示意圖見圖1-4.高抗中性點經(jīng)過小電抗器接地后的電路見圖2-1a0Xl為三相電感,Xn為中性點單相電感.圖2-1四線補償系統(tǒng)等效電路圖圖2-1a所示的四線補償系統(tǒng)經(jīng)星-角變換得到圖2-1b所示的系統(tǒng)等效電路.其中以上兩種形式的電路參數(shù)滿足如下關(guān)系Xld=Xl03Xn(2-1)Y_

2、3XlXl09XlXnXL12一3XnXlo-Xl式中,XL0為小電抗接入前系統(tǒng)對地等效阻抗；Xld和XL12為小電抗接入后系統(tǒng)等效對地阻抗與相間阻抗.對于三相單相電抗器Xlo=Xl,那么可變換為Xld區(qū)3Xn?2-2Xl12=Xl2/X03XlI通過式2-1和2-2可知高抗Xl、對地阻抗Xld和相間阻抗Xl12的容量存在以下等式關(guān)系.UN(.3Un)2UNr=XLDXL12Xl由式(2-3)可知,圖抗的容量等于對地電抗和相間電抗的容量之和,小電抗的投入并未改變實際的補償容量,其所起的作用只是令高抗的容量合理的分配至相間與相對地兩局部.小電抗器Xn的投入,其作用是等效產(chǎn)生了相間感抗來補償導(dǎo)線相

3、之間電容,而高抗只是補償回路的對地電容,故小電抗進行的是二次補償1,70單回線路高抗中性點接小電抗器主要是為了限制容性分量潛供電流,其流通回路如圖2-2(a)所示,應(yīng)用等值電源定理,可簡化得到圖2-2(b)所示的單相等值電路.其中,C12為相間等效的電容,Lli2為相間等效的電感,金為相地等效的圖2-2(a)容性分量電流流通等效回路圖2-2(b)等值電源定理化簡的等值電路可以看出,欲要使接地通道流過的潛供電流為最小,那么需使2G2的阻抗值和XL12/2相等,使得線路的相間阻抗參數(shù)成開路狀態(tài),即使故障相A相的電壓為零.由此可知1.®C122-4XL12Xci2和四線補償其物理意義由圖2

4、-2b可以得出,即使線路相間等效的容抗系統(tǒng)的相間等效感抗XL12組成并聯(lián)諧振,線路相間趨于開路.將式2-1代入式2-4整理后得XnX：-3Xl.JXl-XL0+3(2-5)此時導(dǎo)線相間電容被完全補償,小電抗最大限度的促進了二次電弧的熄滅,限制了恢復(fù)電壓.一般情況小電抗器最正確理論參數(shù)值均按對導(dǎo)線相間容抗近似有全補償來設(shè)計13.假設(shè)超高壓線路的高抗由三個單相電感組成,那么存在Xl=Xlo,止匕時,式2-5可轉(zhuǎn)化為Xn(2-6)X2-3Xl,C12設(shè)并聯(lián)高抗高抗結(jié)構(gòu)為三相單相電抗的補償度T,結(jié)合超高壓正序、零序電容CCo的關(guān)系,那么中性點小電抗值表示為XnXlTC1/C12-31TC1TC1/C1

5、2-3(2-7).Q,1其中,T為線路中并聯(lián)電抗的補償度,T=；500kV全線正、零序、QcGXl相間電谷Ci、C0、C12關(guān)系可表小為C12=C1-C0y3O2.2 對稱分量法分析小電抗二次補償使用對稱分量法5,14,分析圖1-1可得,超高壓系統(tǒng)非全相運行A相斷開,發(fā)生縱向故障時故障處的邊界條件為IA=0UB=UC=0L式中,I*A為通過A相上開關(guān)的電流,Ub和Uc分別為B、C兩相開關(guān)之間電壓.使用對稱分量法分析,由式2-8可得使用序分量所表示的邊界條件為|1十|2十|0=02-9U1=U2=U0式中,I；I;和I.分別為斷線上的正、負和零序電流；Ui、U2和U.分別為斷口處對地的正、負和零

