基于避雷器TOV特性扩展华北风电集送系统工频过电压限值的研究

王晨星， 王 聪， 彭 珑， 王茂海

(1．华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045；2国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045；3．国家电网公司华北分部，北京 100053)

0 引言

在华北地区风电集中式送出系统中，过电压的计算与防护是保障系统安全稳定运行工作中至关重要的一环[1-3]。为满足各基建工程投产和运行的需要，通常会考虑系统调试和投入运行后可能出现的运行方式，进行工频过电压、操作过电压等内部过电压的计算，并确定相应的过电压防护措施[4-10]。在高电压、远距离输电工程中，由于工频过电压大小将直接影响操作过电压幅值，并且其对设备运行性能等有重大影响，使得工频过电压成为影响和制约系统绝缘水平及输送能力的重要因素[11-15]。因此，建立完善的工频过电压运行规则，进而对工频过电压的计算和防护提供充分且科学的判据，对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

目前，华北电网过电压的计算与防护主要以现行标准[16-18]相关规定作为依据，但电源结构的不断调整和电网规模的持续发展对工频过电压的运行规则提出了更加具体和完善的要求。随着风电等新能源大量替代传统电源，截止2021年底，华北地区新能源装机预计达到1.83亿千瓦，占全部电源装机的35.7%。尤其在锡盟交直流配套风电大规模集中式送出背景下，暂态过电压问题逐日凸显，成为制约风电输送能力的重要因素[19-21]。以华北电网锡盟地区风电送出系统为例，仿真计算和实际监测中均出现了具有高幅值、短时限(小于100 ms)特征的工频过电压。对于该类过电压，目前未有明确运行规定，而如果套用现行标准[16-18]中对长时限工频过电压运行限值的要求，将极大制约制锡盟地区整体风电送出能力。因此，在现行过电压规定基础上，对风电集中式送出系统工频过电压运行规则作进一步地补充和细化，成为亟待解决的关键问题。

典型电气设备在承受过电压能力上具有反时限特点，从而为系统工频过电压规则的进一步完善在理论上提供了可能。从避雷器、变压器、开关设备和互感器等设备性能角度出发，设备承受过电压的能力通常呈现出耐受电压大小与持续时间呈负相关的反时限特征[22-29]。因而在理论上，对于电力系统中的长时限(如持续数秒及以上)和短时限(如持续时间小于0.5 s)工频过电压，应当具有不同的上限要求。鉴于现行标准及规程已经对于长时限工频过电压上限做出了明确规定，因此补充和细化短时限内工频过电压运行要求是完善电力系统过电压运行规则的研究重点。

本研究在对华北地区风电集中式送出系统各电压等级工频过电压现行规定进行梳理和总结的基础上，划分了系统工频过电压安全运行、禁止运行和待定3种情况，进而提出了完善现行工频过电压运行规则的方法；通过统计和分析各电压等级避雷器工频耐受时间特性数据，对系统短时限内工频过电压运行限值进行了扩展，形成了风电集中式送出各电压等级系统工频过电压运行规则的完善建议。

1 现行工频过电压运行规则

1.1 各电压等级系统工频过电压限值要求

2)110 kV、220 kV系统不应大于1.3 p.u.。

3)500 kV、1 000 kV系统母线侧不宜超过1.3 p.u.，线路侧不宜超过1.4 p.u.，持续时间不应大于0.5 s。

按照以上要求，表1给出了华北地区风电集中式送出35 kV及以上电压等级系统工频过电压的运行限值。

1.2 工频过电压运行“3块区域”划分

由于电力系统内部过电压通常呈现随时间不断衰减直至达到系统稳态的特点，因此表1数据实际上也在时限层面上对电力系统工频过电压的运行做出了约束(为了便于分析，定义Uz为各电压等级系统工频过电压规定上限，tz为最大工频过电压的允许持续时间)：

1)当持续时间在tz内时，如果过电压大小不超过Uz，必然能够满足现行标准和规程的要求。

2)当持续时间大于tz时，由于过电压具有随时间衰减的特点，因此tz之后工频过电压的大小也不应超过表1给出的上限值。

表1 华北地区风电集中式送出各电压等级系统工频过电压(相对地)上限要求Table 1 Upper limits of power-frequency overvoltage (phase to ground) in centralized wind power transmission systems of different voltage levels in north China

3)在全时限范围内，考虑到避雷器对内部过电压的限制作用，工频过电压大小不应超过现行标准对操作过电压(持续时间一般小于20 ms)的规定上限[16-17]，如表2所示。

