特高壓串補輸電線路熄滅潛供電弧的方法

胡玉生，商立群，劉培

（西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054）

特高壓串補輸電線路熄滅潛供電弧的方法

胡玉生，商立群，劉培

（西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054）

單相自動重合閘的成功合閘與潛供電弧的快速熄滅關系密切。在特高壓串補輸電線路發生單相接地故障時，為加快熄滅潛供電弧，提出采用一定數值的電阻短接故障相電容的方法。詳細地闡述了潛供電流的頻率特性，并給出直流分量的大小及衰減的快慢與故障時刻、弧道電阻的關系。最后以實際工程為例進行仿真計算。結果表明，該方法對潛供電弧的熄滅是實用和有效的。

特高壓串補輸電線路；潛供電弧；直流分量；短接電阻

當特高壓串補輸電線路發生單相瞬時性接地故障時，故障相兩端斷路器動作，切斷一次短路電流，但此時電弧并未熄滅，由于非故障相通過靜電耦合和電磁耦合仍然給故障點的對地電弧提供能量維持電弧的燃燒，該電弧即為潛供電弧。

為加快熄滅潛供電弧就必須阻斷健全相對其提供能量，對于特高壓輸電系統而言，一般都裝有并聯電抗器來抑制工頻過電壓，所以在阻斷健全相和故障相之間的能量傳遞時，目前工程上多采用在并聯電抗器中心點接小電抗的方法[1]來抑制這種能量傳遞。為提高特高壓輸電系統的靜態穩定性和線路的傳輸能力，串聯電容器補償在電網中被廣泛應用；但串補的接入給潛供電弧引入了低頻分量，加大了潛供電弧的自熄難度，目前在超高壓中采用聯動旁路故障相電容的方法消除低頻分量。文獻[2]僅就特高壓輸電線路在加裝串聯電容補償后，在發生單相瞬時性故障時，分析了潛供電弧難以熄滅的原因，并指出串補可能給線路運行帶來的過電壓、次同步諧振等問題，但并未給出實際的抑制潛供電弧方法。文獻[3-5]都僅僅從實驗的角度描述了特高壓潛供電弧的自滅特性，由于潛供電弧自滅特性受氣象條件、絕緣子長度等隨機性因素影響，所以實際中還是通過減小潛供電流和恢復電壓來加速其自熄。本文從實際出發，研究單相接地故障時潛供電流中直流分量的特性及如何消除其對潛供電弧熄滅的影響。

1 特高壓串補線路潛供電弧的特性分析

特高壓串補輸電線路在發生單相瞬時性接地故障時，由于串聯電容器和并聯電抗器的振蕩作用，潛供電流和恢復電壓中都會有低頻分量的存在，該低頻分量會導致潛供電流過零點次數減少，加大了潛供電弧的自熄的難度。為消除低頻分量通常采用旁路串聯電容的措施[6]，但在某些情況下潛供電弧還是難以快速自熄，原因在于在濾除低頻分量后，潛供電流中還有較大的直流分量。

本文仿真我國特高壓交流試驗示范工程晉東南至南陽段南陽為開關站，線路長度為360 km，輸電線路的參數為

在晉東南、南陽之間t=0.05 s時，分別距晉東南、南陽260、100 km處A相單相接地短路，接地電阻為30 Ω，0.08 s后線路動作，跳開A相，仿真時間為1 s，其等效電路見圖1。圖中C1、C0分別為輸電線路單位長度的相間電容和對地電容；X1、X0分別為并聯電抗器中性點接小電抗等效的相間感抗和對地感抗[7]；l為線路長度。

圖1 單相接地故障時靜電感應分量的等效電路Fig.1Equivalent circuit of static inductance component under single-phase earth fault

當開關K閉合時，開關處流過的電流即為潛供電流中靜電感應分量，由于其占很大的比重，其值近似潛供電流的大小，潛供電流的計算式為

式中：C2為C1和X1并聯的等效電容；E為故障前輸電線路的電壓幅值。串補線路潛供電流波形見圖2。由圖3可見，串補線路的潛供電流是一個幅值逐漸衰減的振蕩曲線[8]，對其進行諧波分析，可以得到圖3的頻譜分析和表1中串補部分包含的各分量值。

圖2 串補線路潛供電流波形Fig.2Waveform of secondary arc current with series compensation

圖3 潛供電流的頻譜分析Fig.3Frequency analysis of secondary arc current

表1 潛供電流各分量值Tab.1Each component value of secondary arc current

從圖3和表1中知道串補線路潛供電流中主要包含工頻分量、直流分量和一幅值較大的低頻分量，該低頻是在斷路器跳開后，串補電容中的儲能在回路中充放電產生的，嚴重影響電弧的熄滅[9]；為消除該低頻的影響，工程上通常采用旁路電容器的方法。旁路電容后的潛供電流波形見圖4。

