特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析

特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析

0特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性半波長(zhǎng)通信技術(shù)是指電壓距離接近1個(gè)工頻半波，即3000km（50hz）的超級(jí)短距離通信技術(shù)。與傳統(tǒng)交流輸電方式相比,半波長(zhǎng)輸電線路不需要安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置,不需加設(shè)中間開(kāi)關(guān)站,過(guò)電壓水平不高,一般不超過(guò)中等距離的交流輸電線路。近年來(lái),全球應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn),特高壓半波長(zhǎng)交流輸電技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家的廣泛關(guān)注。研究特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)中輸電線路的穩(wěn)態(tài)特性,對(duì)于未來(lái)將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程,解決我國(guó)目前面臨的能源結(jié)構(gòu)問(wèn)題,有著重要的科學(xué)價(jià)值和潛在的應(yīng)用前景。本文首先從多導(dǎo)體傳輸線理論入手,結(jié)合我國(guó)特高壓交流輸電工程的實(shí)際情況,建立半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)的電路模型。然后基于所建模型,分析空載、輕載、匹配、重載等負(fù)載特性對(duì)輸電線路沿線電壓、電流、線路損耗、電暈損耗的影響。最后研究半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)受端分別接感性負(fù)載和容性負(fù)載2種情況下,功率因數(shù)對(duì)傳輸線路沿線電壓、電流的影響。1多導(dǎo)電傳輸線非線性模型由于半波長(zhǎng)交流輸電線路的長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)可以比較,為了保證輸電線路沿線電壓、電流分析的正確性,不能夠再使用集總參數(shù)電路模型,必須采用分布參數(shù)電路模型。為了便于分析,在此應(yīng)用均勻傳輸線模擬半波長(zhǎng)輸電線路,即傳輸線單位長(zhǎng)度的電感、電阻、電容、電導(dǎo)沿線是均勻分布的。根據(jù)多導(dǎo)體傳輸線理論、電磁場(chǎng)理論,結(jié)合我國(guó)特高壓交流輸電工程線路及輸變電設(shè)備的實(shí)際情況,基于導(dǎo)線水平和三角2種排列方式,考慮趨膚效應(yīng)、大地有限電導(dǎo)率、電暈損耗及線路的循環(huán)換位等因素對(duì)半波長(zhǎng)輸電線路的影響,計(jì)算了半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)中的系統(tǒng)參數(shù)及線路參數(shù),應(yīng)用多導(dǎo)體傳輸線理論,建立了半波長(zhǎng)輸電系統(tǒng)的等效電路模型,如圖1所示。圖1中US為輸電線路的等效電源,Xd1為三繞組變壓器高壓側(cè)的電抗。由傳輸線理論可知,均勻傳輸線電報(bào)方程的正弦穩(wěn)態(tài)解為式中:為線路的特征阻抗;為線路的傳播常數(shù);0L、0R、0C和0G分別為傳輸線單位長(zhǎng)度上的電感、電阻、電容和電導(dǎo)。根據(jù)圖1所示的等效電路模型,半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)滿足如下邊界條件若已知傳輸線受端的電壓和電流,由方程式(1)—(3)就可以得到半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)中沿線電壓和沿線電流的分布。2穩(wěn)定操作特征2.1電路沿線電壓和電流的分布特性2.1.1負(fù)載匹配情況下半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)沿線電流的相位假設(shè)受端電壓U2(l)=1∠0pu,特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)在空載、輕載、匹配、重載等負(fù)載情況下,輸電線路沿線電壓的分布特性如圖2所示。圖中S0為自然功率,根據(jù)電路模型S0=4357kW。從圖2可看出,當(dāng)系統(tǒng)空載時(shí),輸電線路兩端電壓接近于負(fù)載匹配時(shí)的電壓,而中間點(diǎn)電壓接近于0;在負(fù)載由輕載變化到匹配的過(guò)程中,沿線電壓逐漸接近于負(fù)載匹配時(shí)的電壓,負(fù)載越接近于匹配情況,沿線電壓的變化幅度越小;在負(fù)載由匹配到重載的變化過(guò)程中,沿線電壓均高于自然功率時(shí)相應(yīng)的電壓,重載情況越輕,沿線電壓的變化幅度越小。