6、電壓.由式2-9可得如下列圖的系統(tǒng)發(fā)生A相斷相時系統(tǒng)的復(fù)合序網(wǎng)圖14.Zi、Z2和Z0分別為線路首端的三序阻抗,且有Zi=Z2o假設(shè)將輸電線路按集中式參數(shù)計算,圖2-3A相斷相時的系統(tǒng)復(fù)合序網(wǎng)電路圖由圖2-3可得,開斷相A相對地電壓為(2-10)一-Z1-Z0*Xi-X0Ua=UiU2U0=EaEaZi2Z0Xi2X0式中,Xi=Xci/Xli,X0=Xc0/Xl0；線路的等效電抗較容抗小得多,可忽略.當(dāng)線路中加裝有并聯(lián)電抗器L.AL0時,由式2-i0和Ci與C0之間的關(guān)系可得此時開斷相對地電壓為Ua=EaLi-L32LL°Ci2Li2L0-32LiL0C02Ci2(2-ii)當(dāng)式2

7、-11中分母T0,UaT8時,發(fā)生諧振.可得諧振條件為3c02cl2=1Lo(2-12)對于三相單相電抗器L=Lo,諧振條件為,Co2C12,Co2cl(2-13)1由式2-10可知,假設(shè)能使Lo>L1,且=M與,那么能實現(xiàn)正序、零序網(wǎng)絡(luò)均,LoCo為欠補償,X1和Xo均呈電容性,系統(tǒng)不出現(xiàn)諧振,電壓Ua那么不會超過電動勢Ea0假設(shè)高抗經(jīng)小電抗Xn接地,可得到類似圖2-3的復(fù)合序網(wǎng)圖,只是此時四線補償系統(tǒng)的等效零序電抗Xld=XLo+3Xn,那么線路的等效零序電抗Xo=XcoXld,是可以出現(xiàn)L0ALi的情況.因此只要小電抗參數(shù)Xn選擇適當(dāng),那么可防止出現(xiàn)諧振現(xiàn)象,即使式2-10中分子t

8、0,開斷相A相的電壓Ua-*0.由式2-10可得XL-XL0XL1XL0(2-14)3C12-3Xl1,C12當(dāng)并聯(lián)高抗由三個單相電感組成時,小電抗取值計算式如下XnX2(2-15)3Xl',C12當(dāng)小電抗參數(shù)Xn按式2-14與2-15選擇時,超高壓送電線路不會出現(xiàn)諧振.2.3中性點小電抗參數(shù)的選擇隨著超高壓、特高壓送電技術(shù)逐漸成熟,在不同送電技術(shù)和線路設(shè)備組合的情況下,如何選取小電抗數(shù)值才能最大限度的發(fā)揮小電抗的補償效果成為專業(yè)研究人員重點研究問題.下面就該問題進行討論表達.2.3.1 單回線路的小電抗參數(shù)選擇當(dāng)根據(jù)式2-6選取小電抗后,小電抗可最大限度的促進潛供電弧的熄滅,同理,由

9、相間阻抗和故障相對地阻抗分壓形成的容性恢復(fù)電壓分量,線路相間形成諧振狀態(tài),相間阻抗很大,相對地電容C0被等效對地電抗局部補償,相對地阻抗Xld相對來說較小,從而使故障相對地阻抗上電壓較小,即故障相容性分量恢復(fù)電壓很小,進而使得恢復(fù)電壓的幅值大大降低,從而到達快速滅弧甚至電弧自熄的目的.同時,由于對地電容也被等效對地電抗局部補償,潛供電流感性分量回路上的阻抗顯著增加,而其感應(yīng)電動勢并未變化,這樣使得感性分量電流的幅值也會有較大的降低.但需要指出的是,中性點小電抗投入的主要目的是通過完全補償導(dǎo)線相間電容進而限制容性分量的電流與電壓,雖然等效對地電感對感性分量有一定的限制效果,但這不是主要目的.由式

