长距离500kV线路操作过电压限制措施选择与验证

方建（福建省电力勘测设计院，福建福州　350001）



长距离500kV线路操作过电压限制措施选择与验证

方建
（福建省电力勘测设计院，福建福州350001）

ABSTRACT：When the switching overvo1tage of the 500 kV transmission 1ine exceeds the sPecified va1ue，ProPer measures must be taken to ensure the safety and re1iabi1ity of the Power suPP1y system. In this PaPer，the 1imiting measures of the switching overvo1tage and the Potentia1 distribution of the MOA are ana1yzed，and based on the actua1 engineering examP1es，the overvo1tage variation and the Parameters of the MOA before and after the MOA measure are taken are a1so ana1yzed，and at the same time whether the insu1ation design of the transmission 1ine meets the requirements without the restriction measures taken is verified. The resu1t suggests that these two oPerating modes in the switching overvo1tage can be used as a so1ution when the switching overvo1tage exceeds the sPecified va1ue.

KEY W0RDS：1ong distance 500 kV transmission 1ine；switching overvo1tage；MOA；Potentia1 distribution

摘要：在500 kV线路的系统操作过电压超过相关规范规定要求时，必须对其采取限制措施以保证供电系统的安全可靠性。分析操作过电压的限制措施、氧化性避雷器电位分布，结合工程实例分析采取氧化性避雷器限制措施前后的过电压变化以及避雷器参数的取值；同时验证在不采取限制措施情况下输电线路绝缘设计是否满足要求。结果表明，这2种不同的操作过电压处理方式，均可作为解决操作过电压水平超过要求值时的解决方案。

关键词：长距离500 kV线路；操作过电压；氧化性避雷器；电位分布

能否解决好长距离500 kV线路的操作过电压，尤其是三相合空载操作过电压，将直接影响输电线路的安全运行与否。本文依托福建省内某条500 kV开断线路进行分析研究操作过电压的限制措施，同时，验算在不安装任何保护措施情况下输电线路的绝缘设计能否满足操作过电压的要求。该500 kV开断线路新建仅8 km，但开断后却形成了120 km和150 km的2条双回路线路。由于开断后形成了新的长线路，因此需要特别注意操作过电压倍数的限制。操作过电压倍数在不同相、不同回路断开、不同回路合闸等情况下的数值有较大差异。本文取最严重的情况下对应的操作过电压倍数作为研究对象。

1　操作过电压限制措施

空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸（如运行中使用时），在线路上产生的相对地统计过电压，对330 kV和500 kV系统分别为不宜大于2.2 Pu和2.0 Pu[1]。在限制操作过电压的措施方面，可用几种方法来控制输电系统上发生的过电压：

1）如发生过电压原因是操作断路器或其他开关设备，即可用各种方法来改变这一操作。

2）在需要保护的地点安装避雷器，将过电压限制到可接受的水平。

3）改变输电系统使操作过电压减小[2]。

以开断后形成的150 km长度侧为例，当I、II回线路均断开，合II回时为操作过电压超限值最严重的情况，以下所有的操作过电压计算均以这个情况为条件。经计算，变电侧与沿线的三相合空载操作过电压计算结果如表1所示。

表1　三相合空载操作过电压计算结果Tab. 1 The calculatlon results of three phase comblned no-load operatlon overvoltage　pu

由表1可知，变电侧的相对地统计过电压倍数在规定值2.0 Pu以内，满足要求，无需安装合闸电阻等措施来限制操作过电压。而线路的沿线操作过电压超过相关要求，对于整个庞大的输电网架来讲，一般以负荷需求为导向开展电网规划建设，采用改变输电系统使操作过电压减小可能性极小，唯一合理可行的方案就是在需要保护的地点安装避雷器。另外，国内外超高压系统使用断路器很普遍，和合闸电阻有关的事故和故障已不少，近年来对于取消合闸电阻的研究也很多，我国西北部分330 kV及国外部分500 kV线路[3-4]已经取消合闸电阻运行，合理利用线路2端的氧化锌避雷器，并积累了一定的运行经验[5]，将过电压限制到可接受的水平，同时保证避雷器电位能够合理分布。

