特高壓輸電線路合閘空載過電壓的仿真分析

閆莎莎

【摘 要】文章以晉南荊特高壓線路為研究對象，使用Matlab/Simulink建立了輸電線路等效模型，對合閘過電壓進行仿真，并分別分析使用一級合閘電阻、二級合閘電阻、三級合閘電阻和金屬氧化物避雷器4種限制措施的限制效果，同時對仿真結(jié)果進行對比分析。

【關(guān)鍵詞】特高壓；空載線路；MATLAB；合閘過電壓

【中圖分類號】TM723 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0040-03

0 引言

當今世界主要的發(fā)電廠依然是火電廠，我國亦然，火電廠占的比重是最大的，因此煤炭資源是發(fā)電所需的主要能源。但是，我國的煤炭主要分布于“雄雞”背部，而用電區(qū)域又主要分布在“雄雞”的腹部，如果用傳統(tǒng)的方法進行西電東送，就會產(chǎn)生巨大的損耗，因此特高壓輸電的發(fā)展是尤為重要的[1]。輸電線路開關(guān)的操作會在輸電線路及與其連接的設備上產(chǎn)生較高的過電壓，如何限制特高壓輸電線路的操作過電壓倍數(shù)，是發(fā)展特高壓電網(wǎng)所要解決的重大問題[2]。

本文基于特高壓輸電線路的特點，對輸電線路簡化分析并建模仿真，研究其過電壓的大小，為限制過電壓的措施提供理論依據(jù)。

1 合閘過電壓理論分析

合閘于空載線路是電力系統(tǒng)中常見的一種操作，通常可分為2種情況：一種是正常有計劃的合閘，如線路檢修后投入運行，根據(jù)調(diào)度需要對送電線路的合閘操作等[3-4]；另一種是自動重合閘。用集中參數(shù)等值電路暫態(tài)的方法分析過電壓，并按單相電路進行分相分析，合空線過電壓時的集中參數(shù)等值電路如圖1所示。

空載線路使用T等值線路代替，RT、LT、CT分別是其等值電阻、電感和電容，u為電源相電壓，R0和L0分別為電源的電阻和電感，定性分析時還可以忽略電源電阻和線路電阻的作用，其等值電路可簡化為如圖2所示的簡單振蕩回路，其中電感L=L0+LT /2。

若取合閘瞬間為起點，此時t=0，電源電壓的表達式如下：

u（t）=Uφcosωt（1）

在正常合閘時，線路上沒有殘余電荷，初始電壓為0，圖2的回路方程如下：

L■+uc=u（t）（2）

因為i=CT■，代入式（2）可以得到：

LCT■+uC=u（t）（3）

如果合閘時電源電壓恰到幅值，此時過電壓是最大的，由于回路振蕩頻率很高，可認為合閘到直流電源，式（3）可寫為

LCT■+uC=Uφ（4）

解為

uC=Uφ+Asinω0 t+Bcosω0 t（5）

式（5）中，ω0為振蕩角頻率；A、B為積分常數(shù)。

t=0作為初始條件，則：

uC（0）=0（6）

i=CT ■=0（7）

解得A、B代入式（5）得：

uC=Uφ（1-cosω0 t）（8）

當t=■時，cosω0 t=-1，uC達到最大值，即

UC=2Uφ（9）

由于回路中有損耗，所以振蕩是衰減的，一般以衰減系數(shù)δ來表示，式（8）變成

uC=Uφ（1-e-δtcosω0 t）（10）

式中，衰減系數(shù)δ和圖2的總電阻成正比，最大值UC將略小于2Uφ。但是實際情況下的電源電壓是交流的，uC（t）將寫為

uC=Uφ（cosωt-e-δtcosω0 t）（11）

如果按照分布參數(shù)等值電路的波過程來處理，由于電壓波會在開路末端發(fā)生全反射，電壓會大于2Uφ。

分析完正常合閘的情況，現(xiàn)在分析重合閘的情況，由于重合閘時，線路上存在殘余電壓，所以過電壓將更大。

如圖3所示，A相發(fā)生接地故障，QF2先跳閘，緊接著QF1跳閘，B、C兩相的電壓絕對值一樣，但極性可能不同，斷路器自動重合，如果此時這兩相存在殘余電壓，重合閘時又恰好是電源電壓最大時，這時候會出現(xiàn)最大過電壓[5-6]。最大過電壓的值用下式求解：

