曹路 陈珩 万达 杨林
曹路 陈珩 东南大学电气工程系 江苏南京 210096 万达 杨林 江苏省电力试验研究所 江苏南京 210096
0 概述
山西阳城至江苏淮阴输电工程采用500 kV交流输电线路。阳城电厂一期工程装机容量6台350 MW机组，经山东东明和徐州三堡2个开关站，至江苏淮阴接入华东电网［1］，线路总长约739 km，见图1。
图1 阳城—淮阴输电系统
由于输电距离较长，为缩短阳城机组到受端系统的电气距离，提高运行稳定性，在东明与三堡间将装设串联电容补偿装置，以金属氧化物可变电阻(Metal Oxide Varistor，简称MOV)作为保护。
串联电容的接入，有可能使系统谐振频率与发电机组轴系固有频率的关系满足次同步谐振(SSR)的条件，引起机组的次同步谐振。为此，有必要对系统中发生SSR的可能性进行研究。
考虑到MOV是非线性元件，本文用由德国西门子公司提供的NETOMAC［2］仿真软件对SSR问题进行了时域分析研究。
1 系统模型
为保证研究结果的真实可靠，系统未作过多简化，包含了华东全网500 kV级和苏北220 kV级全部设备，计169台发电机、239台变压器、580余条线路等。各元件参数和运行工况均取自实际。
发电机模型为满足《电力系统设计技术规程》中E′q恒定的要求，在计算中将发电机的T′d值取为99 s。但因NETOMAC无法输出E′q值，又用电力系统分析综合程序PSASP进行验证，证明上述处理可使发电机的E′q在故障期间基本维持恒定。发电机的其余参数均为实际值。计算中不考虑发电机的调节系统(励磁系统和调速系统)的作用。
NETOMAC可以同时计算2台发电机组的轴系扭矩，轴系模型限制为6段，通常为高压缸(HP)、中压缸(IP)、低压缸1(LP1)、低压缸2(LP2)、发电机(GEN)、励磁机(EX)各一段。为将机组轴系的原始模型等值成6段，采用了刚度系数与惯性时间常数比值灵敏度法［3］，并将等值前后的轴系模型分别用上海交通大学开发的电力系统机-网相互作用数字仿真程序(MANDISP)计算。比较相应轴段间扭矩计算结果，证明上述等值是可行的。
通常机组轴系的惯性时间常数M和刚度系数K的单位分别用秒和标幺值表示。在用NETOMAC计算时，惯性时间常数的单位为N.m.s2，刚度系数的单位为N.m，需进行单位转换，转换关系为
式中 S——发电机额定视在功率，MVA；
此外，计算中忽略了轴段间的互阻尼作用，使结果偏于保守。
现已确定，串联补偿度为东明—三堡线路电抗的40%，即串补电容为29.287 Ω，或108 650 nF。
串补电容及MOV采用集中参数，见图2。
图2 串联电容及MOV模型示意
保护装置的整定要求是流过串补电容电流大于2.1倍正常运行电流时，MOV应呈现非线性特性。NETOMAC中，MOV用电流随电压变化的关系来表示，单个MOV的整定值见表1。受单个MOV容量的限制，研究中每一相的MOV均为10并10串联接。
表1 单个MOV的整定值
电压/kV
5.73
6.69
6.94
7.18
7.42
7.75
8.23
8.55
电流/kA
4×10-6
4×10-3
0.04
0.12
0.4
1.2
4
8
电阻值/Ω
1.4×106
1 673
174
60
18.6
6.5
2.1
1.1
2 计算条件
在不同地点分别出现单相永久性接地故障和徐州电厂发电机出口三相短路时，计算徐州、彭城和阳城电厂机组轴系各段间的扭矩。故障地点见图1。单相永久性接地故障K(1)y地点为图中的a、b、c、d、e、f、g处，其中a为串补的线路侧，b为东明—三堡间没有串补的一侧，g为串补的母线侧；对三堡—淮阴双回线检修一回时a处故障，用a(N-1)表示。故障时刻均为0.1 s，经0.1 s故障相跳开，再经0.9 s重合，因故障仍然存在，又经0.1 s该线三相电流过零顺序跳开。三相短路故障K(3)地点为图中d处(徐州电厂发电机出口)。故障时刻为0.1 s，经0.1 s三相电流过零顺序跳开，不考虑重合闸。
研究中，计算了串补位于不同地点和MOV旁路共3种方案，即：(Ⅰ)串补位于三堡侧；(Ⅱ)串补位于东明侧；(Ⅲ)串补位于三堡侧，MOV旁路。
3 计算结果与分析
表2列出了串补在三堡时徐州发电机组各轴段间的最大扭矩。可见各轴段间扭矩中，低压缸(LP2)与发电机轴段(GEN)间的扭矩最大，其余计算方案也如此。各方案的LP2-GEN段间扭矩的最大值列于表3。