2　氧化锌避雷器电位分布

为了更好了解氧化性避雷器的特性，以下简要分析其特性，有助于更好地选用。

氧化锌避雷器保护特性好，能量吸收能力强，稳定性好，可以限制超高压输电线路的各种暂态过电压[5]。

无间隙避雷器采用具有优异非线性伏安特性、大通流能力的氧化锌电阻片组装而成，由于没有空气间隔，其放电特性离散性小，可同时满足防护雷电过电压及操作过电压的双重要求。因此，线路常采用无间隙型的氧化锌避雷器作为操作过电压过高的保护措施。

在理想情况下，避雷器的电压呈线性分布，但由于避雷器杂散电容的存在使得电位分布不可能为理想状态。以无间隙复合外套金属氧化物避雷器的电场分布为例，常常需要进行三维有限元计算和均压环、电极优化配置计算，设计无间隙避雷器的均压结构，形成尽可能均匀的场强和电位分布，图1、图2为杂散电容分布状态以及均压优化前后的点位分布。为了更好地理解电位分布，图3为某厂家避雷器在某电力设备电气绝缘国家重点实验室计算的典型500 kV输电线路用无间隙避雷器电位分布图，该图可直观地了解电位的空间分布。不同厂家的产品会有不同的差异，选用时可适当提出设计要求以保证电位分布合理性。

图1　杂散电容的分布状态Flg. 1 The dlstrlbutlon of the stray capacltance

图2　均压优化前后的电位分布示意Flg. 2 The schematlc dlagram of the potentlal dlstrlbutlon before and after the mean pressure optlmlzatlon

3　装设氧化锌避雷器方案对操作过电压的影响分析

沿线的操作过电压分布情况以2侧的变电站作为起点与终点，经计算，在未采取任何保护措施情况下，其操作过电压分布如图4所示。由图4可知，线路的起点段与终点段均满足要求，主要是线路的中部相对地统计过电压超过了规定的2.0 Pu。

图3　500 kV输电线路用无间隙避雷器电位分布（单位：V）Flg. 3 The potentlal dlstrlbutlon of non-gap arrester for the 500 kV transmlsslon llne（unlte：V）

图4　线路沿线操作过电压分布图Flg. 4 Swltchlng overvoltage dlstrlbutlon along the transmlsslon llne

结合其分布特点，分别采用1处安装和2处安装无间隙氧化锌避雷器的方案，分析其操作过电压限制情况以及避雷器最大放电能量，并推荐采用解决方案。

方案1采用1处安装无间隙氧化锌避雷器，根据操作过电压的分布情况，选择安装在线路的中点，经计算，如表2所示，三相合空载操作过电压刚好为2.0 Pu，满足要求，但刚好位于临界状态。

表2　三相合空载操作过电压计算结果（装1处避雷器情况下）Tab. 2 The calculatlon results of three phase comblned no-load operatlon overvoltage（under the condltlon of one arrester）

方案2采用2处安装无间隙氧化锌避雷器，原则上分别安装在3等分处，分别位于离线路起点50 km、100 km处，具体塔位根据现场情况取合适塔位就近安装，经计算，如表3所示，三相合空载操作过电压刚好为1.95 Pu，满足要求。

表3　三相合空载操作过电压计算结果（沿线装设2组线路避雷器）Tab. 3 The Calculatlon results of three phase comblned no-load operatlon over voltage（under the condltlon of two arresters）

从以上计算结果可知，2种氧化锌避雷器的安装方案均能较好限制操作过电压的倍数以保证满足不超过规定值2.0 Pu。

方案1刚好满足不超过规定值2.0 Pu的要求，而方案2则较好地满足要求。因此，类似的工程可根据具体线路的重要性以及运检各方的要求确定方案。

对于无间隙氧化锌避雷器的相关参数除了需要满足相关规范规定要求外，还需要满足根据具体线路的条件模拟计算的避雷器特性参数。根据该依托工程的计算条件模拟计算采用的线路避雷器特性如表4所示。

表4　操作过电压模拟计算采用的线路避雷器特性Tab. 4 The characterlstlcs of the arrester used ln the calculatlon of operatlng overvoltage

无间隙氧化锌避雷器可直接安装在耐张转角塔跳线处。以单跳线为例，避雷器的组装图及安装方式可分别参照图5、图6，双跳线时则可将其中一跳线串直接换成无间隙氧化锌避雷器。

