1000kV输电线路空载线路合闸过电压问题研究

邓 涛，何人望

（华东交通大学 电气工程学院，南昌 330013）

1000kV输电线路空载线路合闸过电压问题研究

邓 涛，何人望

（华东交通大学 电气工程学院，南昌 330013）

随着社会的不断发展，电网中电压的提升对输电线路操作过电压的允许范围制定了更高的指标。国际国内超高压系统中普遍采用的方式是附加单级合闸电阻限制操作过电压，但在特高压系统中很难满足其需求。本文提出采用多级合闸电阻限制特高压线路的操作过电压，采用电磁暂态分析程序ATP-EMTP对国内的示范工程──一条特高压交流输电试验，在JINGDONG、NANYANG至JINGMEN的特高压交流输电工程中的1000kV输电线路中，仅使用多级合闸电阻和单级合闸电阻一起来限制同一时期合闸过电压的现象进行了剖析指导。

特高压输电；操作过电压；多级合闸电阻；ATPEMTP

电力系统过电压是发展特高压电网所必须研究的一个重要课题。特高压远距离输电具有多重优势，如距离远、容量大、损耗低等。从电网发展过程中原料的分布条件以及我国经济长远进程来看，我国电力工业发展的必然趋势是推进特高压输电工程，并把特高压线路作为全国电网的主网架。绝缘水平是特高压输电中的重要参数，而过电压倍数也是绝缘水平有着直接关系。其原因是工频过电压始终存在特高压远距离输电线路的空载长线所产生的电容效应，在这个层面上，输电线路及与其连接的设备上产生更高的过电压一定会在输电线路的开关操作中反应出来，如何把操作过电压倍数大大降低，现在成为推进特高压电网所要解决的关键。本文中，将装有带合闸电阻的断路器作为重合闸操作过电压的措施放在超高压系统中采用，可以理解为在主触头闭合之前，必须先在闭合回路中瞬时串入一定阻值的合闸电阻，阻隔暂态过电压的现象。

据其他国家的研究资料，500kV系统输电线路允许的过电压倍数为高倍，明显高于1 000kV的2倍。这对导致在电网操作过电压允许值给出了更加严格的要求，即1 000kV及以上电压等级电网中己不能满足过电压限压要求。在实际中，1 000kV电网中将不能被满足，而之前的实验也证明，在特高压电网中，采用断路器附加合闸电阻也是限制操作过电压的重要措施，但一般只存在于传统的单级合闸电阻，要将过电压限制到1.5倍或更低的水平是非常非常困难的，因此，该本文采用多级合闸电阻的方法。

1　操作过电压理论分析与计算

电力系统中的电容、电感均为储能元件，在操作或者故障引起的过渡过程中，由于电源继续供给能量，储存在电感或电容中的能量会释放或转换，产生高于电源电势的过电压，但这些是在几毫秒至几十毫秒之后要消失的暂态过电压，是由工频电压和自振振荡电压叠加而成的。与超高压输电线路参数相比，在特高压输电线路中，分布电容较大，而分布电阻和电感相对较小。此外，特高压输电线路相对来说比较长，导致在暂态过程中出现很高的过电压，其中，特高压电网中最严重的过电压就是空载长线合闸操作过电压，在最极端的参考下过电压倍数很有可能达到3～4倍。

进行理论计算合闸操作过电压时，笔者假定断路器三相是完全一致的操作，这样输电线路上三相的暂态分量和强制分量之和均为零，互相抵消。正序参数就是过渡过程的电压的唯一影响因素，所以，可以采用单相回路进行分析。设电源等值电势t+θ）。取电势Em，时间t=1/ω，线路波阻抗Z为基准值。令，稳定时，p=j，于是2）。

这样合闸线路上任一点（和线路末端距离为x）的过渡过程运算电压在合闸后，在实际操作中，在断路器断口处加一个方向相反，大小相等的电势e（p）+Uo/p（U0以标幺值计）进行计算，这样依据叠加原理，可以得到 ：

式中，ZR（P）=Zcthpλ为自首端向末端看去的运算入口阻抗；Ls为电源漏感；Z为导线波阻抗；为该点首端的运行电压传递系数，。

利用分解定理求上式的原函数，得到合闸后该点的过渡过程电压：

式中，U2=1|（cosλ-Klλsin λ）为线路末端稳态电压幅值，其中Kl=Ls/Lol，L0为电路每千米电感；，其中iω为系统各次自振角频率；；。

若计及线路电阻 Ri对自由振荡的衰减作用，则（3）式可写成：当线路没有残余电压，且在电源电压最大值（θ=0）时，合闸线路末端电压为：

一般情况下，过渡过程电压的自由振荡项取前3项就可以满足精度要求。

2　空载线路合闸过电压

2.1合闸过电压产生原因

正因为大量的储能原件（L、C）在电力系统中存在，当这些储能原件的状态在开关的刀闸操作发生改变时，必然有一个过渡过程。由于储能原件的能量要释放出电源能量的持续供给，这两种能量的不断累加，这时候产生的过电压必然高于电源电势，而且消失时间在几毫秒至几十毫秒之间。

