第30卷第5期2017年5月
广东电力
GUANGDONG ELECTRIC POWER
Vol. 30 No. 5
May. 2017
doi：10. 3969/j. issn. 1007-290X. 2017. 05. 022
220 k V母线高压电抗器投切对电力系统的影响
金超亮\周原2，李化\程梦凌\黄振1
(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），湖北武汉430074; 2.广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广东广州510080)
摘要：220 k V叠泉变电站是中国首个计划在高压侧母线投入电抗器以孙偿容性无功功率的变电站，对该电抗器 投切对电力系统的影响进行了评估。考虑电抗器励磁特性和投切过电压的统计特征，计算了由并联电
抗器投切 引起的各母线电压变化，对电压波动是否在设备耐受能力和系统容限范围内进行了评估；分别计算了安装和未 安装选相合闸装置的投切暂态，包括投切并联电抗器所引起的操作过电压、励磁涌流。仿真计算结果表明：控 制断路器截流值可以保证切除高压电抗器时过电压在设备允许范围内；使用选相合闸装置并制定合闸策略，可以降低励磁涌流至合理范围。
关键词：高压电抗器投切；过电压；励磁涌流；选相合闸装置
中图分类号：TM714. 3 文献标志码：B 文章编号：1007-290X(2017)05-0119-05
Influence of 220 kV Busbar High-voltage Shunt Reactor
Switching on Power System
JIN Chaoliang1, ZHOU Yuan2, LI Hua1, CHENG Mengling1, HUANG Zhen1
(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science Tech­nology, W uhan, Hubei 430074, China；2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co. , Ltd. , Guang­zhou, Guangdong 510080, China )
Abstract：220 kV Diequan substation is the first substation in China planning to install shunt reactor at
the high-voltage side of busbar to compensate capacitive reactive power. This paper assesses influence of this shunt reactor switching on the power system. It considers excitation characteristic of the shunt reactor and statistic feature of switching over-voltage, calculates voltage changes caused by shunt reactor switching and assesses voltage fluctuation within ranges of equipment and system tol­erance. It respectively calculates switching transient states of installation and no installation of phase selection closing device including operational over-voltage and excitation surge current caused by shunt reactor switching. Simulation results indicate it is able to keep over-voltage in permissible range by controlling chopping current of the circuit breaker when cutting off the high-voltage reactor, and reduce excitation surge current to a reasonable range by using the phase selection closing device and formulating corresponding closing strategy.