表2 各电压等级系统中操作过电压(相对地)上限要求Table 2 Upper limits of switching overvoltage (phase to ground) in power grids of different voltage levels

根据上述分析，以电力系统是否能够安全运行为标准，可由工频过电压的大小和持续时间将系统运行情况划分成3个区域，如图1所示。

1)安全运行区：即过电压大小和持续时间均低于现行标准规定限值的区域。例如：500 kV电压等级系统中，工频过电压大小在规定上限值以下，且持续时间在0.5 s以内的区域；以及在全时限范围内，在标准[30]规定系统最高运行电压(即系统标称电压乘110%)以下的区域。

2)禁止运行区：即过电压大小和持续时间均高于相关现行标准中规定上限的区域。例如：500 kV电压等级系统中，工频过电压大小在表1所示规定上限以上，且持续时间长于0.5 s的区域。

3)待定区：即位于安全运行区与禁止运行区之间的运行区域，例如：500 kV电压等级系统中，过电压持续时间低于0.5 s，但大小高于表1所示规定上限(不超过表2所示操作过电压规定上限)的区域；或者过电压大小低于表1所示规定上限，但持续时间长于0.5 s的区域。

图1 标准规定工频过电压运行要求示意图Fig.1 Diagram of operating requirements of power-frequency overvoltage ruled by standards

1.3 现行工频过电压运行规则存在的不足

现行标准在一定程度上对各电压等级系统工频过电压的大小和时限做出了规定，但仍存在一定不足，主要体现在：

1)如图1所示，在不同时限内，现行标准指出了工频过电压的安全运行和禁止运行条件，但仍存在运行判据未被明确的“待定区”。例如：在华北电网中，针对锡盟地区风电送出能力的仿真计算和实际监测发现，500 kV系统出现了持续时间约为50 ms、大小约为1.4～1.6 p.u.的工频过电压，该过电压即处于图1中的现行过电压运行规则未给出明确规定的“待定区”内。鉴于工程中要求系统长期运行电压不超过标准[30]规定上限，因此细化短时限(tz之内)过电压运行规定的“待定区”是研究的关键——从另一个角度看，相当于对该时限范围内的安全运行条件和禁止运行条件作进一步扩展。

2)不同电压等级系统的最大工频过电压允许持续时间tz存在差异。对于500 kV和1 000 kV系统，按照现行标准规定以及工程中过电压保护动作要求，取0.5 s；但对于35 kV、110 kV和220 kV系统，现行标准未给出明确规定，并且通过对华北地区风电集中式送出系统进行调研，发现在该电压等级下工程中未对tz值设置相应的工频过电压保护动作，即220 kV及以下电压等级系统最大工频过电压允许持续时间有待进一步明确。

2 系统工频过电压安全运行限值扩展方法

系统过电压运行满足现行标准[16-18]的相关规定是保证电力系统安全可靠运行的基本前提，除此之外，系统中主要电气设备耐受过电压性能也是确定系统工频过电压安全运行条件的重要考虑因素——后者也正是对系统工频过电压运行限值进行扩展的主要依据。对于现行标准中未给出明确运行要求的“待定区”，细化该区域等同于对工频过电压安全运行条件或禁止运行条件进行扩展，扩展主要分以下4个步骤进行：

1)第一步，以35 kV～1 000 kV电力系统过电压的现行标准规定为依据，由工频过电压大小及持续时间划分出安全运行区、禁止运行区和待定区。

2)第二步，广泛统计工程中典型电气设备承受工频过电压能力的相关性能数据，包括设备的绝缘水平、避雷器的TOV耐受特性、变压器的过励磁性能等。实际上，考虑到对于部分设备性能，相关标准并未提出具体要求和明确规定，因此有必要对工程中相关制造厂家提供的设备过电压运行能力数据进行充分收集和分析。

3)第三步，从典型设备耐受工频过电压能力数据中，总结规律并筛选出最劣性能，并以之作为扩展系统过电压运行规则的依据。根据“木桶原理”，电力系统过电压运行要求在原则上应充分考虑系统中设备的最劣过电压耐受特性。“最劣”的含义包括两个：一是比较各厂家设备工频耐受性能数据，耐受电压最小、允许持续时间最短者为最劣；二是将筛选出的最劣性能点作为该类设备过电压耐受能力的上限，即一旦过电压大小或时间超过该数值，设备即发生故障。