圖4 旁路后的潛供電流波形Fig.4Waveform of secondary arc current without series compensation

對圖4中的旁路電流波形進行傅里葉分析可得到表1旁路串補部分的結果：潛供電流中僅含有工頻分量和幅值較大的逐漸衰減的直流分量。

從表1中可得，串補線路在未旁路故障電容時潛供電流中包含直流分量、工頻分量及低頻分量，導致電弧難以自熄；旁路故障電容后，潛供電流中的低頻分量被濾除，但是直流分量卻變大了，電弧同樣難以自熄。所以為保證潛供電弧的成功自熄，必須對直流分量進行分析，去除其對電弧自熄的影響。

2 潛供電流中直流分量的特性分析

假設A相發生單相接地故障時，其一次電弧期間的等效電路簡化為圖5所示。

圖5 A相接地一次電弧期間等效電路Fig.5Equivalent circuit of A-phase earth fault occurred during the primary arc

故障電流滿足表達式

其通解對應的齊次方程為

其解即為短路電流的直流分量，即

它按指數規律衰減，其中C為常數，是直流分量的起始值，Ta=L/R為衰減時間常數，其衰減的快慢與R、L相關。在L不變的前提下，R越大直流分量衰減的越快，即故障時接地電阻越大直流分量衰減越快。

在感性線路中，根據楞次定律，通過電感的電流是不能突變的，即短路前一瞬間的電流值必須與短路后一瞬間的電流值相等，所以直流分量的起始值C為短路前瞬時電流與短路后交流分量瞬時值之差；短路前瞬時電流越大，直流分量的起始值就越大。而短路前瞬時電流的大小又與電源電壓的幅值有關，又由于短路的任意性，其幅值大小無法確定，所以直流分量大小也無法確定，但總存在某個時刻短路時，直流分量起始值有一個最大值。如果短路恰好發生在某些直流分量比較大的時刻，較大的直流分量就會導致潛供電弧的難以自熄。

綜上所述：當直流分量的起始電流值過大，衰減的速度過慢時，即使旁路故障相補償電容，消除了低頻分量的影響，直流分量仍然會因為衰減的不夠快幅值過大而造成潛供電弧的難以自熄，導致重合閘的失敗。

3 小電阻短接故障相串補熄滅潛供電弧

由于潛供電流中的直流分量衰減快慢與短路的時刻和接地電阻有關，而短路瞬時的任意性和接地電阻阻值的不確定性，在大多數情況下仍會阻礙潛供電弧的自熄；并且在旁路故障相串補消除潛供電弧中低頻分量時，又增加了直流分量，潛供電弧就更加難以自熄。

為消除這種阻礙潛供電弧快速自熄的直流分量，依據式（4）中直流分量的衰減快慢與R大小的關系，本文采用電阻短接故障相串補的方法來熄滅潛供電弧，同時為達到旁路串補消除低頻分量的目的，電阻的阻值應選取較小的數值。

圖6給出了在穩態下的潛供電流的沿線分布，包括短接故障相串補和未短接故障相串補兩種情況，其中短接電阻為0相當于旁路故障相串補電容。從圖中可以得到，短接故障相串補電容會使得潛供電流有所減小，但沿線分布的趨勢并沒有變；另外潛供電流的大小會受到短接電阻大小的影響，根據電路知識可知，短接電阻越小，串補度越小，潛供電流也就會越小。

圖6 短接故障相串補對潛供電流的影響Fig.6Secondary arc current influence with shorting series compensation of fault phase

圖7為短接故障相串聯電容補償的電阻阻值分別為0 Ω、10 Ω、30 Ω、50 Ω時，潛供電流的EMTP暫態仿真結果。從圖中可看到潛供電流中的低頻分量已被消除，直流分量的衰減速度得到加快。并且短接用的電阻阻值越大，潛供電流衰減越快，在短接電阻為10 Ω時，潛供電流衰減過慢，電弧難以自熄；在短接電阻為30 Ω、50 Ω時，熄弧效果良好，能夠保證重合閘的成功。

圖7 短接故障相串補時的潛供電流波形Fig.7Waveforms of secondary arc current with shorting series compensation of fault phase

圖8所示是選取接地電阻為0、30 Ω時的恢復電壓大小，可以得到，在采用小電阻短接故障相串補時，恢復電壓的大小也會略有降低。

對于特高壓交流試驗示范工程晉東南至南陽段，本文建議可采用30～50 Ω的小電阻在故障時短接串補電容，既可加快潛供電流的衰減還可減小恢復電壓的大小，從而保證潛供電弧的順利自熄。

