1000kV輸電線路空載線路合閘過電壓問題研究

鄧 濤，何人望

（華東交通大學 電氣工程學院，南昌 330013）

1000kV輸電線路空載線路合閘過電壓問題研究

鄧 濤，何人望

（華東交通大學 電氣工程學院，南昌 330013）

隨著社會的不斷發展，電網中電壓的提升對輸電線路操作過電壓的允許范圍制定了更高的指標。國際國內超高壓系統中普遍采用的方式是附加單級合閘電阻限制操作過電壓，但在特高壓系統中很難滿足其需求。本文提出采用多級合閘電阻限制特高壓線路的操作過電壓，采用電磁暫態分析程序ATP-EMTP對國內的示范工程──一條特高壓交流輸電試驗，在JINGDONG、NANYANG至JINGMEN的特高壓交流輸電工程中的1000kV輸電線路中，僅使用多級合閘電阻和單級合閘電阻一起來限制同一時期合閘過電壓的現象進行了剖析指導。

特高壓輸電；操作過電壓；多級合閘電阻；ATPEMTP

電力系統過電壓是發展特高壓電網所必須研究的一個重要課題。特高壓遠距離輸電具有多重優勢，如距離遠、容量大、損耗低等。從電網發展過程中原料的分布條件以及我國經濟長遠進程來看，我國電力工業發展的必然趨勢是推進特高壓輸電工程，并把特高壓線路作為全國電網的主網架。絕緣水平是特高壓輸電中的重要參數，而過電壓倍數也是絕緣水平有著直接關系。其原因是工頻過電壓始終存在特高壓遠距離輸電線路的空載長線所產生的電容效應，在這個層面上，輸電線路及與其連接的設備上產生更高的過電壓一定會在輸電線路的開關操作中反應出來，如何把操作過電壓倍數大大降低，現在成為推進特高壓電網所要解決的關鍵。本文中，將裝有帶合閘電阻的斷路器作為重合閘操作過電壓的措施放在超高壓系統中采用，可以理解為在主觸頭閉合之前，必須先在閉合回路中瞬時串入一定阻值的合閘電阻，阻隔暫態過電壓的現象。

據其他國家的研究資料，500kV系統輸電線路允許的過電壓倍數為高倍，明顯高于1 000kV的2倍。這對導致在電網操作過電壓允許值給出了更加嚴格的要求，即1 000kV及以上電壓等級電網中己不能滿足過電壓限壓要求。在實際中，1 000kV電網中將不能被滿足，而之前的實驗也證明，在特高壓電網中，采用斷路器附加合閘電阻也是限制操作過電壓的重要措施，但一般只存在于傳統的單級合閘電阻，要將過電壓限制到1.5倍或更低的水平是非常非常困難的，因此，該本文采用多級合閘電阻的方法。

1　操作過電壓理論分析與計算

電力系統中的電容、電感均為儲能元件，在操作或者故障引起的過渡過程中，由于電源繼續供給能量，儲存在電感或電容中的能量會釋放或轉換，產生高于電源電勢的過電壓，但這些是在幾毫秒至幾十毫秒之后要消失的暫態過電壓，是由工頻電壓和自振振蕩電壓疊加而成的。與超高壓輸電線路參數相比，在特高壓輸電線路中，分布電容較大，而分布電阻和電感相對較小。此外，特高壓輸電線路相對來說比較長，導致在暫態過程中出現很高的過電壓，其中，特高壓電網中最嚴重的過電壓就是空載長線合閘操作過電壓，在最極端的參考下過電壓倍數很有可能達到3～4倍。

進行理論計算合閘操作過電壓時，筆者假定斷路器三相是完全一致的操作，這樣輸電線路上三相的暫態分量和強制分量之和均為零，互相抵消。正序參數就是過渡過程的電壓的唯一影響因素，所以，可以采用單相回路進行分析。設電源等值電勢t+θ）。取電勢Em，時間t=1/ω，線路波阻抗Z為基準值。令，穩定時，p=j，于是2）。

這樣合閘線路上任一點（和線路末端距離為x）的過渡過程運算電壓在合閘后，在實際操作中，在斷路器斷口處加一個方向相反，大小相等的電勢e（p）+Uo/p（U0以標幺值計）進行計算，這樣依據疊加原理，可以得到 ：

式中，ZR（P）=Zcthpλ為自首端向末端看去的運算入口阻抗；Ls為電源漏感；Z為導線波阻抗；為該點首端的運行電壓傳遞系數，。

利用分解定理求上式的原函數，得到合閘后該點的過渡過程電壓：

式中，U2=1|（cosλ-Klλsin λ）為線路末端穩態電壓幅值，其中Kl=Ls/Lol，L0為電路每千米電感；，其中iω為系統各次自振角頻率；；。

若計及線路電阻 Ri對自由振蕩的衰減作用，則（3）式可寫成：當線路沒有殘余電壓，且在電源電壓最大值（θ=0）時，合閘線路末端電壓為：

一般情況下，過渡過程電壓的自由振蕩項取前3項就可以滿足精度要求。

2　空載線路合閘過電壓

2.1合閘過電壓產生原因

正因為大量的儲能原件（L、C）在電力系統中存在，當這些儲能原件的狀態在開關的刀閘操作發生改變時，必然有一個過渡過程。由于儲能原件的能量要釋放出電源能量的持續供給，這兩種能量的不斷累加，這時候產生的過電壓必然高于電源電勢，而且消失時間在幾毫秒至幾十毫秒之間。

