并联高抗中性点小电抗补偿原理分析及参数选择方法

1、并联高抗中性点小电抗补偿原理分析及参数选择方法并联高抗中性点接小电抗四线补偿的思想是通过对导线相问电容的补偿来隔离相间联系,削弱潜供电流与恢复电压的电容性分量,此时小电抗进行的是二次补偿.在系统不同的运行情况下,小电抗器参数选择的原那么和方法也不相同.2.1 等值电源定理分析小电抗二次补偿高抗中性点加小电抗四线补偿原理示意图见图1-4.高抗中性点经过小电抗器接地后的电路见图2-1a0Xl为三相电感,Xn为中性点单相电感.图2-1四线补偿系统等效电路图图2-1a所示的四线补偿系统经星-角变换得到图2-1b所示的系统等效电路.其中以上两种形式的电路参数满足如下关系Xld=Xl03Xn(2-1)Y_

2、3XlXl09XlXnXL12一3XnXlo-Xl式中,XL0为小电抗接入前系统对地等效阻抗；Xld和XL12为小电抗接入后系统等效对地阻抗与相间阻抗.对于三相单相电抗器Xlo=Xl,那么可变换为Xld区3Xn?2-2Xl12=Xl2/X03XlI通过式2-1和2-2可知高抗Xl、对地阻抗Xld和相间阻抗Xl12的容量存在以下等式关系.UN(.3Un)2UNr=XLDXL12Xl由式(2-3)可知,图抗的容量等于对地电抗和相间电抗的容量之和,小电抗的投入并未改变实际的补偿容量,其所起的作用只是令高抗的容量合理的分配至相间与相对地两局部.小电抗器Xn的投入,其作用是等效产生了相间感抗来补偿导线相

3、之间电容,而高抗只是补偿回路的对地电容,故小电抗进行的是二次补偿1,70单回线路高抗中性点接小电抗器主要是为了限制容性分量潜供电流,其流通回路如图2-2(a)所示,应用等值电源定理,可简化得到图2-2(b)所示的单相等值电路.其中,C12为相间等效的电容,Lli2为相间等效的电感,金为相地等效的图2-2(a)容性分量电流流通等效回路图2-2(b)等值电源定理化简的等值电路可以看出,欲要使接地通道流过的潜供电流为最小,那么需使2G2的阻抗值和XL12/2相等,使得线路的相间阻抗参数成开路状态,即使故障相A相的电压为零.由此可知1.®C122-4XL12Xci2和四线补偿其物理意义由图2

4、-2b可以得出,即使线路相间等效的容抗系统的相间等效感抗XL12组成并联谐振,线路相间趋于开路.将式2-1代入式2-4整理后得XnX：-3Xl.JXl-XL0+3(2-5)此时导线相间电容被完全补偿,小电抗最大限度的促进了二次电弧的熄灭,限制了恢复电压.一般情况小电抗器最正确理论参数值均按对导线相间容抗近似有全补偿来设计13.假设超高压线路的高抗由三个单相电感组成,那么存在Xl=Xlo,止匕时,式2-5可转化为Xn(2-6)X2-3Xl,C12设并联高抗高抗结构为三相单相电抗的补偿度T,结合超高压正序、零序电容CCo的关系,那么中性点小电抗值表示为XnXlTC1/C12-31TC1TC1/C1

5、2-3(2-7).Q,1其中,T为线路中并联电抗的补偿度,T=；500kV全线正、零序、QcGXl相间电谷Ci、C0、C12关系可表小为C12=C1-C0y3O2.2 对称分量法分析小电抗二次补偿使用对称分量法5,14,分析图1-1可得,超高压系统非全相运行A相断开,发生纵向故障时故障处的边界条件为IA=0UB=UC=0L式中,I*A为通过A相上开关的电流,Ub和Uc分别为B、C两相开关之间电压.使用对称分量法分析,由式2-8可得使用序分量所表示的边界条件为|1十|2十|0=02-9U1=U2=U0式中,I；I;和I.分别为断线上的正、负和零序电流；Ui、U2和U.分别为断口处对地的正、负和零

6、电压.由式2-9可得如下列图的系统发生A相断相时系统的复合序网图14.Zi、Z2和Z0分别为线路首端的三序阻抗,且有Zi=Z2o假设将输电线路按集中式参数计算,图2-3A相断相时的系统复合序网电路图由图2-3可得,开断相A相对地电压为(2-10)一-Z1-Z0*Xi-X0Ua=UiU2U0=EaEaZi2Z0Xi2X0式中,Xi=Xci/Xli,X0=Xc0/Xl0；线路的等效电抗较容抗小得多,可忽略.当线路中加装有并联电抗器L.AL0时,由式2-i0和Ci与C0之间的关系可得此时开断相对地电压为Ua=EaLi-L32LL°Ci2Li2L0-32LiL0C02Ci2(2-ii)当式2