圖8 短接故障相串補時的恢復電壓Fig.8Waveforms of the recovery voltage with shorting series compensation of fault phase

4 結語

（1）在旁路故障相串補時，潛供電流中的低頻分量被消除，但增大了直流分量。

（2）直流分量的起始值與故障時刻密切相關，而衰減速度隨接地電阻變大而變大，但故障時刻和接地電阻都具有不確定性，在直流分量起始值很大而接地電阻很小的情況下，會導致熄弧困難。

（3）利用小電阻短接故障相串補能夠加快直流分量的衰減，同時對恢復電壓也有一定的抑制，能夠加快電弧的自熄，提高了重合閘的可靠性。本文建議對于晉東南至南陽段采用小電阻為30～50 Ω之間的阻值較為合適。

[1]李振強，谷定燮，修木洪（Li Zhenqiang，Gu Dingxie，Xiu Muhong）.特高壓同塔雙回線路潛供電弧抑制措施的比較（Comparison of two measures on restricting secondary arc in UHV double circuit lines on the same tower）[J].高電壓技術（HighVoltageEngineering），2010，36（10）：2388-2392.

[2]孫秋芹，李清泉，李慶民，等（Sun Qiuqin，Li Qingquan，Li Qingmin，et al）.特高壓線路熄滅潛供電弧的方法比較（Comparison of secondary arc extinction methods for UHV transmission lines）[J].電力自動化設備（Electric Power Automation Equipment），2009，29（4）：76-80.

[3]顏湘蓮，陳維江，王承玉，等（Yan Xianglian，Chen Weijiang，Wang Chengyu，et al）．計及風影響的潛供電弧自熄特性計算研究（Computation of secondary arc self-ex－tinction behavior with the influence of wind）[J]．中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2009，29（10）：1-6．

[4]孫秋芹，李慶民，呂鑫昌，等（Sun Qiuqin，Li Qingmin，Lü Xinchang，et al）.特高壓輸電線路潛供電弧的物理模擬與建模綜述（Survey on physical simulation and mathematical modelling for secondary arcs of UHV transmission lines）[J].電網技術（Power System Technology），2011，35（2）：7-12.

[5]和彥淼，宋杲，曹榮江，等（He Yanmiao，Song Gao，Cao Rongjiang，et al）.1 000 kV特高壓輸電線路潛供電弧試驗研究（Test research of secondary arc in 1 000 kV UHV double-circuit transmission lines）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2011，31（16）：138-143.

[6]鐘勝（Zhong Sheng）.與超高壓輸電線路加裝串補裝置有關的系統問題及其解決方案（Problems caused by adding series compensation devices to EHV transmission system and their solution）[J].電網技術（Power System Technology），2004，28（6）：26-30.

[7]羅隆福，陳波，許加柱（Luo Longfu，Chen Bo，Xu Jiazhu）.磁飽和可控電抗器等效模型在設計中的應用（Application of equivalent physical model of magnetically saturated controllable reactor in the design）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（5）：70-74.

[8]Dudurych I M，Gallagher T J，Rosolowski E．Arc effect on single-phase reclosing time of a UHV power transmission line[J].IEEE Trans on Power Delivery，2004，19（2）：854-860．

[9]林莘，謝寅志，徐建源（Lin Xin，Xie Yinzhi，Xu Jianyuan）.特高壓交流輸電線路潛供電弧的抑制措施（Secondary arc extinction methods for UHVAC transmission lines）[J].高電壓技術（High Voltage Engineering），2012，38（9）：2150-2156．

Secondary Arc Extinction in UHV Transmission Line with Series Capacitor Compensation

HU Yu-sheng，SHANG Li-qun，LIU Pei
（School of Electrical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

Successful single-phase-reclose is closely related to the quick self-extinguish of the secondary arc.In order to acceleratingly extinguish the arc，a method via a certain resistor to short up the fault phase capacitance is proposed when a single-phase ground fault occurres in UHV transmission line with series compensation.This paper elaborates frequency characteristics of secondary-arc currents，and indicates the relationship between the value，attenuation rate of DC component of the secondary arc and the fault time，arc way resistance.The result confirms that this method is feasible and effective to extinguish secondary arc.

ultra-high voltage（UHV）transmission line with series compensation；secondary arc；direct current component；shorting resistance

TM773

A

1003-8930（2014）08-0029-05

胡玉生（1986—），男，碩士研究生，研究方向為自適應重合閘。Email：290028965@qq.com

2012-12-27；

2013-06-07

陜西省教育廳科研計劃資助項目（12JK0568）

商立群（1968—），男，博士，教授，研究方向為電力系統及其自動化。Email：851973009@qq.com

劉培（1989—），女，碩士研究生，研究方向為故障測距。Email：1311732258@qq.com