特高壓輸電線路的工頻過電壓研究

田 書 郭芃君 梁 京

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454003）

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增大，甚至有些地方在用電高峰期出現(xiàn)缺電情況，那么建立特高壓輸電系統(tǒng)將有助于解決這一情況，使資源更加優(yōu)化，提高能源利用率。我國(guó)1000kV特高壓輸電的主要特點(diǎn)是傳輸容量大，輸電距離遠(yuǎn)，西部能源基地與東部負(fù)荷中心距離在1000km以上，隨之帶來(lái)的電磁暫態(tài)和過電壓?jiǎn)栴}就顯得比較突出[2-6]，主要表現(xiàn)為其電容效應(yīng)異常顯著，由此造成很大的空載線路工頻過電壓，在此基礎(chǔ)上由于線路合閘（包括單相重合閘）、分閘等的一些操作過電壓也會(huì)引發(fā)很大的過電壓很大，如果不采取相應(yīng)的措施，必將嚴(yán)重影響著線路的安全運(yùn)行。

目前國(guó)家電網(wǎng)公司已完成了晉東南-南陽(yáng)-荊門單回百萬(wàn)伏級(jí)輸電示范工程的建設(shè)工作，已經(jīng)成功運(yùn)行，這標(biāo)志我國(guó)對(duì)特高壓研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。本文基于示范工程對(duì)雙電源雙回路供電系統(tǒng)各種工況下的工頻過電壓升高現(xiàn)象有研究對(duì)象，利用電磁暫態(tài)計(jì)算程序 ATP-EMTP中的LCC模型建立特高壓線路仿真模型仿真分析了線路的電容效應(yīng)和單相接地故障對(duì)特高壓輸電線路的影響，并提出了采用高壓并聯(lián)電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償限制工頻過電壓升高的措施，以及必要時(shí)用MOA限制由單相接地引起過電壓幅值較高時(shí)的措施。

1 過電壓理論分析

工頻過電壓產(chǎn)生機(jī)理

隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高，輸送距離的增長(zhǎng)，需要考慮到長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)，采用分步參數(shù)電路模型[7-8]。

圖1 特高壓輸電線路等值電路

在線路空載情況下（如圖1所示），線路首末端的電壓表達(dá)式為

式中，γ為輸電線路的的傳播系數(shù)；β為衰減系數(shù)；α為相位移系數(shù)；ZC為輸電線路波阻抗。

考慮電源電抗后，根據(jù)式（1）、（2）可得線路末端電壓與電源電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系為

可以看出，線路越長(zhǎng)，系統(tǒng)等值阻抗越大，線路末端的電壓就越高。

2 特高壓輸電線路模型

在此建立一段長(zhǎng)度為600km的1000kV特高壓輸電線路模型，如圖2所示，潮流從m流向n，雙端電源的擺開角度為30°。

圖2 特高壓輸電線路模型

利用ATP-EMTP建立1000kV特高壓輸電線路仿真模型。文獻(xiàn)[9]介紹了EMTP在UHV線路計(jì)算的方法以及各個(gè)元件模型的介紹。具體模型參數(shù)設(shè)置：特高壓輸電線路采用分段補(bǔ)償[6]，即分段長(zhǎng)度為300km；高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度設(shè)為87%[10]；雙端電源擺開角度為30°，兩端斷路器并聯(lián)上合閘電阻，合閘電阻阻值取600Ω[10]。一般裝設(shè)的合閘電阻接入時(shí)間為8～12ms，這里設(shè)為10ms。仿真時(shí)斷路器隨機(jī)合閘200次，從中得出出現(xiàn)2%概率的最大過電壓的統(tǒng)計(jì)值。合閘電阻接入時(shí)間取0.1s，斷路器合閘時(shí)間取0.2s，整個(gè)仿真時(shí)間取0.5s。

選取 MOA的主要參數(shù)[11-13]：額定電壓為828kV，持續(xù)運(yùn)行電壓約為638kV，標(biāo)稱放電電流為20kA，在30/60μs、2kV下的操作沖擊殘壓不高于1460kV，在8/20μs、20kA下，雷電沖擊殘壓不高于1640kA，工頻參考電壓不低于828kV。在模型中設(shè)置的基準(zhǔn)電壓為

3 ATP-EMTP仿真分析

3.1 空載電容效應(yīng)仿真計(jì)算條件

（1）特高壓輸電線路全長(zhǎng)2×300km，傳輸容量為3000MVA，線路每100km的充電功率為315.5Mvar，所以必須采用高壓并聯(lián)電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

（2）在分析空載線路在電容效應(yīng)基礎(chǔ)上，仿真計(jì)算高壓并聯(lián)電抗器裝設(shè)在線路首端、末端以及線路兩端工頻電壓升高及其沿線分布。

表1 高壓并聯(lián)電抗器裝設(shè)在線路首端、末端和線路兩端下的空載線路電壓分布

3.2 結(jié)果分析

由表1的仿真結(jié)果可以看出：

（1）輸電線路安裝高壓并聯(lián)電抗器后對(duì)空載電容效應(yīng)引起的過電壓有一定抑制作用，越靠近高抗的沿線過電壓越低。

（2）當(dāng)補(bǔ)償度一定時(shí)，高抗安裝在線路末端出現(xiàn)的最大過電壓要小于裝設(shè)在線路首端和線路兩端，但是要考慮到實(shí)際線路，多采取就地補(bǔ)償無(wú)功以平衡局部無(wú)功，仿真結(jié)果中高抗裝設(shè)兩端時(shí)的沿線過電壓倍數(shù)最大的只比末端裝設(shè)時(shí)的多4.61%。綜合考慮實(shí)際情況建議采用線路兩端裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器來(lái)限制這種沿線工頻電壓升高。