7、-11中分母T0,UaT8时,发生谐振.可得谐振条件为3c02cl2=1Lo(2-12)对于三相单相电抗器L=Lo,谐振条件为,Co2C12,Co2cl(2-13)1由式2-10可知,假设能使Lo>L1,且=M与,那么能实现正序、零序网络均,LoCo为欠补偿,X1和Xo均呈电容性,系统不出现谐振,电压Ua那么不会超过电动势Ea0假设高抗经小电抗Xn接地,可得到类似图2-3的复合序网图,只是此时四线补偿系统的等效零序电抗Xld=XLo+3Xn,那么线路的等效零序电抗Xo=XcoXld,是可以出现L0ALi的情况.因此只要小电抗参数Xn选择适当,那么可防止出现谐振现象,即使式2-10中分子t

8、0,开断相A相的电压Ua-*0.由式2-10可得XL-XL0XL1XL0(2-14)3C12-3Xl1,C12当并联高抗由三个单相电感组成时,小电抗取值计算式如下XnX2(2-15)3Xl',C12当小电抗参数Xn按式2-14与2-15选择时,超高压送电线路不会出现谐振.2.3中性点小电抗参数的选择随着超高压、特高压送电技术逐渐成熟,在不同送电技术和线路设备组合的情况下,如何选取小电抗数值才能最大限度的发挥小电抗的补偿效果成为专业研究人员重点研究问题.下面就该问题进行讨论表达.2.3.1 单回线路的小电抗参数选择当根据式2-6选取小电抗后,小电抗可最大限度的促进潜供电弧的熄灭,同理,由

9、相间阻抗和故障相对地阻抗分压形成的容性恢复电压分量,线路相间形成谐振状态,相间阻抗很大,相对地电容C0被等效对地电抗局部补偿,相对地阻抗Xld相对来说较小,从而使故障相对地阻抗上电压较小,即故障相容性分量恢复电压很小,进而使得恢复电压的幅值大大降低,从而到达快速灭弧甚至电弧自熄的目的.同时,由于对地电容也被等效对地电抗局部补偿,潜供电流感性分量回路上的阻抗显著增加,而其感应电动势并未变化,这样使得感性分量电流的幅值也会有较大的降低.但需要指出的是,中性点小电抗投入的主要目的是通过完全补偿导线相间电容进而限制容性分量的电流与电压,虽然等效对地电感对感性分量有一定的限制效果,但这不是主要目的.由式

10、2-7可知,一般不宜通过刻意提升高抗补偿度T使对地电容得到更大程度补偿的方式来限制潜供电流感性分量1,由于如果补偿度过高,可能会带来谐振的危险.如在全补偿条件下T=1,四线补偿系统的正序电感阻抗Xl等于线路的正序电容阻抗1/缶Ci,此外,由于中性点小电抗Xn的投入,当小电抗取值适宜时,四线补偿系统的等效相间电感阻抗Xl12等于相间电容阻抗1/«C12,同时四线补偿系统的等效零序电感阻抗X0=3Xn+Xl等于导线的对地电容阻抗1/oC0,此时相间电抗和对地电抗均被完全补偿,两者均形成并联谐振回路.这样当单相断开和一次电弧熄灭后,二次电流传递回路乃是3个并联谐振回路电路网如图2-4所示.

11、恢复电压Uh成为不确定值,甚至会使恢复电压幅值大幅提升,实际那么决定于回路的损耗性电阻,不利于潜供电弧的熄灭.图2-4系统等值计算电路8,9,10,13故,考虑到带高抗补偿的超、特高压送电线路,应该避开高抗全补偿时的运行状况.由于在小电抗取不同值时,可能会发生导线相间亦或导线相地谐振.现计算小电抗器的选值范围,设导线相间出现谐振时将小电抗值定为Xnp,导线相地出现谐振时将小电抗值定为Xn0o当Xn<Xnp时,相间呈容性电抗；当XnAXnp时,相间呈感性电抗；当Xn<Xn.时,相地电抗为感性；当XnXn0时,相地电抗为容性.在高抗为欠补偿运行的条件下,T<1,有Xl>Xc

12、i,当小电抗阻抗值为Xnp时,存在Xo>Xc0,从而可得此时Xn0<Xnpo故在欠补偿运行条件下：当Xn<Xn0<Xnp时,相间有容性电抗,相地有感性电抗；当Xn>XnpXn0时,相间有感性电抗,相地有容性电抗；当Xn0<Xn<Xnp时,相之间有容性电抗,相地有容性感抗.所以当小电抗器的选值范围为Xn0<Xn<Xnp时,相之间电抗与相地间电抗才都为容性,故障相才不会形成用联线性谐振回路,就避开了工频谐振过电压.因而,在四线补偿的系统中,最正确小电抗理论值应按全抵偿线路相间容抗的原那么来确定,而在实际运行中,根据科学研究和工程运行经验,中性点