10、2-7可知,一般不宜通過刻意提升高抗補償度T使對地電容得到更大程度補償?shù)姆绞絹硐拗茲摴╇娏鞲行苑至?,由于如果補償度過高,可能會帶來諧振的危險.如在全補償條件下T=1,四線補償系統(tǒng)的正序電感阻抗Xl等于線路的正序電容阻抗1/缶Ci,此外,由于中性點小電抗Xn的投入,當(dāng)小電抗取值適宜時,四線補償系統(tǒng)的等效相間電感阻抗Xl12等于相間電容阻抗1/«C12,同時四線補償系統(tǒng)的等效零序電感阻抗X0=3Xn+Xl等于導(dǎo)線的對地電容阻抗1/oC0,此時相間電抗和對地電抗均被完全補償,兩者均形成并聯(lián)諧振回路.這樣當(dāng)單相斷開和一次電弧熄滅后,二次電流傳遞回路乃是3個并聯(lián)諧振回路電路網(wǎng)如圖2-4所示.

11、恢復(fù)電壓Uh成為不確定值,甚至?xí)够謴?fù)電壓幅值大幅提升,實際那么決定于回路的損耗性電阻,不利于潛供電弧的熄滅.圖2-4系統(tǒng)等值計算電路8,9,10,13故,考慮到帶高抗補償?shù)某?、特高壓送電線路,應(yīng)該避開高抗全補償時的運行狀況.由于在小電抗取不同值時,可能會發(fā)生導(dǎo)線相間亦或?qū)Ь€相地諧振.現(xiàn)計算小電抗器的選值范圍,設(shè)導(dǎo)線相間出現(xiàn)諧振時將小電抗值定為Xnp,導(dǎo)線相地出現(xiàn)諧振時將小電抗值定為Xn0o當(dāng)Xn<Xnp時,相間呈容性電抗；當(dāng)XnAXnp時,相間呈感性電抗；當(dāng)Xn<Xn.時,相地電抗為感性；當(dāng)XnXn0時,相地電抗為容性.在高抗為欠補償運行的條件下,T<1,有Xl>Xc

12、i,當(dāng)小電抗阻抗值為Xnp時,存在Xo>Xc0,從而可得此時Xn0<Xnpo故在欠補償運行條件下：當(dāng)Xn<Xn0<Xnp時,相間有容性電抗,相地有感性電抗；當(dāng)Xn>XnpXn0時,相間有感性電抗,相地有容性電抗；當(dāng)Xn0<Xn<Xnp時,相之間有容性電抗,相地有容性感抗.所以當(dāng)小電抗器的選值范圍為Xn0<Xn<Xnp時,相之間電抗與相地間電抗才都為容性,故障相才不會形成用聯(lián)線性諧振回路,就避開了工頻諧振過電壓.因而,在四線補償?shù)南到y(tǒng)中,最正確小電抗理論值應(yīng)按全抵償線路相間容抗的原那么來確定,而在實際運行中,根據(jù)科學(xué)研究和工程運行經(jīng)驗,中性點

13、小電抗值確實定范圍10,15較大,沒必要必須選取該最正確理論值,而以能夠滿足線路允許故障相工頻諧振傳遞過電壓和潛供電流大小4,8,17的要求為原那么,同時應(yīng)避開高抗全補償時的運行狀況.通過計算,一些500kV超高壓送變電線路通常選擇補償度TW0.95或T>1,052.3.2 雙回線路的小電抗參數(shù)選擇在超、特高壓電網(wǎng)中,送電電壓等級不斷提升,電網(wǎng)規(guī)模進一步擴大,為輸送大功率電能,往往要求順著同一走線方向或同一線路通道,并行同桿或不同桿架設(shè)有兩回甚至多回主干輸電線路180這時,可供考慮的建設(shè)方案有兩種,一為多回送電線路的同桿并架,二為單回線路分開單桿架設(shè).通常情況下估算500kV超高壓兩回路

