特高压输电线路的工频过电压研究

田 书 郭芃君 梁 京

（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南 焦作 454003）

近年来，随着我国国民经济的快速发展，对电力的需求日益增大，甚至有些地方在用电高峰期出现缺电情况，那么建立特高压输电系统将有助于解决这一情况，使资源更加优化，提高能源利用率。我国1000kV特高压输电的主要特点是传输容量大，输电距离远，西部能源基地与东部负荷中心距离在1000km以上，随之带来的电磁暂态和过电压问题就显得比较突出[2-6]，主要表现为其电容效应异常显著，由此造成很大的空载线路工频过电压，在此基础上由于线路合闸（包括单相重合闸）、分闸等的一些操作过电压也会引发很大的过电压很大，如果不采取相应的措施，必将严重影响着线路的安全运行。

目前国家电网公司已完成了晋东南-南阳-荆门单回百万伏级输电示范工程的建设工作，已经成功运行，这标志我国对特高压研究进入了一个新的阶段。本文基于示范工程对双电源双回路供电系统各种工况下的工频过电压升高现象有研究对象，利用电磁暂态计算程序 ATP-EMTP中的LCC模型建立特高压线路仿真模型仿真分析了线路的电容效应和单相接地故障对特高压输电线路的影响，并提出了采用高压并联电抗器进行无功补偿限制工频过电压升高的措施，以及必要时用MOA限制由单相接地引起过电压幅值较高时的措施。

1 过电压理论分析

工频过电压产生机理

随着输电线路电压等级的提高，输送距离的增长，需要考虑到长线路的电容效应，采用分步参数电路模型[7-8]。

图1 特高压输电线路等值电路

在线路空载情况下（如图1所示），线路首末端的电压表达式为

式中，γ为输电线路的的传播系数；β为衰减系数；α为相位移系数；ZC为输电线路波阻抗。

考虑电源电抗后，根据式（1）、（2）可得线路末端电压与电源电动势的关系为

可以看出，线路越长，系统等值阻抗越大，线路末端的电压就越高。

2 特高压输电线路模型

在此建立一段长度为600km的1000kV特高压输电线路模型，如图2所示，潮流从m流向n，双端电源的摆开角度为30°。

图2 特高压输电线路模型

利用ATP-EMTP建立1000kV特高压输电线路仿真模型。文献[9]介绍了EMTP在UHV线路计算的方法以及各个元件模型的介绍。具体模型参数设置：特高压输电线路采用分段补偿[6]，即分段长度为300km；高压并联电抗器补偿度设为87%[10]；双端电源摆开角度为30°，两端断路器并联上合闸电阻，合闸电阻阻值取600Ω[10]。一般装设的合闸电阻接入时间为8～12ms，这里设为10ms。仿真时断路器随机合闸200次，从中得出出现2%概率的最大过电压的统计值。合闸电阻接入时间取0.1s，断路器合闸时间取0.2s，整个仿真时间取0.5s。

选取 MOA的主要参数[11-13]：额定电压为828kV，持续运行电压约为638kV，标称放电电流为20kA，在30/60μs、2kV下的操作冲击残压不高于1460kV，在8/20μs、20kA下，雷电冲击残压不高于1640kA，工频参考电压不低于828kV。在模型中设置的基准电压为

3 ATP-EMTP仿真分析

3.1 空载电容效应仿真计算条件

（1）特高压输电线路全长2×300km，传输容量为3000MVA，线路每100km的充电功率为315.5Mvar，所以必须采用高压并联电抗器进行无功补偿。

（2）在分析空载线路在电容效应基础上，仿真计算高压并联电抗器装设在线路首端、末端以及线路两端工频电压升高及其沿线分布。

表1 高压并联电抗器装设在线路首端、末端和线路两端下的空载线路电压分布

3.2 结果分析

由表1的仿真结果可以看出：

（1）输电线路安装高压并联电抗器后对空载电容效应引起的过电压有一定抑制作用，越靠近高抗的沿线过电压越低。

（2）当补偿度一定时，高抗安装在线路末端出现的最大过电压要小于装设在线路首端和线路两端，但是要考虑到实际线路，多采取就地补偿无功以平衡局部无功，仿真结果中高抗装设两端时的沿线过电压倍数最大的只比末端装设时的多4.61%。综合考虑实际情况建议采用线路两端装设高压并联电抗器来限制这种沿线工频电压升高。

3.3 单相接地故障仿真计算条件

（1）接地故障发生在一相线路的首端、线路中间和线路末端，在正常相上感应出的工频过电压。故障时间设为一个工频周期内的随机时间。

（2）线路补偿度设置为87%，由前文仿真结果，高抗装设在线路的两端。

（3）比较分析有无MOA装设时对工频过电压大小的影响。

基于仿真模型，线路中部在0.3s发生A相接地故障，线路一端断路器在0.345s分闸甩负荷，此时设定故障发生时刻为单相电压峰值（此时的过电压最为严重），健全相B相过电压仿真图如图3所示。

故障发生后，考虑到线路中部过电压比较严重，在0.31s时工频过电压大于1.3p.u.。

图3 线路中间发生单相接地故障时健全相上的过电压

在线路两端装设 MOA情况下，输电线路中间发生A相接地故障后，健全相B相的电压仿真图如图4所示。

图4 装设MOA时线路中间发生单相接地故障时健全相上的过电压

表2 未装设MOA时不同故障点单相接地工频过电压

表3 装设MOA时不同故障点单相接地工频过电压

3.4 结果分析

（1）由表2的仿真结果可以得出输电线路中间发生单相接地时的工频过电压大于线路两端接地过电压；并且造成的过电压最大值往往出现在线路中部，末端电压一般高于首端。

（2）由表 3的仿真结果可以得出线路装设MOA后，过电压的幅值有明显的降低，有一定的抑制效果，并且沿线过电压趋于平缓。

4 结论

本文通过仿真计算重点对双电源双回路特高压输电线路的工频过电压进行了分析研究，仿真结果表明在输电线路末端装设高压并联电抗器后的效果最好，可以把线路工频过电压降到1.095p.u.；但是要考虑到实际线路，多采取就地补偿无功以平衡局部无功，仿真结果中高抗装设两端时的沿线过电压倍数最大的只比末端装设时的多 4.61%。综合考虑实际情况建议采用线路两端装设高压并联电抗器来限制这种沿线工频电压升高。输电线路发生单相接地故障时，引起的过电压最严重时可达到1.317p.u.，利用 MOA后可将其过电压幅值降低到1.045p.u.，并且得到的沿线电压比较平缓。

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