Key words：high-voltage shunt reactor switching；over-voltage；excitation surge current；phase selection closing device
截至2014年底，广东省珠海市横琴电网共有220 k V变电站2座(即琴韵变电站、环澳变电站），主变压器容量为400 M V A;110 k V变电站1座(石山变电站），主变压器容量为63 M V A。2014年横琴新区全社会用电量270 GWh，同比增长
收稿日期：2016-09-18105%；用电最高负荷为52 MW，同比增长126%[1]。横琴电网现主要存在3个问题：现状电网难以满足横琴新区的发展和对澳门供电的需求[2]；横琴西部缺少变电站布点；横琴电网架构有待提高[3]。为解决这些问题，220 k V叠泉变电站的建设显得十分有必要。横琴新区变电站部分线路的功率因数较低，对系统的容量、设备的绝缘造成
ia：i广家®力_第:3〇養
了较大的浪费[4]。若采用无功就地平衡的方式，在叠泉变电站20 k V侧投人低压电抗器.将会导致220 k V侧功率因数降低及20 k V侧电压下降，而为了保证20 k V电压合格卓，主变压器需上调档位，面此受考核的220 k V电压会超越上限220 k V充电无功进一步増大，囡此拟在220 k V侧并联高压电抗器来吸收部分无功功率。根据已有资料，为补偿220 k V琴韵一蓮花电缆线路的容性充电功率，澳门电力股份有限公司已在220 k V莲花变电站安装有2X50 M var翕压电抗器综合考虑现阶段及远期无功补偿需求，最终决定在叠泉变电站220 k V侧配置2 x50 M var三相芯柱式高压电抗器，_额定电抗为1. 12:3.4 k fl?,
分闸高历电抗器时有过电压产生.而在合闸高压电抗器时有高达4〜8倍的励磁涌流产生.因此有必要对高压电抗器投切时的过电压及励磁涌流进行定量计算并制定相应对策。本文基于ATP-EM TP软件对叠泉变电站220 k V侧高压电抗器在分闸过程中的截流过电压以及合闸过程中的励磁涌流进行详细计算，评估其值是否在系统容限范围内。
1分闸高压电抗器时的截流过电压
1. 1理论分析
分阐电抗器时产生如过
电压，主要是由断路器分断
过程中的截流引起的6高压
电抗器属于感性负载，因此
在截流瞬间会存储与截流电
流相对虛的磁场能儀，且该
_徽场能：痛与回路中的电容产
生高频振荡。切除高压电抗
器时的单相等效电路[7]如图
1所示p
假定在卜时刻断路器触头间电弧完全熄灭，此时流过压电抗器的电流(即截流值)，为电
容的电a为队,。考虑振荡最严重状况—
—回路总磁场能全部转化为电场能，此时电容的
电M最大值为t/m.旦满足
\C i,X J l +\l P a-
若以队为基准电压，分闸弁联高压电抗器时产生的最大过电压倍数
K=w r f7W I,<：1)从式(1)可以看.出，电抗器分闸操作产生的过电压值与并联电抗器的等效入口电容、电感量、线路运行电压以及断路器的性能(主要是截流性能)有关。当并联电抗器间隔的等效人口电容很小时，其最大过电压倍数很大；分断时开关的截流值越大，则电感中储存的能量越大，过电压蝠值就越高[s] 1.2仿真模型建立
系统的无功补偿遵循就近补偿原则.叠泉变电站高压电抗器主要甩于补偿横琴电网区域无功功率，对较远
系统的影响极其有限.固此在ATP-EM TP软件建模过程中仅保留与叠泉变电蛸真接相逢的加林变电站、环澳变电站、據洋电厂3.个节点.得到的珠海市220 k V交流输电系统简化仿真模型如图2所示。
1叠泉变电姑等效模舊；2加林資連站等效模型；3 ：望葬.电 广筹敎模型：4环澳变.亀站骞讀囊型E投切禽压电抗器的断
路器模型S6：高压職器.翻♦
图2分闸高压电抗器工况的仿真模型
在仿真建模的过程中，各变电站采用S相交流 电源与序阻抗串联的方式进行等效.其参数可以根 据系统潮流分布和短路容量确定#断路器为三耜时控断路器；考虑电抗饱和影响.叠泉变电站的高压 电抗器樣型采用绕组电阻.、对地电容钱性电感串并联的结构；避雷器额定电压为204 k V T其伏 安特性参数见表
_______________表1避雷器伏安特性参数_______________
电流/A0•005 0.001 120 500    5 000 10 000
电压/kV 289. 2 294.0 357. 0 382.2 439.2 466.8在无高压电抗器的情况下，通过调整电源侧电压的相位，使该仿真模型潮流计算结果与搜资所得
t/s等效电源电压，L并联电抗器电感，C l断路器后各设备总对地电容。
图1分闸高压电抗器时单相等效电
路
第5期金超亮，等：220 k V母线高压电抗器投切对电力系统的影响121
珠海市220 k V线路夏季大运行方式潮流图基本1致，因此，可以认为该仿真模型基本准确。
1.3仿真结果及分析
截流值为30 A时U相高压电抗器截流过电压仿真波形如图3所示$周期后铁心上的磁通达到20m，再叠加铁心的剩余磁通，则导致铁心饱和，此时高压电抗器上流过个很大的合闲涌流ih，其大小取决于合闲时电源电压的相位[9],