4)第四步，结合系统过电压运行标准规定、设备过电压耐受能力标准规定、设备过电压耐受能力厂家数据3个方面的依据，细化系统过电压的安全运行和禁止运行条件，扩展不同时限内工频过电压运行限值，形成具有反时限特性的系统过电压运行规则。原则上，系统过电压禁止运行区应为由各类设备性能得到的禁止运行区的“并集”，即其为各类电气设备过电压禁止运行条件的加和；而系统过电压安全运行区应为各类设备安全运行区的“交集”，即在该区域需满足各类设备均能够安全运行。

3 基于避雷器特性扩展过电压运行规则

3.1 由避雷器扩展工频过电压运行限值可行性

与常规电气设备相比，避雷器对于电力系统过电压运行规则的确定具有特殊意义，其原因在于避雷器不仅要承受过电压作用，还要对其他设备提供过电压保护。避雷器的伏安特性是决定其过电压保护作用的关键性能，以500 kV系统变电站侧避雷器(型号：Y20W-420/1046)为例，其典型伏安特性曲线如图2所示。图2中，UNmA为避雷器起始动作电压，即拐点电压，拐点处有电流为毫安级(NmA)的残压值，通常N=1，即1 mA直流电流通过避雷器内部电阻元件时，在其两端所测得的直流电压值。在拐点电压以下，避雷器近乎关断而处于“不动作区”，可认为其不对设备提供过电压保护；当系统电压高于避雷器拐点电压时，避雷器导通电流随电压增加而骤增，处于动作区的避雷器由于呈现低阻值状态而将被保护设备两端电压限制在一定水平——此时，只要避雷器能够承受该过电压，则被保护设备必然能够得到有效的过电压保护。

图2 500 kV系统避雷器(变电站侧)典型伏安特性曲线Fig.2 Typical volt-ampere characteristics of arresters (substation side) in 500 kV systems

实际上，工程中避雷器的拐点电压近似等于系统暂时过电压(峰值)规定上限(如表1所示)，因此当系统过电压高于暂时过电压上限时，避雷器即处于动作状态以对变压器等设备提供过电压保护。由图1可知，在长时限(>0.5 s)区域，系统过电压应低于暂时过电压上限，因而此时避雷器处于不动作状态；而在短时限(<0.5 s)区域，当系统过电压超过暂时过电压规定上限时，避雷器处于动作状态，此时避雷器对设备提供过电压保护。

避雷器能够对设备提供有效过电压保护的原理在于二者的伏秒特性配合，图3给出了避雷器与被保护设备伏秒特性配合的典型示意图。由图3可以看出，相比于被保护设备，避雷器的伏秒特性曲线位置较低、较为平坦，使得在相同过电压作用下避雷器能够先于设备放电，对过电压能力进行吸收，从而防止设备发生闪络或击穿，形成对设备的有效保护。

图3 避雷器与被保护设备伏秒特性配合示意图Fig.3 Diagram of voltage-time characteristics coordination of arresters and protected equipment

显然，在短时限(<0.5 s)内，只有当动作状态避雷器耐受过电压低于被保护设备时，避雷器才能提供有效的过电压保护。实际上，对于不同类型过电压，现行标准要求设备耐受水平与避雷器保护水平间存在一定安全裕度，并将二者之比定义为配合系数[16]。因此，从过电压运行角度，只需将系统中过电压限制在避雷器耐受电压以下，就能确保其他各类被保护设备的安全运行。

3.2 避雷器工频耐受时间特性数据统计与分析

避雷器耐受暂时过电压(TOV)的能力是决定其能否对被保护电气设备正常发挥过电压保护作用的关键性能，该性能通常由避雷器的工频电压耐受时间特性表征。避雷器的工频电压耐受时间特性是表明避雷器在运行中，吸收了规定的过电压能量以后耐受暂时过电压的能力，其在理论上是指在规定条件下对避雷器施加不同的工频电压后，避雷器不发生热崩溃时所的电压与最大持续时间对应关系曲线。

工程中，避雷器TOV耐受特性主要以制造厂家提供的数据作为参考。按照相关标准[22]，厂家应进行避雷器工频耐受时间特性型式试验，列出从TOV曲线中得到的对应于时间点0.1 s、1 s、10 s、100 s和1 000 s的耐受值，并应包括有预负载和无预负载的数据，应注明公布的曲线和列表适用避雷器额定值的范围。对于标称放电电流In≥5 kA的避雷器，避雷器制造厂家应公布0.1～1 s、1～10 s、10～100 s和101～3 600 s 4个时间段内在有预负载情况下的工频电压耐受时间特性数据。

