潜供电弧物理特性与抑制技术

第1章 绪论 1.1 研究背景与意义 1.1.1 单相重合闸的应用和意义 随着经济的不断发展，电力需求迅速增加，这为我国电网的发展带来了新的机遇，同时也提出了新的挑战。主要问题体现在［1，2］：①我国一次能源远离负荷中心，大容量长距离输电势在必行，现有的500kV输电线路输送能力有限，不能满足未来长远发展的需求；②基于500kV网架的联网系统，区域交换能力不足，无法满足资源进一步优化配置的需求；③土地资源日趋紧缺，提高单位长度输电走廊的输电容量具有重要的经济与社会意义；④我国电力负荷分布严重不均，华北、华东地区500kV电网短路电流超标现象非常严重，对系统的安全可靠运行非常不利；⑤长链式网架结构动态稳定问题突出；等等。 国家电网有限公司(简称国家电网)结合我国电网发展的现状以及未来发展的趋势，提出了建设1000kV特高压骨干网架的战略构想，通过技术创新从根本上解决上述各项问题。特高压输电线路的造价与传输容量比明显优越于500kV，更适合于长距离、大容量的电力输送和功率交换要求，具有更大的经济性与远期适应性。特高压电网的建设与实施将实现资源的优化配置，对于保障国家能源安全和电力可靠性具有重要意义。 2006年8月，特高压交流试验示范工程通过国家核准；2009年1月6日，晋东南—南阳—荆门特高压试验示范工程一期通过验收并投入试运行；2011年12月16日，经过扩建后的特高压试验示范工程正式投入商业运行，成为我国南北方向的一条重要能源输送通道，进一步提高了华北和华中两大电网之间的电力资源优化配置能力，同时标志着我国电网实现了历史性的跨越［3］。当前，特高压电网建设在我国处于起步阶段，加快研究、进一步完善特高压输电技术，具有重要的学术价值与工程意义。 对于超/特高压输电线路，由于线间距离大，输电线路的故障以单相接地故障为主，其发生数量占总故障的90%，且绝大部分为瞬时性故障。表1.1给出了IEEE统计的500kV输电线路故障类型统计数据［4］。 表1.1 500kV输电线路故障类型统计数据 根据超/特高压输电线路的具体工况及其故障类型的特点，采用单相重合闸具有重要意义［4-10］。 (1) 提高系统的稳定性。采用单相重合闸的输电线路，故障时由于切除的只是故障相而不是三相，故障期间送端和受端并没有完全失去联系，可大大加强两个系统之间的联系，避免系统的解列；发生故障的输电线路，允许单相开断的时间比三相分闸时间要长3～4倍，单相自动重合闸相比三相自动重合闸具有更大的动稳定极限；当采用单相重合闸时，输电线路可进一步增加线路的传输容量，提高线路的输送能力。 (2) 提高供电的可靠性。单侧电源供电的线路发生单相故障而切除故障相时，其他两相仍继续供电，避免了供电的中断，提高了供电的可靠性；特别是当由单侧电源单回线路向重要负荷供电时，单相重合闸的优越性更加显著。 (3) 减小操作过电压水平。单相重合闸操作过电压水平比三相重合闸操作过电压水平平均低约30%，针对超/特高压等级输电线路，采用单相重合闸，降低电网的操作过电压水平会带来显著的经济效益。 (4) 减小对轴系的冲击。单相重合闸可减小对大容量轴系的冲击，特别是降低对大型热电厂的轴扭振度。 (5) 简化系统的操作。由于单相故障只需断路器跳一相，其他两相不跳，减少了断路器的操作次数，延长了检修周期；采用单相重合闸，不存在同期问题；单相重合闸间接减少了并网的次数等。 1.1.2 潜供电弧的形成机理 采用单相重合闸的输电线路，当线路发生故障，故障相切除后，非故障相通过静电耦合与电磁耦合向故障相供电，在故障点形成的电流称为潜供电流，形成的弧光放电称为潜供电弧，潜供电弧熄灭后，弧道两端形成的电压称为恢复电压［4］。 潜供电流与恢复电压是反映潜供电弧特性的两个重要参量。潜供电流中含有静电感应分量和电磁感应分量［4，11，12］。其中，由非故障相电压通过相间电容产生的感应分量称为静电感应分量Isc，如图1.1所示，其值由式(1-1)确定，其中Cm是相间电容；由非故障相电流经相间互感在故障相形成的感应分量称为电磁感应分量Ism，如图1.2所示。 图1.1 静电耦合电路 图1.2 电磁耦合电路 图1.2中，Xm为线路互感，Xs、Xg分别对应并联电抗器小电抗和中性点小电抗，X0、X1为线路零序感抗和正序感抗。 潜供电弧电流与弧道恢复电压中，静电感应分量占了绝大部分，它与线路的结构以及长度有关，与故障点的位置几乎无关，其值主要取决于输电线路的相间电容与线路电压等级。电磁感应分量所占比重较小，它主要取决于线路传输容量、线路结构参数以及故障点位置，其值与线路零序阻抗有很大联系。当故障点在线路中点时，电磁感应分量近似有*小值［4-6］。 发生单相接地故障的输电线路，潜供电弧若不能及时熄灭，将使断路器重合于弧光接地故障，造成重合闸失败。超/特高压输电线路较长，运行电压高，潜供电弧的熄灭是一个技术难题。针对超/特高压工程建设遇到的问题，开展潜供电弧发生机理的实验模拟和仿真建模研究，结合潜供电弧伏安特性的强烈非线性与随机性特征，发展有效的熄灭技术与抑制方法，完善单相重合闸技术，具有重要的理论意义和应用价值。 