2.2仿真模型建立
合闸高压电抗器工况的仿真模型如图4所示，仿真中采用主从式统计开关(图4中方框5)对合闸过程中流过电抗器的励磁涌流在一个周期内进行了200次计算，仿真模型其余部分参数与分闸工况仿真模型一致。
1一叠泉变电站等效模沏；2—加林变电站等效模艰；3—电洋电 厂等效模沏；4一环澳变电站等效模型；I-投切高压电抗器的断
路器模型；6—高压电抗器模型。
图4合闸高压电抗器工况的仿真模型
2.3仿真结果及分析
经过200次计算，得到的励磁涌流为：U相，峰值557. 4 A，相位0.414°; V相，峰值558. 1 A，相位179. 711°; W相，峰值566. 7 A，相位0. 526°。U相励磁涌流波形如图5所示。
时间/S
图5合闸高压电抗器时U相励磁涌流波形
由于励磁涌流的大小与合闸时刻电压的相位有关，因此考虑通过控制合闸相位来减小励磁涌流，而选相
合闸装置具有该功能。对于单相电抗器，当不考虑剩磁的影响时，若在电源电压处于峰值时合闸，电源电压在铁心中产生的预感应磁通为零，正好与铁心的磁通相等，断路器合上后铁心将不会出
-500 l
10 20 30
时间/m s
40 50
图3截流值为30 A时U相高压电抗器截流过电压波形利用ATP-EM TP软件对叠泉变电站高压电抗器在不同截流水平下的截流过电压进行计算，结果见表
表2高压电抗器不同截流值下的截流过电压
截流值/A
截流过电压标幺值
U相V相W相
50.960.990.96
101. 141,141,15
201.401.411.41
302.342.342.34
由图3和表2可知：分闸后并联电抗器上会出现衰减振荡过电压波形；断路器截流值越大，电抗器分闸过电压越高，截流值为上限30 A时过电压水平最高，标幺值为2.34，即481. 4k V。该电抗器耐受操作冲击过电压的幅值是750 k V，大于最高过电压(48L4 k V)，因此，若截流值不超过30 A，则分闸高压电抗器时产生的过电压在安全裕度范围内。
2合闸高压电抗器时的励磁涌流
2. 1理论分析
并联电抗器属于电感性设备，合闸时不会有过电压产生，但是会有很大的过电流产生，此过电流主要是由合闸时电抗器磁芯饱和、感抗减小引起的。当合闸时电源电压为零时，励磁涌流最大。铁心磁通滞后于电源电压90%当电源电压为零时，铁心磁通达到反向峰值_^n，由于铁心磁通不能突变，因此铁心上会出现瞬间的+^n磁通
，半个
122广东电力第30卷
现非周期分量磁通，从而实现无冲击的平稳过渡，合闸后电抗器中只有正常运行时的工作电流，不存在励磁涌流。因此，要消除励磁涌流，只需控制合闸相位，使电源产生的预感应磁通与电抗器的磁通相等
M。由3个单相电抗器组成的三相电抗器，由于磁路相互隔离，当一相先合闸后，其余两相并不会感应出电压。因此，若不考虑剩磁的影响，则要消除此类电抗器的合闸涌流，只需控制在各相电源电压峰值处合闸即可。
选相合闸装置存在一定的控制误養，对控制误差分别为 ± 〇• 5 ms、土1.0 ms、土 1.5 ms和土 2.0 m s时的情况进行励磁涌流峰值计算，结果见表3。
表3采用选相合闸装置后励磁涌流峰值
选相合闸装置励磁涌流峰值/A
控制误差/ms U相V相W相±0. 5165. 3161. 4171. 2
± 1.0208. 3203. 5211, 2
±1. 5240. 4234. 8245. 6
±2.0295. 2285. 0307.3
图6为采用选相合闸装置(控制误差为± 0. 5 ms)后U相高压电抗器的合闸涌流波形，与图5对比可以发现，采用选相合闸装置后合闸涌流大大减小。
图6采用选相合闸装置后U相高压电抗器励磁涌流波形
从图6和表3可以看出：选相合闸装置对并联电抗器合闸涌流的抑制作用是非常明显的，且抑制效果随装置控制误差的增大而减小；实际的选相合闸装置控制误差|般小于± 1ms[11]，考虑最极端情况选取误差为± 2 m s时，合闸涌流峰值达到307. 3 A，为电抗器额定电流的1.83倍。
本例计算中不考虑剩余磁通的影响，将并联电抗器等效为3个单相电抗器来考虑，如果叠泉变电站配置的高压电抗器采用三柱芯式结构，各相磁路之间相互联系，则需要选相合闲装置生产厂家根据并联电抗器型式和参数对合闸策略进行相应调整。假设U相为最先合闸相，V、W相为随后合闸相，具体调整策略为：对于U相高压电抗器，当不考虑剩磁影响时，仍在U相电源电压峰值处合闸；当U相高压电抗器合闸后，V、W相将分别感应出电压t/g y,v和t/g y,w，这2个电压的相位与U相电压相位相反，频率与电源电压频率相同，对应于这两个感应电压的磁通分别为屯,v和屯,w，则V、W相的感应电压及其磁通应满足电磁感应定律，即
_d^r,v tj_d^r,w
U gy，V(2)
cU〜g y，w d t
式中（为时间。
设V、w相电源电压为t/s,v和t/s,w，对应于这2个电源电压的预感应磁通为0S,V和0S,W，则根据电磁感应定律应满足如下关系：
他，v T T_d^s.