UC=2UW-uC（0）=2Uφ-（-Uφ）=3Uφ（12）

式中，UW為穩(wěn)態(tài)電壓。

2 特高壓線路參數(shù)

晉南荊線路是我國首個使用單回路八分裂設計的輸電線路，其導線型號是8×LGJ-500/35的鋼筋鋁絞線，分裂間距為400 mm，地線型號是LBGJ-150-20AC。輸電線路有關(guān)參數(shù)見表1。

3 合閘過電壓仿真

3.1 無限制措施過電壓仿真

圖4為晉南荊線路合閘空載過電壓的仿真波形。

從圖4可以看出，合閘瞬間線路末端將產(chǎn)生過電壓1 841 kV，約為電源電壓的2倍，超過線路允許值，如果不加限制措施將對電力系統(tǒng)造成很大的影響。

3.2 采用合閘電阻限制過電壓

3.2.1 單級合閘電阻

采用單級合閘電阻的仿真波形如圖5所示。

從圖5可以看出，過電壓問題得到緩解，并且電壓波形較未加合閘電阻時平滑，過電壓的數(shù)值是1 350 kV。與未采取限制措施時合閘空載線路的過電壓相比較，其過電壓降低了約500 kV，遠在允許值1.6 p.u.以下，可見限制效果是很明顯的。

3.2.2 二級合閘電阻

采用二級合閘電阻的仿真波形如圖6所示。

從圖6可以看出，過電壓問題較單級合閘電阻時有所緩解，并且電壓的波形更平滑，過電壓的仿真結(jié)果是1 134 kV，比不安裝限制措施時降低了大約700 kV，相比于使用單級合閘電阻，過電壓降低了約200 kV，效果比單級合閘電阻更好。

3.2.3 三級合閘電阻

采用三級合閘電阻的仿真波形如圖7所示。

從圖7可以看出，采用三級合閘電阻限制過電壓的效果更顯著，過電壓更小，符合要求。從降低過電壓的效果來看，隨著合閘電阻級數(shù)的增加，限制效果越來越好，過電壓越來越低，但是三級合閘電阻成本高是其缺點。在二級合閘電阻限制過電壓近乎完美的情況下，無需出資很多再降低過電壓。

3.3 金屬氧化物避雷器

采用金屬氧化物避雷器的仿真波形如圖8所示。

從圖8可以看出，只使用MOA限制過電壓，過電壓的仿真結(jié)果是1 588 kV。過電壓值比單級合閘電阻限制過電壓的效果差，當然比二級、三級更差。從以上分析中得出，在實際應用中單獨使用MOA來限制過電壓不可取，但可以考慮與合閘電阻搭配使用。

4 結(jié)論

本文研究了特高壓輸電線路合閘空載過電壓的限制措施，對使用合閘電阻和金屬氧化物避雷器的線路建立了模型，通過仿真結(jié)果可以清晰地看到使用這些措施后過電壓的準確數(shù)值，方便比較這2種措施對輸電線路空載合閘過電壓的抑制效果。從仿真分析結(jié)果可以得出：在線路中安裝合閘電阻可以有效地抑制過電壓，合閘電阻的級數(shù)越高抑制效果越好，但出于經(jīng)濟性和可行性方面的考慮，使用二級合閘電阻是最好的選擇。金屬氧化物避雷器對于限制合閘過電壓有較好的效果，對于其他過電壓也有不錯的抑制作用。

參 考 文 獻

[1]舒印彪，劉澤洪，袁駿.2010年國家電網(wǎng)公司特高壓輸電論證工作綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，30（5）：1-12.

[2]周浩，余宇紅.我國發(fā)展特高壓輸電中一些重要問題的討論[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，29（12）：1-9.

[3]舒印彪.1 000 kV交流特高壓輸電技術(shù)的研究與應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，29（19）：1-6.

[4]張海，徐玉琴，白嘉，等.10 kV配電網(wǎng)中性點靈活接地方式在單相金屬性接地故障下ATP仿真及其研究[J].繼電器，2006，7（34）：18-23.

[5]趙智大.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2006：234-251.

[6]陳思浩.1 000 kV輸電線路操作過電壓的研究[D].長沙：湖南大學，2007.

[責任編輯：鐘聲賢]