孙义(1994),男,硕士,工程师,从事电力系统规划工作(E-mail:
刘景晖(1987),男,硕士,高级工程师,从事电力系统规划工作
郑昕雷(1998),男,硕士在读,研究方向为高电压绝缘技术
特高压气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的接入对断路器瞬态恢复电压(TRV)幅值和瞬态恢复电压上升率(RRRV)均会产生影响,可能危及断路器开断能力。文中基于同塔双回特高压交流架空线-双回GIL混合输电线路,利用EMTP-ATP仿真研究变电站内断路器端部发生三相短路故障时,GIL长度、接入位置与GIL引接站测量设备对断路器TRV幅值和RRRV的影响。仿真结果表明,GIL的接入对断路器TRV幅值和RRRV有较大影响;GIL长度增加对TRV幅值产生较大影响,但对RRRV影响较小;为了限制RRRV,应将GIL安装在架空线中段,且应安装金属氧化物避雷器(MOV)限制TRV幅值;GIL引接站测量设备对断路器TRV幅值和RRRV影响均较小。文中研究成果可为含GIL的特高压线路中断路器的TRV计算及参数设计提供参考。
The access of ultra high voltage (UHV) gas-insulated transmission line (GIL) affects both the transient recovery voltage (TRV) amplitude and the rate of rise of TRV (RRRV) of circuit breakers, which may endanger the breaking capacity of circuit breakers. Based on the double-circuit UHV accurate current (AC) overhead line on the same tower and the double-circuit GIL hybrid transmission line, EMTP-ATP simulation is used to study the influence of GIL length, access position and GIL lead station measurement equipment on the TRV amplitude and RRRV of the circuit breaker when a three-phase short-circuit fault occurs at the end of the circuit breaker in the substation. The simulation results show that the access of the GIL has a greater impact on the TRV amplitude and RRRV of the circuit breaker. The increase in the length of the GIL has a greater impact on the TRV amplitude, but the impact on RRRV is small. In order to limit the RRRV, the GIL should be installed in the middle of the overhead line, and the metal oxide varistor (MOV) should be installed to limit the TRV amplitude. The measurement equipment of the GIL terminal station has little effect on the TRV amplitude and RRRV of the circuit breaker. The research results can provide a reference for the TRV calculation and parameter design of circuit breakers in UHV lines with GIL.
近年来,气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line, GIL)技术凭借输送容量大、运行安全、敷设要求低以及经济性好等优势,被广泛运用于特高压输电线路,如苏通GIL综合管廊工程等[
目前国内外学者已针对特高压交流断路器TRV特性开展大量研究。文献[
GIL为近几年兴起的新型输电技术,关于其工程应用的相关研究中,鲜有对含GIL的特高压输电系统断路器TRV特性的研究。文中基于同塔双回特高压交流架空线-双回GIL混合输电线路为例,研究GIL接入位置、GIL长度以及GIL引接站测量设备对断路器TRV的影响,为含GIL输电线路的断路器TRV研究提供参考。