U c d t-，U d t
由式⑵和式(3)可得：
u gy，V
d(0s,y —0r,v)
d t
(3)
(4)
tj tj_ d(0s,w _ ^r,w)/r\
U S，W _Ugy，W_^•V J V 要消除V、w相的合闸涌流，必须使电源产生的预感应磁通氣,V和氣,w分别与电抗器的磁通和⑦r.W相等，BP(少s,v _ 少r,V)和（少s,W _ 虫r,W) 均为零。由于0S,V、屯,¥、少s,W和少r,W均为工频正弦波形，所以（氣,V— 0r,v)和（0S,W_ 0r,w)也为ZL频正弦波形，d v - U和d w - U为零时分别对应于t/g y,v)和t/g y,w)达到峰值时。
reactor technology综上，对于三柱芯式结构的并联电抗器，当不考虑其中的剩磁，消除其合闸涌流的合闸策略如下：首先合闸相在电源峰值处合闸，剩余两相需检测断路器两端电压，在断路器两端电压达到峰值处合闸。
3高压电抗器投切对系统母线侧电压的影响在高压电抗器分闸过程中，叠泉变电站220 k V母线的相电压峰值由分闸前的189. 24 k V升高到分闸后的190.59 k V；在高压电抗器合闸过程中，叠泉变电站220 k V母线的相电压峰值由合闸前的190. 30 k V降低到合闸后的189. 00 k V
。因此
第5期金超亮，等：220 k V母线高压电抗器投切对电力系统的影响123
可以得出结论：高压电抗器的投切不会对系统母线
侧电压造成很大的影响。
4结论
本文对叠泉变电站母线上装设的并联电抗器投
切过程中的电磁暂态过程进行了仿真计算，得出如
下结论：
a) 并联电抗器分闸后，由于断路器截流会在并联电抗器上产生振荡衰减的电压波，幅值随着断路
器截流值的增大而增大，当截流值为仿真选取的上
限30 A时，得出的过电压水平最高，达到481. 4 k V。
b) 并联电抗器合闸时，不会产生过电压，但会产生合闸涌流。未加装选相合闸装置时，合闸涌
流峰值最高达到566. 7 A，为正常电抗器运行电流
的3.36倍；采用选相合闸装置后，合闸涌流得到
了明显抑制，抑制效果随选相合闸装置控制误差的
增大而减小，当误差为仿真选取的上限± 2 m s时
合闸涌流幅值最高，达到307. 3 A，为电抗器额定
电流的1. 83倍。
c) 并联电抗器分、合闸过程对220 k V母线电压的影响不大，变化率最高仅为0.71%。
d) 本计算针对三相分体式并联电抗器，未考虑三相间的磁路联系及各相剩余磁通对计算结果的
影响。如采用三相芯柱式并联电抗器，过电压及合
闸涌流水平将与具体设备的构造及实际参数有关，
需要相关厂家提供设备参数。
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作者简介：
金超亮（1993)，男，浙江东阳人。在读硕士研究生，主要从
事电力系统过电压计算的研究工作。
周原（1983)，女，广东广州人。工程师，工学硕士，主要从
事高电压技术、电力系统过电压的研究工作。
李化（1979)，女，湖北武汉人。副教授，工学博士，主要从
事电力系统过电压、脉冲功率技术方向的研究工作。
(编辑李丽娟）

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