华北地区风电集中式送出系统中，由于不同制造厂家避雷器的工频电压耐受时间特性可能存在差异，为此广泛收集了主流避雷器厂家(在华北地区风电送出35 kV及以上系统避雷器市场份额占比高于70%)TOV耐受特性数据，被统计避雷器的主要参数如表3所示。统计发现，同一电压等级下，不同厂家避雷器的工频电压耐受时间特性差异不大，尤其对于避雷器0.1s的TOV值，各厂家数据具有较高的一致性。从系统过电压最严格运行条件角度出发，由各厂家避雷器数据得到的最劣工频电压耐受时间特性统计如表3所示。

表3 各电压等级交流系统被统计避雷器(变电站侧)的典型参数Table 3 Typical parameters of arresters (substation side) in AC power grids of different voltage levels

表4 华北地区风电集中式送出各电压等级系统避雷器(变电站侧)最劣TOV耐受特性(相对地)统计Table 4 Statistics of worst TOV withstand characteristic (phase to ground) of arresters (substation side) in centralized wind powertransmission systems of different voltage levels in north China

图4 由避雷器TOV耐受特性扩展500千伏系统工频过电压运行规则示意图Fig.4 Diagram of extension of power-frequency overvoltage operating rules based on TOV characteristics of arresters

可以看出，图4在现行标准规定(见图1)基础上对各时限范围内待定区的工频过电压运行规则进行了细化和完善：

1)运行时限在0.1 s以内：由避雷器TOV耐受特性，将安全运行区由不超过现行标准[16-18]规定工频过电压上限1.3 p.u.扩展至不超过避雷器在0.1 s的工频耐受电压1.6 p.u.。

2)0.1 s～0.5 s运行时限范围内，将安全运行区由不超过现行标准规定工频过电压上限1.3 p.u.扩展至不超过避雷器在1.0 s的工频耐受电压1.45 p.u.；将禁止运行区由操作过电压上限2.0 p.u.之上扩展至避雷器在0.1 s的工频耐受电压1.6 p.u.之上。

3)0.5 s以上运行时限，将0.5 s～10 s、10 s～1 200 s的安全运行区由不超过系统长期运行最高电压1.0 p.u.分别扩展至不超过现行标准规定上限1.3 p.u.和不超过避雷器在1 200 s的工频耐受电压1.2 p.u.；将1 200 s之后禁止运行区由现行标准规定工频过电压上限1.3 p.u.之上扩展至避雷器在1 200 s的工频耐受电压1.2 p.u.之上。

需要注意的是，图4中由避雷器TOV耐受特性得到的禁止运行区可直接在现行规定禁止运行条件基础上进行扩展；而对于由避雷器TOV特性得到的安全运行区，理论上还需由其他电气设备的工频过电压耐受性能进行校验。

3.3 0.1 s短时限内工频过电压运行限值扩展

虽然系统过电压安全运行条件需要综合考虑系统内各类电气设备承受过电压的能力，但在0.1 s短时限内可完全以避雷器TOV特性作为扩展系统过电压安全运行规则的依据，理由如下：

1)0.1 s短时限内，避雷器的工频耐受电压全面低于其他被保护设备，即避雷器是系统工频过电压运行的“短板”设备。受到现行标准及工程实际过电压保护动作约束，持续时间超过一定时限的工频过电压不得高于规定上限——例如对于500 kV系统，0.5 s时限以上的工频过电压不得高于1.3 p.u.，此时避雷器处于近乎关断的状态而不对设备提供过电压保护。但在0.1 s之内，当系统过电压高于标准规定暂时过电压上限时，设备的过电压保护主要由避雷器实现。由图3可知，动作状态下避雷器的伏秒特性低于被保护设备，即相同时限下避雷器的工频电压耐受值一定低于被保护设备。

2)避雷器0.1 s时限耐受工频电压是现行标准及工程规定明确提出需要由制造厂家公布的重要参数，因而可以作为系统短时限内过电压安全运行的可靠依据。根据标准[22]，避雷器制造厂家应用表格形式列出从曲线中得到的对应于时间点0.1 s、1 s、10 s、100 s和1 000 s的TOV耐受值。通过对华北地区风电集中式送出系统各电压等级避雷器TOV耐受数据进行调研，得到同电压等级下不同厂家避雷器0.1 s工频耐受电压基本一致，各电压等级避雷器(变电站侧)0.1 s耐受工频电压如表5所示。

表5 华北地区风电集中式送出各电压等级系统避雷器(变电站侧)0.1 s工频耐受电压Table 5 Power-frequency withstand voltages of arresters (substation side) in 0.1 second in wind powertransmission systems of different voltage levels in north China