通過(guò)計(jì)算空載、輕載、匹配、重載等負(fù)載情況下半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)沿線電壓的相位,得出沿線電壓相量的軌跡圖,如圖3所示。由圖3可知:空載時(shí),送端電壓與受端電壓的相位差約為180.3°,基本上是反相的,中點(diǎn)電壓與受端電壓的相位差約為145.4°;在輕載、匹配、重載情況下,送端電壓與受端電壓的相位差為182.5°~189°,中點(diǎn)電壓與受端電壓的相位差為91°~95°。計(jì)算了半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)在空載、輕載、匹配、重載等負(fù)載情況下輸電線路的沿線電流,其分布特性如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)系統(tǒng)空載時(shí),輸電線路兩端電流低于負(fù)載匹配時(shí)的電流,而中間點(diǎn)電流接近于負(fù)載匹配時(shí)的電流;在負(fù)載由輕載變化到匹配的過(guò)程中,沿線電流逐漸接近于負(fù)載匹配時(shí)的電流,負(fù)載越接近于匹配情況,沿線電流的變化幅度越小;在負(fù)載由匹配到重載的變化過(guò)程中,沿線電流均高于自然功率時(shí)相應(yīng)的電流,重載情況越輕,其變化幅度越小。通過(guò)分析空載、輕載、匹配、重載等負(fù)載情況下特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)沿線電流的相位,可以知道:空載時(shí),送端電流與受端電流的相位差約為236.4°,中點(diǎn)電流與受端電流的相位差約為91°;在輕載、匹配、重載情況下,送端電流與受端電流的相位差為182°~189°,中點(diǎn)電流與受端電流的相位差為91°~94.5°,隨著負(fù)載的增大,沿線電流相量實(shí)部的增幅較虛部的增幅更大一些。2.1.2各線路待考內(nèi)高、電流小時(shí)限內(nèi)傳播特性分析當(dāng)輸電線路受端發(fā)生三相短路故障時(shí),特高壓半波長(zhǎng)交統(tǒng)輸電線路沿線電壓、電流的分布特性如圖5所示。由圖5可知:三相短路時(shí),輸電線路送端的電壓很低,線路中間段出現(xiàn)高電壓,最高接近于10.2倍的基準(zhǔn)電壓;線路中間段的電流很低;但輸電線路兩端的電流比較高,最高接近于25kA。2.2線路損耗分布特性對(duì)特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)在空載、輕載、匹配、重載等負(fù)載情況下,輸電線路的線路損耗、電暈損耗進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知:系統(tǒng)空載時(shí),輸電線路總線路損耗和總電暈損耗均最小;在負(fù)載由輕載變化到匹配的過(guò)程中,總線路損耗和總電暈損耗均低于負(fù)載匹配時(shí)相應(yīng)的量值;在負(fù)載由匹配到重載的變化過(guò)程中,總線路損耗和總電暈損耗均高于負(fù)載匹配時(shí)相應(yīng)的量值。當(dāng)系統(tǒng)受端發(fā)生三相短路時(shí),輸電線路線路損耗與電暈損耗的分布特性如圖6所示。由圖6可知:送端和受端的線路損耗較大,線路中點(diǎn)處的線路損耗接近于0;系統(tǒng)送端和受端的電暈損失接近于0;線路中點(diǎn)處的電暈損失最大;受端發(fā)生三相短路時(shí),總線路損耗和總電暈損耗非常大,應(yīng)及時(shí)切除三相短路故障。2.3影響因素的影響2.3.1負(fù)載匹配時(shí),各系數(shù)時(shí)最大陣風(fēng)下輸電線路延線電流和接收量在輕載情況下,隨著負(fù)載功率因數(shù)的增加,送端電壓和中點(diǎn)電壓逐漸減小,送端電壓先低于中點(diǎn)電壓,當(dāng)功率因數(shù)增加到某一值時(shí),送端電壓會(huì)高于中點(diǎn)電壓;當(dāng)功率因數(shù)很低時(shí),線路中點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象;功率因數(shù)越高,負(fù)載越接近于匹配負(fù)載,沿線電壓的變化幅度越小。當(dāng)負(fù)載匹配時(shí),輸電線路沿線電壓隨功率因數(shù)的變化曲線如圖7所示,由圖7可知,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓和中點(diǎn)電壓最終減小到與受端電壓相等的量值。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓和中點(diǎn)電壓也逐漸減小,但送端電壓和受端電壓始終低于中點(diǎn)電壓。在輕載情況下,隨著負(fù)載功率因數(shù)的增加,送端電流和中點(diǎn)電流逐漸減小,送端電流和受端電流先高于中點(diǎn)電流,當(dāng)功率因數(shù)增加到某一值時(shí),送端電流和受端電流又低于中點(diǎn)電流。當(dāng)負(fù)載為匹配負(fù)載時(shí),隨著功率因數(shù)的增加,送端電流和受端電流最終減小到與中點(diǎn)電流相等的量值,輸電線路延線電流隨功率因數(shù)的變化曲線如圖8所示。