特高压交流输电系统的动态物理模型

1、特高压交流输电系统的动态物理模型杨德先,陈德树,陈卫,吴彤,张凤鸽(华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室,湖北省武汉市430074摘要:在论证中国有重点地建设特高压输电系统动态模拟试验系统的必要性后,介绍了特高压输电线路、变压器系统、并联电抗器等模型的建设情况,针对特高压的特殊性对其输电线路及特殊的变压器组开展了动模试验,研究了特高压带来的新问题和物理现象。实验证明该模型的试验结果与对原型的基本理论分析相似,可用于研究特高压系统的暂态特性和相应的二次设备性能。关键词:特高压;交流输电;动态模拟;元件模型中图分类号:TM743收稿日期:2008206213;修回日期:2008208220。

2、0引言美国、前苏联、日本和意大利等都曾建成交流特高压试验线路,并且进行了大量的交流特高压输电技术研究和试验。前苏联和日本建设的交流特高压线路,目前全部降压运行。中国于2006年8月批准建设1000kV 晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程,从而拉开了国内首条特高压输电线路的建设序幕。中国是电能的生产和使用大国,地域广阔,发电资源分布和经济发展极不平衡。全国可开发的水电资源近2/3在西部的四川、云南、青海、西藏;煤炭保有量的2/3分布在山西、陕西、内蒙古。而全国2/3的用电负荷却分布在东部沿海和京广铁路沿线以东的经济发达地区。西部能源供给基地与东部能源需求中心之间的距离将达到2000km 300

3、0km 。中国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情,决定了能源资源必须在全国范围内优化配置。特高压电网是指1000kV 交流和±800kV 直流组成的输电网络,与现有电网相比,特高压电网具有容量大、输电距离长、损耗低等明显优势。只有建设特高压电网,才能适应东西2000km 3000km 、南北800km 2000km 远距离、大容量电力输送需求,促进煤电就地转化和水电大规模开发,实现跨地区、跨流域的水电与火电互济,将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中、东部地区,满足国内经济快速发展对电力的需求1。在中国将先建设3条特高压示范工程:国家电网公司的晋东南南阳荆门1000kV 交流特

4、高压、溪洛渡向家坝800kV 直流特高压和南方电网公司的云南楚雄广州穗东800kV 直流特高压。1000kV 晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程,跨越山西、河南和湖北三省,线路全长645km 。特高压交流试验示范工程建成后,可实现华北电网和华中电网的水火调剂、优势互补,有效推动晋东南大型煤电基地集约化开发,缓解煤电紧张局面,并具有错峰、调峰和跨流域补偿等综合社会效益及经济效益。工程如期投运后,将填补国内电网建设的空白。电力系统动态模拟采用了与原型系统具有相同物理性质且参数标幺值一致的模拟元件,根据相似原理建立起的电力系统模型能够直接观察到各种现象的物理过程,便于获得明确的物理概念,特别对于某

5、些新问题和物理现象,可以探索其本质和变化的基本规律,并可以校验电力系统的理论和计算公式以及各种假设的合理性,进而使理论得到进一步完善和发展2。随着现代电力系统的发展,电力系统规模不断扩大,电压等级逐步升高,设备类型更为丰富,设备结构发生重大变化,现有动态模型不能完全适应发展需要,特高压输电系统有其自身的特殊性,如输电线路暂态时间长、变压器结构与传统变压器结构完全不一样等。为了研究特高压输电系统,华中科技大学于2006年9月2007年3月建立了1000kV 晋东南南阳荆门特高压交流试验输电系统模型,并进行了系列试验研究。1特高压输电线路模型1000kV 特高压输电线路原型共分为2段,即晋东南至南

6、阳开关站段、南阳开关站至荆门段。晋东南南阳开关站特高压线路长度近似为360km ,南阳开关站荆门特高压线路长度近似为285km 。第32卷第22期2008年11月25 线路原型采用型号为8×L G J 2500/35分裂导线3(前苏联的1150kV 线路采用8×AS330/43分裂导线,日本的特高压线路为双回线设计,导线分别为8102×8或6102×8ACSR 钢芯铝绞线。晋东南南阳线每100km 主要参数为:X 1=2613,X 0=83106,<1=88135°,<0=7915°,C 1=11397F ,C 0=019