由表3可见，串补装设地点在三堡或东明对扭矩的影响并不明显。另外，在a点发生Ky(1)故障，MOV旁路时的最大扭矩比MOV投入时高出1倍以上，说明MOV对降低轴系扭矩作用明显。这种故障情况下，各机组的扭矩仿真曲线见图3(串补和MOV在三堡侧)。可以看出，故障后扭矩并没有发散，说明在这种情况下，徐州地区和阳城机组不会发生次同步谐振。其它计算也可得到同样结果。
此外，如分别计算2台发电机组的轴系扭矩，结果与同时计算时相近，表明机组间的扭矩不会互相影响。
表2 各轴段间的最大扭矩 104N.m
轴 段
稳态值
K(1)y地点
K(3)地点
a
b
c
e
f
g
a(N-1)
d
HP-IP
19.418 8
20.991 4
20.064 7
24.839 6
26.048 2
26.113 6
21.963 2
20.927 9
33.122 2
IP-LP1
50.132 2
56.299 1
52.135 8
67.152 7
69.856 0
70.877 1
58.468 7
56.288 7
88.796 4
LP1-LP2
56.900 2
66.681 1
60.206 6
72.142 8
79.062 2
81.544 9
68.377 7
66.820 2
106.172
LP2-GEN
63.668 0
76.519 3
67.377 3
83.143 6
92.400 6
91.821 6
74.613 2
76.705 3
121.451
GEN-EX
0.000 0
0.104 6
0.067 3
0.217 4
0.274 3
0.271 5
0.174 8
0.100 8
0.507 3
图3 各机组LP2-GEN轴段间扭矩
表3 各轴段间的最大扭矩 104N.m
机组
方案
稳态值
K(1)y地点
K(3)地点
a
b
c
e
f
g
a(N-1)
d
徐州
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
63.668
76.519 3
71.139 1
170.777
67.377 3
75.251 2
76.701 1
83.143 6
84.244 4
86.384 8
92.400 6
92.929 3
91.732 7
91.821 6
93.967 5
94.581 9
74.613 2
67.286 7
82.832 6
76.705 3
71.054 4
124.223
121.451
124.844
198.317
彭城
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
95.169
105.921
106.591
242.979
107.224
112.553
109.678
117.391
117.151
118.468
125.416
125.616
126.143
115.647
116.184
118.346
113.236
107.243
122.331
107.255
106.653
154.832
148.548
148.266
192.742
阳城
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
129.2
142.650
148.438
221.149
150.689
150.069
159.850
160.403
160.628
163.566
156.119
159.332
165.927
151.189
155.243
162.099
150.360
150.212
166.057
142.181
146.518
242.661
163.813
163.273
165.458
图4 a处Ky(1)暂态过程中通过MOV的电流(A相)
MOV在暂态过程中的作用见图4。发生故障时，故障线路的MOV中有较大电流经过，见图4(a)；在故障相和三相切除后，并列线路上通过的功率增大，达到MOV的整定值后，部分电流从MOV中经过，见图4(b)。由于电流通过MOV时消耗了能量，减少了故障引起的不平衡功率，因此有利于暂态稳定，并对系统振荡有阻尼作用。这一结论可从表4中得到证实。
另外，从表5可见，MOV可以有效地降低短路电流，对串补的线凡喽搪饭收希Ч飨浴Ｒ蛭鲇写沟缛菔钡淖杩刮?/p>
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