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端電流和受端電流始終高于中點(diǎn)電流,而送端電流又略高于受端電流。2.3.2負(fù)載級(jí)數(shù)對(duì)接感負(fù)載和容性負(fù)載后電壓、電流的影響在輕載情況下,隨著負(fù)載功率因數(shù)的增加,送端電壓緩慢增大,中點(diǎn)電壓逐漸減小,當(dāng)功率因數(shù)增加到某一值時(shí),送端電壓會(huì)高于中點(diǎn)電壓;當(dāng)功率因數(shù)很低時(shí),線路中點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象;功率因數(shù)越高,負(fù)載越接近于匹配負(fù)載,沿線電壓的變化幅度越小。當(dāng)負(fù)載匹配時(shí),輸電線路延線電壓隨功率因數(shù)的變化曲線如圖9所示,由圖9可知,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓最終增加到與受端電壓相等的量值,中點(diǎn)電壓最終減小到與受端電壓相等的量值。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓逐緩慢增大,中點(diǎn)電壓逐漸減小,但送端電壓和受端電壓始終低于中點(diǎn)電壓。在輕載情況下,隨著負(fù)載功率因數(shù)的增加,送端電流和受端電流均逐漸減小,中點(diǎn)電流緩慢地增大,送端和受端電流先高于中點(diǎn)電流,當(dāng)功率因數(shù)增加到某一值時(shí),送端和受端電流又低于中點(diǎn)電流和受端電流最終減小到與中點(diǎn)電流相等的量值,輸電線路沿線電流隨功率因數(shù)的變化曲線如圖10所示。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端和受端電流均逐漸減小,始終高于中點(diǎn)電流,送端電流又略高于受端電流。通過(guò)比較可知,系統(tǒng)受端接感性負(fù)載和容性負(fù)載時(shí)電壓、電流的主要區(qū)別在于:接感性負(fù)載時(shí),隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓、中點(diǎn)電壓、沿線電流是逐漸減小的;而接容性負(fù)載時(shí),隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓是逐漸增加的,中點(diǎn)電壓是逐漸減小的,送端電流和受端電流也是逐漸減小的,但中點(diǎn)電流是緩慢增加的。2種負(fù)載情況下,負(fù)載功率因數(shù)越高,線路的電壓和電流越穩(wěn)定。3線路損耗及電暈損失分別比較了空載、輕載、匹配及重載等情況下,特高壓半波長(zhǎng)交流輸電系統(tǒng)在水平排列和三角排列2種方式下線路電壓、電流、線路損耗及電暈損失,結(jié)果分別列于表2—4中。由表2、3可知,在負(fù)載相同的情況下,水平排列時(shí)送端電壓略高于三角排列時(shí)的相應(yīng)量值,電流略低于三角排列時(shí)的相應(yīng)量值。由表4可知,水平排列時(shí)傳輸線路的總線路損耗和總電暈損失基本上均高于三角排列時(shí)的相應(yīng)量值,但在受端三相短路情況下,水平排列時(shí)傳輸線路的總線路損耗和電總暈損失卻低于三角排列時(shí)的相應(yīng)量值。4接容性負(fù)載時(shí)最大情況時(shí)接端電壓和電流1)空載時(shí),送端電壓和受端電壓接近于負(fù)載匹配時(shí)相應(yīng)的電壓,送端電壓與受端電壓的相位基本是反相的,而中點(diǎn)電壓接近于0;送端電流和受端電流遠(yuǎn)低于負(fù)載匹配時(shí)的電流,而中點(diǎn)電流接近于負(fù)載匹配時(shí)的電流。輕載時(shí),沿線電壓、沿線電流、線路損耗及電暈損耗均低于負(fù)載匹配時(shí)相應(yīng)的量值。重載時(shí),沿線電壓、沿線電流、線路損耗及電暈損耗均高于負(fù)載匹配時(shí)相應(yīng)的量值。2)接感性負(fù)載時(shí),隨著功率因素的增加,送端電壓緩慢減小,中點(diǎn)電壓減小的幅度較大;兩端電流逐漸減小,但變化幅度較大,中點(diǎn)電流則緩慢減小。接容性負(fù)載時(shí),隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓緩慢增大,中點(diǎn)電壓逐漸減小;兩端電流逐漸減小,但變化幅度較大,中點(diǎn)電流緩慢地增大。當(dāng)功率因數(shù)很低時(shí),線路中點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)電壓,負(fù)載過(guò)大時(shí),送端也會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。功率因數(shù)越高,線路電壓和電流越穩(wěn)定。3)三相短路時(shí),送端不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓,中點(diǎn)處產(chǎn)生過(guò)電壓;送端和受端電流很大,但中點(diǎn)電流較小;中點(diǎn)處的線路損耗接近于0,電暈損失最大,而送端和受端的線路損耗較大,電暈損失卻接近于0。4)輕載、匹配和重載情況下,水平排列方式下送端、中點(diǎn)的電壓均略高于