4　未采取保护措施下的操作过电压对应的绝缘设计验证

从实际工程出发，并不是只要沿线的操作过电压倍数超过规定值就必须进行采取保护措施，可具体根据实际情况对线路的绝缘设计进行验证，如满足要求，则可不采取氧化锌避雷器等保护措施。

沿线“相对地2%概率操作过电压”最大为2.06 Pu，沿线“相间最大操作操作过电压”最大为3.62 Pu。本文根据对应的操作过电压数值对实际情况进行验证。

1）相间最大操作过电压校验。由于采用非“紧凑型”铁塔，相间距离均大于11 m，而根据《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》表7.0.11规定500 kV线路塔头相间最小间隙为5.2 m，因此相间最大操作过电压不作为控制条件，能满足系统要求。

图5　避雷器的组装图（单位：mm）Flg. 5 Assembly dlagram of the arrester（ulte：mm）

图6　无间隙氧化锌避雷器安装示意图Flg. 6 The schematlc dlagram of the lnstallatlon of non-gap zlnc oxlde llghtnlng arrester

2）相对地操作过电压校验。线路“操作过电压工况”间隙采用的相对地操作过电压为2%概率（对应间隙要求为2.7 m），而在未采取保护措施下的系统相对地操作过电压相应间隙约2.781 m，因此按照2.781 m验证实际绝缘子串情况下的铁塔间隙。经对沿线的塔身对应间隙校验分析，该500 kV线路操作过电压下的相对地最小间隙达到2.9 m，大于系统相对地操作过电压相应间隙，能满足系统相对操作过电压要求。

3）操作过电压对应绝缘子长度校验。省内的500 kV线路绝缘子的“绝缘长度”均为工频污闪电压控制，按操作过电压、雷电过电压校验绝缘长度，《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》规定的2.0 Pu操作过电压对应绝缘子长度为25片×155 mm/片＝3 875 mm，2.06 Pu操作过电压要求对应的绝缘子长度为3 992 mm，而实际工程中使用的最短悬式绝缘子长度4 380 mm，实际工程中使用的复合绝缘子结构高度为4 450 mm且其最小电弧距离为4 000 mm，因此全线绝缘子均能满足操作过电压要求。

通过以上的验证表明，实际工程的绝缘设计已经能够满足沿线“相对地2%概率操作过电压”2.06 Pu以及“相间最大操作操作过电压”3.62 Pu的要求，能够满足运行要求，无需另外安装氧化锌避雷器等保护措施。

5　结语

本文对500 kV线路相对地统计过电压超过规定值时限制措施进行分析，简要介绍线路部分常用的无间隙氧化锌避雷器电位分布，并重点针对是否采取的保护方案分析，建议如下：

1）500 kV等长距离的超高压线路应注意操作过电压影响，尤其是对于开断后形成的长距离线路比较容易疏忽，应特别注意。

2）如采用氧化锌避雷器的方案，可结合实际情况比较多方案的避雷器装设以保证操作过电压的倍数满足要求，且不同情况下应注意避雷器参数的取值不同，既要满足规范规定的取值，也得符合工程实际。

3）由于近几年新建的大部分线路都已采用高绝缘配置，可通过验证其绝缘设计的间隙能否满足未采取保护措施下操作过电压倍数对应的间隙，如果满足要求，则不需要采取其他保护措施。

4）对于是否采取保护措施以及采取何种方案的保护措施，应坚持技术经济、安全可靠的原则。

参考文献

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[5]黄燕艳，张颖，施围.不同额定电压等级避雷器对操作过电压的影响[J].高压电器，2003，39（4）：4-6. HUANG Yanyan，ZHANG Ying，SHI Wei. Inf1uence of different rated vo1tage MOAS on switching surges[J]. High Vo1tage APParatus，2003，39（4）：4-6（in Chinese）.

方建（1978—），男，硕士，高级工程师，从事架空线及电缆设计工作。

（编辑董小兵）

作者简介：

收稿日期：2015-08-23。

文章编号：1674-3814（2016）01-0032-04
Selectlon and Verlflcatlon of the Llmltlng Measures About Swltchlng 0vervoltage for Long Dlstance 500 kV Transmlsslon Llne
FANG Jian（Fujian E1etcric Power Survey & Design Institute，Fuzhou 350001，Fujian，China）

中图分类号：TM757

文献标志码：A