以断路器端部发生单相接地故障为例分析TRV的产生原理,如
单相接地故障电路
Single-phase ground fault circuit
等效电路
Equivalent circuit
假设
由于TRV持续时间极短,一般不超过几百微秒,假设期间
将式(2)代入式(1)得到:
由初始条件
式中:
由式(3)可知,断路器TRV幅值和RRRV与故障类型、回路参数以及发生故障时电源电压相位等因素有关。
基于EMTP-ATP进行仿真建模计算,系统电压等级为交流1 000 kV。输电线路由架空线和GIL组成,其中架空线长300 km,GIL长度为3 km或6 km。考虑GIL直接与变电站出线连接、安装在架空线中断以及纯架空线路3种情况。同时GIL引接站考虑安装电容式电压互感器(capacitor voltage transformer,CVT)或电磁式电压互感器(potential transformer,PT)2种测量设备。上述运行工况,架空线完成一次完整的换位。
架空线为同塔双回布置方式,采用8×630 mm2截面导线,两回线路关于杆塔中心线对称分布,其中一回线路空间参数如
一回线路空间参数
Spatial parameters of one circuit
线路 | 水平距离 | 竖直距离 | 弧垂 |
A相 | 20.2 | 87.2 | 10.4 |
B相 | 20.8 | 66.9 | 10.4 |
C相 | 22.0 | 47.0 | 10.4 |
地线 | 17.3 | 103.3 | 6.2 |
GIL直接与变电站出线连接示意
Schematic diagram of direct connection between GIL and substation outlet
GIL电气参数
Electrical parameters of GIL
参数 | 数值 |
正序、零序电阻/(Ω·m-1) | 1.08×10-5,1.09×10-5 |
正序、零序电抗/(Ω·m-1) | 8.45×10-5,8.43×10-5 |
正序、零序电纳/(S·m-1) | 1.41×10-8,1.41×10-8 |
导体单位长度电阻/(Ω·m-1) | 6.41×10-6 |
导体单位长度电感/(H·m-1) | 2.49×10-7 |
导体单位长度电容/(F·m-1) | 4.48×10-11 |
波阻抗/Ω | 74.55 |
GIS变电站设备参数
Parameters of GIS substation equipment
设备 | 参数 | 数值 |
变压器 | 额定电压/kV | 1 050,525,110 |
额定容量/(MV·A) | 1 000,1 000,334 | |
入口电容/pF | 10 000 | |
并联电抗器 | 三相等效电感/mH | 5 349 |
中性点电感/mH | 1 591.5 | |
套管 | 等效电容/pF | 300 |
断路器 | 等效电容/pF | 1 200 |
隔离开关 | 等效电容/pF | 24 |
发电机出口断路器 | 等效电容/pF | 1 000 |
母线 | 波阻抗/Ω | 95.22 |
文中首先针对不同故障类型计算断路器开断过程TRV参数,结果如
不同故障类型下断路器TRV参数
TRV parameters of circuit breakers under different fault types
故障类型 | 故障位置 | TRV幅值(变电站A) | TRV幅值(变电站B) |
单相接地 | 904.2 | 891.8 | |
883.2 | 784.1 | ||
两相接地短路 | 2 424 | 953.5 | |
961.2 | 1 915 | ||
三相短路 | 2 643 | 1 167 | |
978.6 | 2 604 |
文中考虑GIL长度、接入位置与引接站测量设备对断路器TRV的影响。线路基本配置设定为GIL长度3 km,变电站线路侧及GIL引接站均安装独立敞开式CVT,GIL直接与变电站出线连接。
文中使用EMTP-ATP计算断路器开断故障产生的TRV典型波形,如
TRV典型波形
The typical waveform of TRV
文中结果及现有研究均表明,断路器端部发生三相短路故障时产生的TRV最严重[
不同长度GIL下断路器TRV参数
TRV parameters of circuit breakers under different lengths of GIL
GIL长度/km | 故障位置 | 变电站A | 变电站B | |||
TRV幅值/kV | RRRV/(kV·μs-1) | TRV幅值/kV | RRRV/(kV·μs-1) | |||
0 | 1 089 | 3.15 | 1 462 | 0.73 | ||
1 685 | 1.28 | 1 028 | 3.01 | |||
3 | 1 161 | 2.53 | 1 232 | 2.58 | ||
1 750 | 1.06 | 1 115 | 4.26 | |||