2.2合閘過電壓計算

為方便計算，去除線路損耗等其他因素，筆者假定三相斷路器同期同時合閘，這就可以按單相分析空載線路合閘過程。設t=0時，初始電壓為0的空載長線與交流電源 e（t）=Emcos（ωt+θ）接通，利用拉普拉斯變換可以寫出合閘后的線路首端電壓的運算形式為：

式中，E（P）——電源電壓的運算形式；

PL ——電源內電感的運算形式電抗；

Zrk（P）——運算形式的空載長線路首端的入口阻抗，Zrk（P）=Zclctha（P）l。

線路末端的運算形式則為：

式中，K12（P）——線路首端到末端的傳遞函數，對于空載長線路。

將式（6）代入式（7），線路末端電壓的運算表達式為

利用分解定理，求出式（8）的原函數，可得合閘后線路末端的電壓表達式為：

由式（9）結果可以看到，由穩態分量A cos tω和自由分量組成存在于過渡過程中線路上電壓，其中各諧波分量Aicos ωit 組成自由分量是。由物理概念可知，各分量的振幅 A、 Ai與電源及線路參數有關，而各分量的振蕩角頻率iω 則由電源內電感及線路參數所決定，不同諧波的振幅值Ai隨著iω的增加而減小。

由計算可知，在某種情況下空載長線路合閘時的基波分量振幅Ai。可能較穩態分量振幅A大，而過電壓倍數可能大于2，這在集中參數電路中是不會出現的。

在超高壓電網中，線路損耗通常較小，對諧波振蕩角頻率iω影響極小，而主要影響諧波振幅Ai，考慮線路損耗影響，線路末端電壓可表達為

式中，βi——各次諧波振幅的衰減系數。

3　抑制合閘過電壓的方法

目前，由于抑制合閘過電壓在我國并不成熟，通常我國限制操作過電壓采用的主要措施就是用性能良好的氧化鋅避雷器作為后備保護并多采用帶多個并聯電阻的斷路器。圖1為斷路器帶單級、二級和三級合閘電阻的示意圖，其中K0為主觸頭，K1、K2、K3分別為輔助觸頭，R1、R2、R3為合閘電阻。

圖1　具有單級和多級合閘電阻的斷路器

斷路器閉合的主要工作原理就是電阻切換過電壓的過程。其附加限制條件為：開關接觸觸頭時，在某一段時間（稱為閉合電阻的訪問時間）后，主接觸器閉合，從而限制過電壓的合閘操作的目的。概括來說，斷路器關閉過程分為兩個階段：第一階段是連接到開關電阻，第二階段是合閘電阻后做空。因為合閘電阻阻尼效果的過渡過程是在第一階段，因此希望它的值越小，則過電壓較低。在第二階段，關阻力值越大，在過渡的過程中，閉合主觸點則越激烈，過電壓較高。綜合來說，希望關阻力值盡可能的小。

與斷路器與單級斷路器合閘電阻是相似的抗性多級交換原理，并輔助觸點所有合閘電阻連接到第一，然后級聯采取短合閘電阻，但封閉相鄰的兩個輔助觸頭必須經過在一段時間，在此期間所述合閘電阻的訪問時間，最后閉合主觸頭。如在圖1（c）所示，依次合 K1、K2、K3、K0。通過大量的模擬計算，并考慮到能源消耗等各方面的因素，在合閘電阻一般取400Ω的1 000kV特高壓電網中，且帶有三級合閘電阻的斷路器完全滿足要求。

4　結 論

在不采取任何措施的情況下，1 000kV空載長線末端出現正向過電壓最大值，達2.08pu，且波形振蕩、畸變較嚴重。

使用單級合閘電阻時，在主觸頭合閘操作之后的10m s，1 000kV空載長線末端出現反向過電壓最大值，過電壓最大值降至1.368pu，波形較沒有合閘電阻時更接近正弦波，不過仍存在小幅度畸變，達到最大過電壓低于1.6～1.8 倍的要求。但是效果不太理想。

采用三級合閘電阻比單級合閘電阻限制效果更好，因為三級合閘電阻可以根據電網的變化采取不同的阻值，以達到更加理想的限制效果，所以，三級合閘電阻更加靈活、有效。

高壓并聯電抗器安裝在線路末端時抑制工頻電壓升高的效果比安裝在首端和兩端時要好。但在感性無功過多的情況下，從電力系統功率和電壓穩定的角度出發，希望無功潮流流動盡可能小，因此盡可能考慮在線路兩端裝設高抗來限制空載線路電容效應引起的電壓升高。

同一補償方式下，并聯電抗器的補償度越高，對過電壓的限制效果越明顯。

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.06.074

TM 863；TM 75

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