7、3F ;南阳荆门线每100km 主要参数为:X 1=2613,X 0=78121,<1=88125°,<0=7817°,C 1=11383F ,C 0=0189F 。模型线路电压选定为1000V ,则电压模拟比为1000,电流模拟比为400,阻抗模拟比为215,功率模拟比为4×105。模型线路采用等值链型电路以分段集中参数来模拟分布参数,综合考虑到经济性和暂态特性的模拟,该模型设计了16个单元电抗元件来模拟645km 原型线路,电抗元件之间的连接端头采用镀银处理,以最大限度地减少接触电阻,充分考虑系统总体接触电阻的影响。正序阻抗角的设计值不小于8815

8、3°,与实际参数相比保留一定的裕度,为了满足频率特性和减少集肤效应及邻近效应的影响,电抗器元件采用19股高强度绞合漆包线制成空芯电感,每股导线直径为1145mm 。为了使模型具有通用性,采用并、串方式使每组单元可模拟原型系统15km 或60km ,即模拟线路总长可在240km 960km 之间调整,即在模拟15km 线路电抗时,相当于38股导线并绕而成,因此正序电抗的用铜量高达102kg 。目前,采用模拟60km 的6个大单元模拟晋东南南阳特高压线路360km ,采用60km 的3个大单元和15km 的7个小单元模拟南阳荆门特高压线路285km ,采用多个小单元的目的是为了让线路上的

9、故障点距保护装置测量点至少有5个以上的单元,这样可以更好地模拟线路暂态过程。在整条线路上设有10个短路点,每条线路两侧均有模拟并联电抗器。1000kV 特高压输电线路 试验模型示意图如图1所示427。图11000kV 特高压输电线路试验模型示意图Fig.1T est model diagram of 1000kV UHV transmission line2特高压并联电抗器模型原型特高压交流线路产生的充电无功功率约为500kV 的5倍,为了抑制工频过电压,线路须装设并联电抗器。1000kV 特高压试验示范工程的并联电抗器参数如表1所示。表1特高压并联电抗器参数T able 1Main para

10、meters of UHV shunt reactors线路容量/Mvar 主电抗/线电压/kV 中性点电阻/晋东南2南阳晋东南南阳60020161100440按照同样的模拟比,特高压模型中设计了6种规格的模拟电抗器与表1对应,即504,672,806,112,148,176,每台电抗器均有8个抽头,阻抗角不小于8911°,在113倍额定电压下,阻抗线性度偏差不大于5%,所得特性与原型一致8211。3特高压变压器模型1000kV 特高压变压器原型结构如图2所示。以晋东南开关站1000kV 特高压变压器为原型,采用中性点变磁通调压,由主变压器(不带调压的自耦变压器和调压变压器(含低压电

11、压补偿功能两部分组成,调压变压器与主变压器通过架空线进行连接。主体为单相四柱结构,两心柱套线圈,每柱50%容量,高、中、低压线圈全部并联。主体油箱外设调压变,内有调压和补偿双器身。主变压器每相容量为1000MVA ;调压变压器每相容量为59MVA ;补偿变压器每相容量为18MVA 。原型主变压器参数如下:变压器容量为3000MVA ,各侧电压为1050kV/525×(1±5%kV/110kV ,高压中压短路阻抗为18%,高压低压短路阻抗为62%,中压低压短路阻抗为40%,空载电流0107%,空载损耗155kW 。特高压模拟变压器的结构方式采用与原型一一对应方式,即由模拟主变

12、压器、模拟调压变压器、模拟补偿变压器组成,如图3所示。研制与开发杨德先,等特高压交流输电系统的动态物理模型 图21000kV 特高压变压器原型结构Fig.2Prototype structure of 1000kV UHV transformer图31000kV 特高压单相变压器模型结构Fig.3Model structure of 1000kV UHV transformer考虑到模型的通用性和灵活性,即在每台主变压器的双绕组的每一相上均设有21个抽头,调压变压器和补偿变压器也设有多个抽头,以方便改变变比和进行匝间短路试验,并且短路阻抗可大范围调整。具体参数如下:模拟主变压器容量为215kV