6 | 1 046 | 1.62 | 1 204 | 1.65 | ||
1 779 | 1.04 | 1 203 | 3.84 |
由
相较于纯架空线路,GIL的接入对断路器TRV幅值与RRRV产生一定程度的影响。GIL长度不同,断路器TRV幅值与RRRV也不相同。相较于无GIL线路,接入GIL的线路TRV幅值最大增加175 kV,增幅为17%;RRRV最大升高1.85 kV/μs,增幅为253%,这种情况出现在GIL为3 km,故障发生在
接入GIL以及GIL长度的变化导致线路参数发生改变,进而引起放电回路发生变化。由于GIL的电容大于架空线,阻抗小于架空线,根据
GIL存在2种不同的接入位置:GIL直接与变电站出线连接,如
GIL安装在架空线中段示意
Schematic diagram of GIL installed in the middle section of the overhead line
GIL不同接入位置下断路器TRV参数
TRV parameters of circuit breakers under different access positions of GIL
GIL接入位置 | 故障位置 | 变电站A | 变电站B | |||
TRV幅值/kV | RRRV/(kV·μs-1) | TRV幅值/kV | RRRV/(kV·μs-1) | |||
直接与变电站出线连接 | 1 161 | 2.53 | 1 232 | 2.58 | ||
1 750 | 1.06 | 1 115 | 4.26 | |||
安装在架空线中段 | 1 231 | 0.56 | 1 973 | 1.56 | ||
1 680 | 0.79 | 1 367 | 1.65 |
由
综上所述,GIL安装在线路中段的等效电容较大,而放电回路阻尼相差不大,因此GIL安装在架空线中段可明显降低断路器开断故障时的RRRV,但可能会增加TRV幅值。根据国标中1 000 kV交流断路器T100考核指标,即TRV幅值不超过1 635 kV,RRRV不超过2 kV/μs,GIL应采用安装在架空线中段方式,且需要安装金属氧化物避雷器(metal oxide varistor, MOV)以限制TRV幅值。
输电线路中最常用的测量设备是CVT与电磁式PT。在含有GIL的输电线路中,为了监测GIL运行的安全性,往往在GIL引接站安装CVT或电磁式PT监测其运行电压。测量设备的接入会改变输电线路的整体参数,进而改变断路器切断故障时的TRV波形。文中通过仿真计算比较2种测量设备对断路器TRV波形的影响,其中取独立敞开式CVT对地等效电容为5 000 pF,电磁式PT对地等效电容为200 pF。不同测量设备下断路器TRV参数的计算结果如
不同测量设备下断路器TRV参数
TRV parameters of circuit breakers under different kinds of measuring equipment
测量设备 | 故障位置 | 变电站A | 变电站B | |||
TRV幅值/kV | RRRV/(kV·μs-1) | TRV幅值/kV | RRRV/(kV·μs-1) | |||
CVT | 1 161 | 2.53 | 1 232 | 2.58 | ||
1 750 | 1.06 | 1 115 | 4.26 | |||
电磁式PT | 1 161 | 2.53 | 1 221 | 2.54 | ||
1 745 | 1.04 | 1 107 | 3.83 |
由
GIL引接站测量设备的接入会增大输电线路电容,但测量设备等效电容很小,基本不会对线路整体电容产生很大影响,因此测量设备对断路器TRV影响很小。
含GIL的特高压输电线路与纯架空线在工频电气参数上存在较大差异,导致断路器开断故障时的TRV幅值和RRRV发生改变。文中基于同塔双回特高压交流架空线-双回GIL混合输电线路的仿真建模计算,研究了GIL长度、接入位置与GIL引接站测量设备对断路器TRV波形的影响,结论为:
(1) GIL长度的增加对TRV幅值的影响很小,GIL长度增加3 km时,TRV幅值最大增幅为8%,而RRRV有所减小,最大降幅为36%。
(2) GIL与变电站出线直接相连时,TRV幅值相较于GIL安装在架空线中段时最大降幅为37%,RRRV最大增幅为351%。为了限制RRRV,应将GIL安装在架空线中段,且应安装MOV限制TRV幅值。
(3) GIL引接站安装敞开式CVT或电磁式PT对TRV幅值及RRRV的影响均很小。相较于CVT,使用电磁式PT后TRV幅值最大降幅为0.9%,RRRV最大降幅为10%。
(4) GIL长度、接入位置以及GIL引接站测量设备对断路器TRV幅值影响较小,最大增幅为17%,但对RRRV影响较大,最大增幅为253%。因此在考虑GIL的接入对断路器TRV的影响时,应重点关注RRRV的变化。
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