1.2 潜供电弧的研究现状与关键问题 近几十年来，针对常规输电线路潜供电弧的产生机理、影响因素、熄灭和重燃机制等，国内外学者采用物理实验、数学建模和仿真等手段开展了大量研究工作，多集中于超高压电网［4，7，8］。 潜供电弧的动态物理过程与很多因素密切相关，集中体现为两大类，即确定性因素与非确定性因素。确定性因素主要包括线路长度、电压等级、并联电抗器位置及其补偿度 (或快速接地开关)、杆塔结构等；非确定性因素主要包括故障位置、短路电弧电流及其持续时间、风速大小与方向、弧道恢复电压等［13］。其中，线路长度、电压等级等因素通过影响潜供电流值、恢复电压及其上升率的大小从电气上间接影响潜供电弧的物理特性；而风速大小与方向、短路电弧电流等因素通过作用于弧道而直接影响潜供电弧的发展与重燃特征。潜供电弧的研究现状与关键问题分述如下。 1.2.1 潜供电弧的物理实验 1. 潜供电弧的现场实验 国内外针对超高压输电线路的潜供电弧，进行了大量的现场实验，获得了很多现场数据［14-18］。随着线路电压等级的提高，针对特高压输电线路的潜供电弧现场实验也在进行。具有典型意义的现场实验如下所述。 巴西CEPEL高电压实验室在500kV线路实验段进行了潜供电弧的现场实验。实验线路共包括三个杆塔结构，分为两段。通过人工引弧，模拟产生潜供电弧并进行监测。在这次测试中，短路电弧电流持续1s，频率为60Hz，实验的潜供电弧电流(有效值)分别为60A、100A、150A、200A［14，15］。该实验进一步验证了潜供电弧的非线性特征，通过实验测量得到潜供电弧的各次谐波含量，并研究了长间隙潜供电弧的运动轨迹与熄灭特性，相关实验数据可用作比较和分析低压模拟实验的等价性与有效性。 图1.3(a)为巴西超高压实验线路段上，潜供电弧的引弧装置布置图［14］。绝缘子串两端安装了一套挂钩，铜线安装在绝缘子串两端的挂钩上引燃短路电流。图1.3(b)为潜供电弧的燃烧轨迹。 图1.3 潜供电弧现场实验 俄罗斯的1150kV特高压输电线路，线路长度为500km，线路首端安装并联电抗器3×300Mvar，线路末端安装并联电抗器2×(3×300)Mvar。潜供电弧实验过程中，在线路末端C相*后一基杆塔的绝缘子串两端串接一直径为0.5mm的铜线［16］。线路末端断路器始终断开，当线路首端断路器合闸时，绝缘子串两端的铜线迅速燃烧引燃短路电流，即模拟产生短路电弧。此时保护识别线路故障，信号发送到首端，打开故障相断路器。其他两相依旧运行，潜供电弧在短路电弧通过的弧道中产生，记录并获取了相关电压、电流数据。实测的燃弧时间约为0.30s［17，18］。 我国特高压交流试验示范工程长南线的南阳站进行了人工C相瞬时接地实验［10］。引弧线长度为11m，故障后40ms左右南阳站1000kV断路器分闸，故障后约75ms长治站保护跳开1000kV断路器，直至1s后两侧断路器单相重合成功。实验时的风速约为1.2m/s，北风，实测的燃弧时间为110ms。该实验中微风在短时间内对长达11m的开放电弧的影响较小，电弧呈现为直线形状。短路电弧的弧道粗，亮度大，潜供电弧的弧道细，亮度小，如图1.4所示。 图1.4 特高压交流试验示范工程潜供电弧现场实验 美国、日本、匈牙利、德国针对潜供电弧也做了大量的现场实验和测量工作，很大程度上丰富了潜供电弧物理特性的研究［8，19，20］。潜供电弧的现场实验较为真实地反映了输电线路故障后潜供电弧起始、发展、熄灭、重燃的物理过程，尽管如此，现场实验也存在很多的局限性，集中体现在实验方案、实验次数以及实验条件的限制，同时对于更高电压等级或新型输电方式的线路，当线路还没有建成时，现场实验就无法进行［8］。 2. 潜供电弧的模拟实验 模拟实验是研究潜供电弧特性的重要途径。其基本假定条件为忽略两个端部的电极效应，在其余的全长弧道内，认为每段弧道特性彼此一样，从而在电流、恢复电压梯度值相同的情况下，取其部分长度进行实验，模拟输电线路长间隙潜供电弧［21］。已有潜供电弧模拟实验回路主要针对安装并联电抗器及中性点小电抗的输电线路，有串联实验回路和并联实验回路，两者的主要区别在于潜供电弧熄灭后，弧道恢复电压的频率特性表现不一样，其结构如图1.5所示［8，21-23］。 图1.5 潜供电弧模拟实验回路 图1.5(a)中，CB1、CB2、CB3分别为保护、合闸、投入C1所用的快速断路器。L1是模拟系统的等值电感，实验中用以提供电感性的短路电流；C1是集中电容，用以模拟潜供电弧的电容回路；L2起到模拟小电抗的作用，如果线路上没有并联电抗，即ωI趋近于无穷，上述回路中将只有电容C的支路，取消L形成的支路即可；C2是等值的线对地电容之半，使得在弧道上形成必要的恢复电压。20世纪七八十年代，中国电力科学研究院(简称中国电科院)、陕西电力中心试验研究所等单位针对西北新建330kV线路，采用该电路结构，做了大量的潜供电弧模拟实验［8］。