13、A (对应1000V ;变比为1000V/500V/110V ,容量比为111/3,损耗I 0<112%,P 0<1%,短路阻抗为18%60%;模拟调压变压器容量为14715VA ,变比为31811;模拟补偿变压器容量为45VA ,变比为51351。4实验分析特高压交流输电系统物理模型建成以后,进行了大量试验研究,如输电线路充电试验、金属性短路试验、经大电阻接地短路试验、各类变压器故障和匝间短路试验等,分析了各种故障时电流、电压的波形畸变程度、谐波含量、非周期分量的衰减时间常数以及操作和保护动作所产生的过电压等。深圳南瑞科技有限公司也在该模型上进行了微机线路保护试验、微机变压器保护

14、试验等一系列试验。对特高压线路进行的试验,探索到特高压线路保护应注意的一些问题。如南阳开关站的南荆线出口处三相短路时,晋东南侧的电流波形如图4所示,故障切除后表现出存在较强的非工频振荡电流。特高压线路的衰减时间常数为0112s ,图4为南阳开关站南荆线出口处发生三相短路时晋东南侧测量到的三相电流波形,A 相电流的直流分量衰2008,32(22 减时间超过了100ms ,应从保护算法上考虑滤除衰减直流分量的影响 。图4南2荆线出口处三相短路时,晋东南侧的电流波形Fig.4Current w aveform of Jindongnan during 32phase short circuit at

15、 N anyang 2Jinmen line outlet特高压输电线路具有电压高、线路长、输送功率大、波阻抗小、分布电容大、线路充电电容电流亦大等特点。这些特点导致特高压线路保护的目的不同于传统保护:不是以快速切除故障或者尽量保持系统联络为首要目的,而是限制线路过电压,保证设备及系统安全;特高压线路充电电流使得差动保护面临考验,必须寻找更合理的保护方式12。有关特高压系统存在的特殊问题,需要深入研究和探讨。5结语特高压交流输电系统的物理模型的成功建立,为1000kV 交流输电系统动态模拟研究提供了一个试验平台,为研究特高压交流输电系统暂态特性提供了科学依据,为特高压输电系统的各种继电保护装置

16、的设计、选型、运行提供了非常真实的试验模型。该实验室为对外开放试验室,可供有关方面进行研究、探索或检验性试验。参考文献出版社,2004.3贺家李,李永丽,郭征,等.特高压输电线继电保护配置方案:(一特高压输电线的结构与运行特点.电力系统自动化,2002,26(23:126.H E Jiali ,L I Y ongli ,GUO Zheng ,et al.Relay protection for U HV transmission lines :Part one const ruction and operation characteristics.Automation of Electric

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18、tectiverelaying applied inU HVtransmission line.Relay ,2007,35(5:123.6文明浩,陈德树.一种特高压3/2接线纵差保护抗电流互感器饱和措施.电力系统自动化,2006,30(10:61263.WENMinghao ,CH EN Deshu.Acurrenttransformersaturation countermeasure for differential protection of U HV transmissionlinewit hbreaker 2and 2a 2halfconfiguration.Automation

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23、杨德先(1963陈德树(1930,男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统继电保护等。E 2mail :dschen 陈卫(1970研制与开发杨德先,等特高压交流输电系统的动态物理模型Dynamic Physical Model of 1000kV UHV AC T ransmission SystemYA N G Dex ian ,C H EN Deshu ,C H EN Wei ,W U Tong ,Z HA N G Feng ge(Electric Power Security and High Efficiency Lab ,Huazhong University of Scien

24、ce and Technology ,Wuhan 430074,China Abstract :This paper discusses the necessity of establishing the dynamic physical model system of U HV AC transmission system ,and introduces the construction of U HV transmission lines ,transformers ,shunt reactors ,and so on.A lot of dynamic simulation experim

25、ents are done on transmission lines and transformers with special features on U HV.The unique problems and phenomena arisen in the U HV system are studied.The experiments show that the result of the physical model is identical with the theoretical analysis on the prototype ,and the physical model ca

26、n be used to study the transient characteristics on U HV system and the characteristics of secondary devices.K ey w ords :U HV ;AC transmission ;dynamic simulation ;component models(上接第15页continued f rom page 157KEAN E A ,O MALL E Y M.Optimal allocation of embeddedgeneration on distribution networks

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