4 风电集中式送出系统工频过电压运行规则完善建议

4.1 工频过电压安全运行条件的扩展原则

基于上文分析，在现行标准对各电压等级系统工频过电压运行规定基础上，可由避雷器TOV耐受特性对短时限内的工频过电压的安全运行条件进行扩展。不同时限工频过电压的运行规则如下：

1)过电压时限在0.1 s之内时，以避雷器TOV耐受值作为工频过电压上限。例如500 kV系统，将安全运行区由不超过现行标准[13]规定工频过电压上限1.3 p.u.扩展至不超过避雷器在0.1 s的工频耐受电压1.6 p.u.。

2)过电压时限在0.1 s至最大工频过电压允许持续时间时，以现行标准规定及工程要求最大工频过电压作为上限。关于工频过电压的大小，各电压等级系统的工频过电压上限要求如表1所示。关于最大工频过电压的允许持续时间，根据现行标准[16-18]，结合对华北地区风电集中式送出系统的工程调研：对于500 kV和1 000 kV系统，现行标准及工程过电压保护动作都有明确要求，为0.5 s；对于35 kV、110 kV和220 kV系统，现行标准未给出明确规定，工程中也通常不会对该值设置工频过电压保护动作。然而，考虑到35 kV、110 kV和220 kV电压等级交流系统中电气设备在绝缘裕度上通常大于500 kV和1 000 kV系统，同时又由于避雷器在最大工频过电压下的耐受时间远高于0.5 s(按照标准[14]规定，不应小于10 s)，因此参照500 kV和1 000 kV系统，将0.5 s之内工频过电压限制在规定上限以下，应能满足220 kV及以下电压等级系统运行的要求。因此，对于35 kV～1 000 kV电压等级系统，当过电压时限在0.1 s至0.5 s时，以现行标准规定及工程要求最大工频过电压作为上限。

3)长运行时限(>0.5 s)下，以现行标准[23]规定系统最高运行电压作为电压上限。

4.2 各电压等级系统工频过电压安全运行限值

以500 kV系统为例，工频过电压安全运行条件如图5(a)所示，图中713 kV、653 kV、594 kV、534 kV分别为持续时间为0.1 s、1 s、10 s、1 200 s避雷器(变电站侧)工频耐受电压(峰值)。图5(a)中，时限在0.1 s以内的系统工频过电压以避雷器0.1 s工频耐受电压713 kV为上限；0.1 s至0.5 s时限内，仍以标准[13]规定最大工频过电压585 kV作为上限(即1.3 p.u.)；0.5 s以上时限内，以标准[23]规定系统最高运行电压449 kV作为上限。同理可以得到1 000 kV、220 kV、110 kV和35 kV系统工频过电压安全运行条件，分别如图5(b)～(e)所示。

图5 风电集中式送出各电压等级系统工频过电压(相对地)安全运行条件扩展示意图Fig.5 Diagram of extension of safe operating requirements of power-frequency overvoltage (phase to ground) in centralized wind power transmission systems of different voltage levels

实际上，将0.1 s内系统工频过电压上限峰值由现行规定限值扩展至避雷器0.1 s的TOV耐受值，对于华北地区风电送出能力的提升效果是十分显著的。以华北电网锡盟地区风电集中式送出500 kV系统为例，如果按照现行标准规定，将0.5 s内的工频过电压运行限值设置为1.3 p.u.(峰值为585 kV)，锡盟地区整体风电送出能力约为150万千瓦；而如果依据避雷器工频电压耐受时间特性，将系统0.1 s内的工频过电压限值由1.3 p.u.扩展至避雷器0.1 s的TOV耐受值1.6 p.u.(峰值713 kV)，则锡盟地区整体风电送出能力将提升至约350万千瓦，为前者的2.3倍以上。在本研究基础上，后续将在实际工程中进一步验证系统工频过电压运行限值扩展规则的可行性，以降低过电压问题对风电送出的制约。

5 结语

华北地区风电集中式送出35 kV及以上电压等级系统工频过电压计算和防护的现有判据存有空白亟待补充和完善。本研究梳理总结了35 kV、110 kV、220 kV、500 kV和1 000 kV电压等级电力系统工频过电压现行规定，提出了扩展过电压运行规则的原则和方法，基于华北地区风电集中式送出系统避雷器工频耐受时间特性数据的统计和分析，对短时限内系统工频过电压的运行规则进行了扩展，提出将0.1 s短时限内工频过电压安全运行上限由现有规定限值扩展至避雷器0.1 s工频耐受电压值，进而形成了完善华北电网35 kV～1 000 kV各电压等级系统不同时限内工频过电压安全运行的建议。