13、小电抗值确实定范围10,15较大,没必要必须选取该最正确理论值,而以能够满足线路允许故障相工频谐振传递过电压和潜供电流大小4,8,17的要求为原那么,同时应避开高抗全补偿时的运行状况.通过计算,一些500kV超高压送变电线路通常选择补偿度TW0.95或T>1,052.3.2 双回线路的小电抗参数选择在超、特高压电网中,送电电压等级不断提升,电网规模进一步扩大,为输送大功率电能,往往要求顺着同一走线方向或同一线路通道,并行同杆或不同杆架设有两回甚至多回主干输电线路180这时,可供考虑的建设方案有两种,一为多回送电线路的同杆并架,二为单回线路分开单杆架设.通常情况下估算500kV超高压两回路

14、走廊的宽度为5560m,而2条单回线路走廊的宽总和可达110120m.由此可知,以同杆两回线替换2个单回线运行,线路走廊宽度那么可减小1/2,这无疑拥有很高的经济与社会效益.因此具有节省输电线路走廊,社会经济价值高等优点的同杆双回乃至多回送电技术在中国的超、特高压线路中已得到建设和推广,尤其在新建送变电线路工程中占有的比重较大170双回线路中小电抗仍装设于每回路高抗的中性点处.同杆双回路高抗与小电抗组成的四线补偿系统有4种电路连接形式19,见图2-5oLG方案1ib方於2ACnEFXHCnEK小公小小v4小小：/>小-Jrr/“I1ri_i_rrxM>v5-jXXXc方案3d方案4

15、图2-5同杆两回四线补偿系统的电路连接图其中,方案力是双回路四线补偿系统中研究最多的一种.当Xm=0或Xn=0时,方案a可分别等效成方案c或方案d0补偿方案2目前很少用到.在实际工程中,为了便于装设,维护便易,节约器材等方面,可综合各种电路的长短,采用混合补偿方式.由于双回送电线路的耦合情况更复杂.系统中不同运行条件、不同故障类型、不同高抗的布置方式等都会导致线路中的潜供电流和恢复电压呈现不同的特性.故双回路中限制潜供电流与恢复电压的情况较单回路更复杂,小电抗参数值确实定需全面考虑回路自身相间、并行回路之间的容性、感性耦合,使中性点最正确小电抗的阻抗取值更难确定.根据各种状况出现的概率,双回路

16、主要考虑以下两种运行方式：1单回运行方式；2双回运行方式.双回路在不同运行条件下,有不同形式的电容在故障点产生潜供电流,因此也需不同的相间等效电抗来补偿这些容抗,故需全面考虑各种运行条件下的理论最正确小电抗参数值以得到最终的小电抗理论取值1.1一回线路运行,一回线路检修.此时,耦合情况与单回路相同.易知,容性分量电流均由本回导线相问电容产生,并行回间的耦合电容不但没有向断开相供给潜供电流,还分流出本应由A相导线对地电容Co进入地面的少量潜供电流.故假设使此时的潜供电流为最小,只需完全抵偿该回导线的相间电容即可.最正确小电抗理想值可按式2-6和式2-7取得.2两回线路运行方式,系统耦合电路如图2

17、-6.图2-6双回路运行时Ij产生机理(未考虑电抗)图中,xn为双回路运行下时最正确理论小电抗值；C12为同一回的导线相问电容；Cea、Ccb、Ccc分别为另一并行回路a、b、c三相对接地相的相间电容.两回路运行时容性分量潜供电流的流通路径见图2-7(a),此时系统等值电路见图2-7(b)0c°BE(2叫n1久Tc4(Qa-Ccc)%+%小)'.T3I/3/十3GtJ%);如n-,ZZ0+3J0J图2-7(a)容性分量电流流通回路(未考虑感抗)图2-7(b)单相开断时单相等值电路此时,Xli2和XLD分别为考虑高抗和小电抗等值变换得到的等值相间电抗和对地电抗；Cm为双回路下A相有接地故障时总的相间等效电容,其表达式为Cm=2Ci2+(CCbCCa)+(CCcCCa)(2-16)故,由式(2-16)可得双回路运行下的最正确理论小电抗值XnXn=Xl22(2-17)-3Xl(2Ci2(CCb-CCa)(CCc-CCa)单回路、两回路2种运行方式下最正确理论小电抗值不同19,且两回路运行方