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特高压交流电网可以实现区域电网互联、资源优化配置和调整能源结构[1-2],但随着系统输送功率增大,无功功率变化更加频繁会对系统的安全运行产生一定的影响。其影响主要体现在系统阻抗限制输送功率增长和过电压限制与输送大功率无功需求形成矛盾两方面,采用串补、分级可控高抗相协调的混合无功补偿方式是解决上述问题较为理想的方案。
气体绝缘设备(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关(disconnecting switch,DS)关合会产生特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)以及特快速暂态过电流(very fast transient current,VFTC),其幅频特性受到变电站布置、设备参数及隔离开关操作方式的影响[3-4]。当混合无功补偿安装在特高压变电站站内时,其安装位置、分级可控高抗入口电容等因素会对特快速暂态波(very fast transients,VFT)的幅频特性产生影响。国内外对常规线路的VFTO和VFTC的机理特性、影响因素、危害与防护进行大量研究。文献[5]提出了一种基于时域有限元的计算方法,得到传输线上各点的电压与电流值。文献[6]根据GIS隔离开关的电场分布,采用有限元分析方法建立三维静电场数学模型。文献[7]完成了特高压变电站内部结构对隔离开关动作所产生VFTO的幅频特性的暂态分析。文献[8]给出了不同抑制设备作用下VFTO及VFTC变化规律,分析了各种抑制方法的优劣。文献[9]从理论上研究变电站拓扑结构及设备参数对VFTO波形的影响,分析了侵入变压器线圈内的VFTO的波形特性。文献[10]研究不同磁环在复频域的磁导率性能,对磁环在电网中的实用提供了有效的实验数据支撑。上述文献对VFT的产生机理及影响因素进行了深入分析,但未有涉及混合无功补偿对VFT幅频特性影响分析的成果发表。本文考虑特快速暂态波的传输特性,从理论上分析变电站拓扑结构及设备参数对VFTO波形的影响,研究安装混合无功补偿的变电站内DS动作产生VFTO的幅频特性曲线,结合EMTP电磁暂态仿真软件验证了解析计算的正确性。提取变电站内不同位置的VFTO波形特征,分析了特快速暂态波频率的主要影响因素,得到了变电站内不同位置DS闭合时分级可控高抗端口VFTO的幅频特性,为混合无功补偿的绝缘结构设计提供理论依据。
1 混合无功补偿变电站站内设备等效模型
1.1 混合无功补偿结构及等效模型
混合无功补偿由串补装置和分级可控高抗组成。串补由电容器组、氧化锌避雷器、火花间隙、旁路断路器和阻尼装置组成,其结构如图1(a)[11-12]所示。分级可控高抗由高阻抗变压器、串联电抗、机械开关和晶闸管构成,通过开断晶闸管进行感性无功功率补偿,其结构如图1(b)[13-14]所示。
目前,国内外所提及特快速暂态波作用下集中参数表示的混合无功补偿等效模型,不便于解析计算分析,本文根据CIGRE建议的模型提出简化集中参数模型,如图2[15]所示。
1.2 传输线模型
特高压变电站中含有GIS母线和架空线路2种传输线[16],相对架空线路,虽然GIS母线结构比较复杂,仍可用不同波阻抗的线路模型表示,应用
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