基于EMTP的空載線路合閘過電壓研究

摘 要：本文以關合空載線路為例，用EMTP仿真程序建立系統模型，模擬關合空載線路時的過電壓情況，同時模擬在系統模型中加裝并聯電抗器，限制操作過電壓的情況。通過仿真計算對操作過電壓及其預防性措施的效用進行分析。本研究對實際電力系統操作過電壓的研究與預防具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：操作過電壓;空載線路;容升效應;并聯電抗器

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0139-03

過電壓現象在當前的電力系統中十分常見。過電壓水平的高低威脅著設備的絕緣安全。當設備的絕緣遭到破壞時，設備將無法安全運行，從而威脅到整個電網的安全穩定運行。系統中經常發生由于設備絕緣遭到破壞而造成的短路故障，導致系統供電受損，更有甚者可能造成繼電保護切機、切負荷，給系統帶來較大擾動，對系統的穩定運行造成嚴重的安全隱患。

1 過電壓的種類

在電力系統中，常見的過電壓類型主要分為兩類，即外部過電壓與內部過電壓。研究其規律并對其采取適當的防護措施，對電力系統安全穩定運行具有十分重要的意義。

1.1 外部過電壓

外部過電壓又稱雷電過電壓，是由于電力系統內的設備或建筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應而引起的過電壓[1]。該類型的過電壓水平一般可達幾百千伏至幾千千伏。通過建立雷電流模型，與雷電環境下設備的波阻抗模型，可有效研究雷電過電壓的水平及危害程度。

從預防雷電過電壓的角度來看，通常采用架設避雷針、避雷線的方式來防止直擊雷;采用安裝避雷器的方式來限制雷電流經線路傳入變電站在各設備上產生的過電壓。

1.2 內部過電壓

內部過電壓產生的原因在于系統內部的能量轉化或系統拓撲結構突變。由于其產生的原因都來自系統內部，因而稱內部過電壓。內部過電壓的特點有：產生過電壓的能量來自于系統本身，過電壓的幅值通常較高。根據產生的原因，可將內部過電壓分為三類，即操作過電壓、諧振過電壓和工頻過電壓[2]。電力系統中的開關操作、單相接地、設備投切等都有可能造成內部過電壓。因而，對于內部過電壓的研究，要分清種類，反復校驗不同工況下的內部過電壓水平，為內部過電壓的防治提供依據。

1.2.1 操作過電壓。操作過電壓是在電力系統中由于操作所引起的一類過電壓。常見的操作過電壓有投切空載變壓器過電壓、投切空載長線路過電壓[3]。用斷路器切除空載變壓器是電力系統中的一項常規操作。在操作過程中，斷路器要切斷變壓器的感性電流，由于電弧可能不是在過零點時熄滅的，此時感性電流被切斷，變壓器感性線圈中的電磁能瞬間轉化為電場能量，在斷路器的觸頭處產生過電壓。

在切空載長線路過程中，長線路的容升效應使空載線路本身具有容性負載特性，在斷路器合閘過程中，可能造成觸頭電弧重燃，從而引起局部電磁振蕩，產生過電壓。其他種類的操作過電壓同樣是由于運行狀態發生變化，引起電容和電感元件電磁能量互相轉化而產生的一種振蕩性質的過電壓[4]。

1.2.2 工頻過電壓。根據產生性質得不同，可將工頻過電壓分為工頻穩態過電壓與工頻暫態過電壓。例如，在小電流接地系統中，單線接地故障時，繼電保護裝置只發出故障信息，并不動作與斷路器跳閘。此時，不考慮系統的三相不平衡狀況，兩個非故障相的相電壓升高到之前的[3]倍，此種過電壓情況即為穩態過電壓。由于小電流接地系統中單相接地故障容許繼續運行2h左右，穩態過電壓就會對設備的絕緣造成危害。

又如，在空載長線路中，因線路的容升效應造成線路末端電壓高于始端。空載長線路的末端電壓升高和線路長度、電源容量有關。線路愈長，電壓升高愈多;電源容量愈小，情況愈嚴重。為避免此種過電壓情況，通常在線路上加裝并聯電抗器，以電抗器補償線路的容升效應，減小過電壓水平。在實際運行中，通常應先根據運行方式的不同進行計算，選取適當的補償額度[5]。

暫態工頻過電壓常見的情況，如超高壓系統中的突然甩負荷，引起無功補償與系統無功需求的不匹配，從而引起暫態過電壓。

1.2.3 諧振過電壓。根據產生的機理不同，可將諧振過電壓分為線性諧振過電壓與鐵磁諧振過電壓。當系統中的諧波頻率與某一自然頻率相等時，就會引起該頻率下的諧振過電壓。諧振是一種穩態現象，可根據諧振產生的條件，采取一定措施，避免發生耦合，產生諧振。電力系統中的諧振不屬于故障，但諧振往往能對系統的一些特性造成影響，從而間接引發故障[6]。

2 關合空載線路產生過電壓的機理

本文主要研究一種典型的操作過電壓情況。操作過電壓包括投切空載變壓器過電壓與投切空載線路過電壓，下面將從理論分析的角度分析關合空載線路產生過電壓的機理。

電力系統中經常要進行斷路器合閘操作，現以一兩端電源系統為例進行分析，系統結構圖如圖1所示。

在該兩端等值電源網絡中，電源[Ea]、[Eb]經輸電線路連通，線路兩端裝有斷路器QF1、QF2。當QF2斷開時，關合QF1，此時就是一種典型的關合空載線路的操作。線路采用集中參數線路的T型等值電路來表示，如圖2所示。

3 仿真計算

本次仿真采用一雙端電源系統，兩端線路短路器斷開，首先計算關合一側斷路器，觀察線路對側電壓波形。線路對側加裝并聯電抗器后，再次仿真計算并聯電抗器用于限制操作過電壓的效果。系統結構如圖4所示。

由圖4可知，仿真模型采用一500kV輸電線路，G表示一500kV等值電源，采用∏型等值電路，QF為線路斷路器，隔離開關GW控制無功補償電容器的投切操作。系統參數采用500kV輸電系統的典型參數。

在研究變電站出線空載合閘情況時，母線的操作電壓為實際的母線電壓。500kV系統中，空載線路的合閘所產生的相對地電壓應小于2.0pu。取標幺值時，1pu=525[2]/[3]kV。仿真計算時，斷路器采用時間控制開關模型，0.1s時關合斷路器[7]。

未加裝并聯電抗器時，0.1s時關合線路斷路器，此時線路對側電壓波形如圖5所示。

由圖5可知，線路對側未加裝并聯電抗器時，關合空載線路，線路對側產生的過電壓水平為592kV，超出了規程規定的電壓范圍[8]。

在線路對側加裝一并聯電抗器，再進行同樣的仿真計算，線路對側電壓波形如圖6所示。

由圖6可知，線路對側加裝并聯電抗器后，關合空載線路，線路電壓被限制在508kV，處出于安全范圍之內，未超出規程規定的電壓范圍。

4 結論

本文介紹了幾種常見的過電壓類型，并給出了相應的防護措施。重點分析了關合空載線路時引起過電壓的機理，通過在EMTP建立仿真模型，模擬了關合空載線路時產生過電壓的情況，并加裝并聯電抗器，研究了并聯電抗器對操作過電壓的限制能力。電力系統中的操作過電壓將對設備絕緣造成危害，應合理配置并聯電抗器等措施加以限制過電壓水平，保護系統的安全運行。

參考文獻：

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[8]安昌萍.真空斷路器操作過電壓研究[D].重慶：重慶大學，2002.