3.3 單相接地故障仿真計(jì)算條件

（1）接地故障發(fā)生在一相線路的首端、線路中間和線路末端，在正常相上感應(yīng)出的工頻過電壓。故障時(shí)間設(shè)為一個(gè)工頻周期內(nèi)的隨機(jī)時(shí)間。

（2）線路補(bǔ)償度設(shè)置為87%，由前文仿真結(jié)果，高抗裝設(shè)在線路的兩端。

（3）比較分析有無(wú)MOA裝設(shè)時(shí)對(duì)工頻過電壓大小的影響。

基于仿真模型，線路中部在0.3s發(fā)生A相接地故障，線路一端斷路器在0.345s分閘甩負(fù)荷，此時(shí)設(shè)定故障發(fā)生時(shí)刻為單相電壓峰值（此時(shí)的過電壓最為嚴(yán)重），健全相B相過電壓仿真圖如圖3所示。

故障發(fā)生后，考慮到線路中部過電壓比較嚴(yán)重，在0.31s時(shí)工頻過電壓大于1.3p.u.。

圖3 線路中間發(fā)生單相接地故障時(shí)健全相上的過電壓

在線路兩端裝設(shè) MOA情況下，輸電線路中間發(fā)生A相接地故障后，健全相B相的電壓仿真圖如圖4所示。

圖4 裝設(shè)MOA時(shí)線路中間發(fā)生單相接地故障時(shí)健全相上的過電壓

表2 未裝設(shè)MOA時(shí)不同故障點(diǎn)單相接地工頻過電壓

表3 裝設(shè)MOA時(shí)不同故障點(diǎn)單相接地工頻過電壓

3.4 結(jié)果分析

（1）由表2的仿真結(jié)果可以得出輸電線路中間發(fā)生單相接地時(shí)的工頻過電壓大于線路兩端接地過電壓；并且造成的過電壓最大值往往出現(xiàn)在線路中部，末端電壓一般高于首端。

（2）由表 3的仿真結(jié)果可以得出線路裝設(shè)MOA后，過電壓的幅值有明顯的降低，有一定的抑制效果，并且沿線過電壓趨于平緩。

4 結(jié)論

本文通過仿真計(jì)算重點(diǎn)對(duì)雙電源雙回路特高壓輸電線路的工頻過電壓進(jìn)行了分析研究，仿真結(jié)果表明在輸電線路末端裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器后的效果最好，可以把線路工頻過電壓降到1.095p.u.；但是要考慮到實(shí)際線路，多采取就地補(bǔ)償無(wú)功以平衡局部無(wú)功，仿真結(jié)果中高抗裝設(shè)兩端時(shí)的沿線過電壓倍數(shù)最大的只比末端裝設(shè)時(shí)的多 4.61%。綜合考慮實(shí)際情況建議采用線路兩端裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器來(lái)限制這種沿線工頻電壓升高。輸電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，引起的過電壓最嚴(yán)重時(shí)可達(dá)到1.317p.u.，利用 MOA后可將其過電壓幅值降低到1.045p.u.，并且得到的沿線電壓比較平緩。

[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京∶中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社.2005.

[2]周浩,余宇紅.我國(guó)發(fā)展特高壓輸電中一些重要問題的討論[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(12)∶l-9.

[3]谷定燮.對(duì)我國(guó)特高壓輸電系統(tǒng)過電壓和絕緣配合的建議[J].高電壓技術(shù),1999,25(1)∶29-32.

[4]陳水明,許偉,何金良. 1000kV 交流輸電線路的工頻暫態(tài)過電壓研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(19)∶1-5.

[5]許偉,陳水明,何金良.1000kV 交流輸電線路的故障激發(fā)過電壓研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(19)∶10-13.

[6]黃佳,王鋼,李海鋒,韓馮雪.1000kV長(zhǎng)距離交流輸電線路工頻過電壓仿真研究[J]繼電器,2007,35(4)∶ 32-39.

[7]盛鹍,李永麗,李斌等.特高壓輸電線路過電壓的研究和仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)[J].2003,15(6)∶13-18.

[8]謝廣潤(rùn).電力系統(tǒng)過電壓[M].北京∶水利電力出版社,1985.

[9]曹祥麟.EMTP在特高壓交流輸電中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2006,32(7)∶64-68.

[10]劉振亞.特高壓交流輸電系統(tǒng)過電壓于絕緣配合[M].北京∶中國(guó)電力出版社,2008.

[11]胡軍,何金良等.特高壓避雷器用 ZnO壓敏電阻電壓梯度限值的探討[J].高壓電器,2009,45(1)∶1-4.

[12]劉振亞.特高壓交流電氣設(shè)備[M].北京∶中國(guó)電力出版社,2008.

[13]郭守珠.日本特高壓變壓器和避雷器的研制[J].高電壓技術(shù),1999,25(3)∶24-29.