2.2合闸过电压计算

为方便计算，去除线路损耗等其他因素，笔者假定三相断路器同期同时合闸，这就可以按单相分析空载线路合闸过程。设t=0时，初始电压为0的空载长线与交流电源 e（t）=Emcos（ωt+θ）接通，利用拉普拉斯变换可以写出合闸后的线路首端电压的运算形式为：

式中，E（P）——电源电压的运算形式；

PL ——电源内电感的运算形式电抗；

Zrk（P）——运算形式的空载长线路首端的入口阻抗，Zrk（P）=Zclctha（P）l。

线路末端的运算形式则为：

式中，K12（P）——线路首端到末端的传递函数，对于空载长线路。

将式（6）代入式（7），线路末端电压的运算表达式为

利用分解定理，求出式（8）的原函数，可得合闸后线路末端的电压表达式为：

由式（9）结果可以看到，由稳态分量A cos tω和自由分量组成存在于过渡过程中线路上电压，其中各谐波分量Aicos ωit 组成自由分量是。由物理概念可知，各分量的振幅 A、 Ai与电源及线路参数有关，而各分量的振荡角频率iω 则由电源内电感及线路参数所决定，不同谐波的振幅值Ai随着iω的增加而减小。

由计算可知，在某种情况下空载长线路合闸时的基波分量振幅Ai。可能较稳态分量振幅A大，而过电压倍数可能大于2，这在集中参数电路中是不会出现的。

在超高压电网中，线路损耗通常较小，对谐波振荡角频率iω影响极小，而主要影响谐波振幅Ai，考虑线路损耗影响，线路末端电压可表达为

式中，βi——各次谐波振幅的衰减系数。

3　抑制合闸过电压的方法

目前，由于抑制合闸过电压在我国并不成熟，通常我国限制操作过电压采用的主要措施就是用性能良好的氧化锌避雷器作为后备保护并多采用带多个并联电阻的断路器。图1为断路器带单级、二级和三级合闸电阻的示意图，其中K0为主触头，K1、K2、K3分别为辅助触头，R1、R2、R3为合闸电阻。

图1　具有单级和多级合闸电阻的断路器

断路器闭合的主要工作原理就是电阻切换过电压的过程。其附加限制条件为：开关接触触头时，在某一段时间（称为闭合电阻的访问时间）后，主接触器闭合，从而限制过电压的合闸操作的目的。概括来说，断路器关闭过程分为两个阶段：第一阶段是连接到开关电阻，第二阶段是合闸电阻后做空。因为合闸电阻阻尼效果的过渡过程是在第一阶段，因此希望它的值越小，则过电压较低。在第二阶段，关阻力值越大，在过渡的过程中，闭合主触点则越激烈，过电压较高。综合来说，希望关阻力值尽可能的小。

与断路器与单级断路器合闸电阻是相似的抗性多级交换原理，并辅助触点所有合闸电阻连接到第一，然后级联采取短合闸电阻，但封闭相邻的两个辅助触头必须经过在一段时间，在此期间所述合闸电阻的访问时间，最后闭合主触头。如在图1（c）所示，依次合 K1、K2、K3、K0。通过大量的模拟计算，并考虑到能源消耗等各方面的因素，在合闸电阻一般取400Ω的1 000kV特高压电网中，且带有三级合闸电阻的断路器完全满足要求。

4　结 论

在不采取任何措施的情况下，1 000kV空载长线末端出现正向过电压最大值，达2.08pu，且波形振荡、畸变较严重。

使用单级合闸电阻时，在主触头合闸操作之后的10m s，1 000kV空载长线末端出现反向过电压最大值，过电压最大值降至1.368pu，波形较没有合闸电阻时更接近正弦波，不过仍存在小幅度畸变，达到最大过电压低于1.6～1.8 倍的要求。但是效果不太理想。

采用三级合闸电阻比单级合闸电阻限制效果更好，因为三级合闸电阻可以根据电网的变化采取不同的阻值，以达到更加理想的限制效果，所以，三级合闸电阻更加灵活、有效。

高压并联电抗器安装在线路末端时抑制工频电压升高的效果比安装在首端和两端时要好。但在感性无功过多的情况下，从电力系统功率和电压稳定的角度出发，希望无功潮流流动尽可能小，因此尽可能考虑在线路两端装设高抗来限制空载线路电容效应引起的电压升高。

同一补偿方式下，并联电抗器的补偿度越高，对过电压的限制效果越明显。

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.06.074

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