14、走廊的寬度為5560m,而2條單回線路走廊的寬總和可達110120m.由此可知,以同桿兩回線替換2個單回線運行,線路走廊寬度那么可減小1/2,這無疑擁有很高的經(jīng)濟與社會效益.因此具有節(jié)省輸電線路走廊,社會經(jīng)濟價值高等優(yōu)點的同桿雙回乃至多回送電技術(shù)在中國的超、特高壓線路中已得到建設(shè)和推廣,尤其在新建送變電線路工程中占有的比重較大170雙回線路中小電抗仍裝設(shè)于每回路高抗的中性點處.同桿雙回路高抗與小電抗組成的四線補償系統(tǒng)有4種電路連接形式19,見圖2-5oLG方案1ib方於2ACnEFXHCnEK小公小小v4小?。?>小-Jrr/“I1ri_i_rrxM>v5-jXXXc方案3d方案4

15、圖2-5同桿兩回四線補償系統(tǒng)的電路連接圖其中,方案力是雙回路四線補償系統(tǒng)中研究最多的一種.當(dāng)Xm=0或Xn=0時,方案a可分別等效成方案c或方案d0補償方案2目前很少用到.在實際工程中,為了便于裝設(shè),維護便易,節(jié)約器材等方面,可綜合各種電路的長短,采用混合補償方式.由于雙回送電線路的耦合情況更復(fù)雜.系統(tǒng)中不同運行條件、不同故障類型、不同高抗的布置方式等都會導(dǎo)致線路中的潛供電流和恢復(fù)電壓呈現(xiàn)不同的特性.故雙回路中限制潛供電流與恢復(fù)電壓的情況較單回路更復(fù)雜,小電抗參數(shù)值確實定需全面考慮回路自身相間、并行回路之間的容性、感性耦合,使中性點最正確小電抗的阻抗取值更難確定.根據(jù)各種狀況出現(xiàn)的概率,雙回路

16、主要考慮以下兩種運行方式：1單回運行方式；2雙回運行方式.雙回路在不同運行條件下,有不同形式的電容在故障點產(chǎn)生潛供電流,因此也需不同的相間等效電抗來補償這些容抗,故需全面考慮各種運行條件下的理論最正確小電抗參數(shù)值以得到最終的小電抗理論取值1.1一回線路運行,一回線路檢修.此時,耦合情況與單回路相同.易知,容性分量電流均由本回導(dǎo)線相問電容產(chǎn)生,并行回間的耦合電容不但沒有向斷開相供給潛供電流,還分流出本應(yīng)由A相導(dǎo)線對地電容Co進入地面的少量潛供電流.故假設(shè)使此時的潛供電流為最小,只需完全抵償該回導(dǎo)線的相間電容即可.最正確小電抗理想值可按式2-6和式2-7取得.2兩回線路運行方式,系統(tǒng)耦合電路如圖2

17、-6.圖2-6雙回路運行時Ij產(chǎn)生機理(未考慮電抗)圖中,xn為雙回路運行下時最正確理論小電抗值；C12為同一回的導(dǎo)線相問電容；Cea、Ccb、Ccc分別為另一并行回路a、b、c三相對接地相的相間電容.兩回路運行時容性分量潛供電流的流通路徑見圖2-7(a),此時系統(tǒng)等值電路見圖2-7(b)0c°BE(2叫n1久Tc4(Qa-Ccc)%+%小)'.T3I/3/十3GtJ%);如n-,ZZ0+3J0J圖2-7(a)容性分量電流流通回路(未考慮感抗)圖2-7(b)單相開斷時單相等值電路此時,Xli2和XLD分別為考慮高抗和小電抗等值變換得到的等值相間電抗和對地電抗；Cm為雙回路下A相有接地故障時總的相間等效電容,其表達式為Cm=2Ci2+(CCbCCa)+(CCcCCa)(2-16)故,由式(2-16)可得雙回路運行下的最正確理論小電抗值XnXn=Xl22(2-17)-3Xl(2Ci2(CCb-CCa)(CCc-CCa)單回路、兩回路2種運行方式下最正確理論小電抗值不同19,且兩回路運行方