特高壓輸電線路過電壓及其抑制策略研究

京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司 郭 澤

特高壓輸電線路是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要組成部分，具有傳輸大容量電能、降低輸電損耗和提高能源利用效率的優(yōu)勢(shì)。然而，特高壓輸電線路在運(yùn)行過程中常常會(huì)面臨過電壓問題，這是由于系統(tǒng)故障、負(fù)荷變化、操作方式等多種因素導(dǎo)致的。過電壓是指電壓超過額定值或正常工作范圍的瞬時(shí)或持續(xù)電壓增加。

特高壓輸電線路中的過電壓現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)造成損壞，還可能引發(fā)電弧擊穿、設(shè)備間絕緣擊穿等嚴(yán)重事故，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。因此，研究特高壓輸電線路過電壓及其抑制策略具有重要的理論和實(shí)際意義。本文以某公司為例，對(duì)特高壓輸電線路過電壓問題進(jìn)行深入分析和研究，探討過電壓的形成原因、對(duì)系統(tǒng)的影響以及限制和抑制過電壓的可能策略。

1 特高壓輸電線路過電壓概述

特高壓輸電線路是指電壓等級(jí)在800kV及以上的輸電線路。特高壓輸電線路采用高電壓等級(jí)傳輸電能，具有較長的傳輸距離和大容量的輸電能力。

過電壓的形成原因。短路故障：當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，突然中斷的電流會(huì)導(dǎo)致電壓的突變，產(chǎn)生過電壓。瞬時(shí)負(fù)荷變化：系統(tǒng)中大型負(fù)荷的突然開關(guān)導(dǎo)致電壓的瞬時(shí)上升，形成過電壓。諧波干擾：諧波電流引起的諧波電壓可能導(dǎo)致過電壓。接地故障：系統(tǒng)接地故障會(huì)導(dǎo)致接地電流的增加，進(jìn)而引起過電壓。閃絡(luò)放電：在高電壓條件下，氣體或絕緣材料表面可能發(fā)生閃絡(luò)放電，形成過電壓。

過電壓對(duì)輸電系統(tǒng)的影響。絕緣破壞：過電壓可能導(dǎo)致絕緣材料擊穿或損壞，造成設(shè)備故障或短路。輸電損耗：過電壓會(huì)增加輸電系統(tǒng)的電阻損耗和電感損耗，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。設(shè)備壽命縮短：長期受到過電壓的影響會(huì)降低設(shè)備的壽命，增加維修和更換成本。系統(tǒng)穩(wěn)定性降低：過電壓可能導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定，引起電壓劇烈波動(dòng)或系統(tǒng)失穩(wěn)。安全隱患：過電壓可能對(duì)人身安全造成威脅，如電弧閃Overstrom、電擊等[1]。

2 特高壓輸電線路內(nèi)部過電壓及限制措施分析

2.1 特高壓輸電線路工頻過電壓分析

2.1.1 空載長線路的電容效應(yīng)及系統(tǒng)阻抗的影響

均勻電線及其穩(wěn)態(tài)解。在特高壓輸電線路中，通常采用均勻電線模型來描述電線的特性。均勻電線模型假設(shè)輸電線路是均勻分布的，電流在線路中的分布均勻。對(duì)于均勻電線模型，可以使用傳輸線理論進(jìn)行分析和計(jì)算。穩(wěn)態(tài)解是指在電壓和電流穩(wěn)定的情況下，線路中各個(gè)位置的電壓和電流分布情況[2]。

空載長線路的電容效應(yīng)。特高壓輸電線路通常會(huì)采用長距離傳輸，而在空載狀態(tài)下，線路兩端沒有負(fù)載消耗電流，導(dǎo)致線路呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。在這種情況下，線路的電容效應(yīng)將變得顯著。線路的電容可以儲(chǔ)存電荷，并在電壓變化時(shí)釋放或吸收電荷，從而引起過電壓現(xiàn)象。電容效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致線路的電壓在瞬時(shí)上升，形成過電壓，尤其是在突然斷開或接通電源時(shí)。

2.1.2 特高壓輸電線路單相接地故障工頻過電壓分析

特高壓輸電線路在運(yùn)行過程中，可能會(huì)發(fā)生單相接地故障，即一條線路中的某一相導(dǎo)線接地。這種故障會(huì)導(dǎo)致工頻過電壓的產(chǎn)生和傳播。下文是對(duì)特高壓輸電線路單相接地故障工頻過電壓的分析。

接地故障的原因和特點(diǎn)。單相接地故障可能由于絕緣擊穿、接地導(dǎo)線斷裂、桿塔絕緣子破損等原因引起。單相接地故障的特點(diǎn)是一相導(dǎo)線發(fā)生短路，其他兩相導(dǎo)線正常運(yùn)行；工頻過電壓的產(chǎn)生機(jī)制。單相接地故障會(huì)導(dǎo)致故障相導(dǎo)線電流突然增大，電流通過接地點(diǎn)流入大地。由于接地電阻存在，接地電流會(huì)引起接地點(diǎn)電壓的上升，形成工頻過電壓。過電壓的幅值取決于故障電流、接地電阻、系統(tǒng)參數(shù)等因素[3]。

過電壓的傳播和影響。工頻過電壓會(huì)沿著導(dǎo)線傳播，影響周圍的相鄰線路和設(shè)備。過電壓對(duì)系統(tǒng)的絕緣和設(shè)備的運(yùn)行安全造成威脅。過電壓還可能引發(fā)閃絡(luò)放電、電弧閃Overstrom等現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備破壞和事故發(fā)生；限制措施。特高壓輸電線路針對(duì)單相接地故障工頻過電壓，可以采取以下限制措施：合理設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)，降低接地電阻，減少過電壓的產(chǎn)生。安裝過電壓保護(hù)裝置，及時(shí)檢測(cè)和隔離接地故障，防止過電壓的傳播。優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和線路配置，減小過電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間。加強(qiáng)設(shè)備的絕緣協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的抗過電壓能力。

2.1.3 特高壓輸電線路甩負(fù)荷工頻過電壓分析

特高壓輸電線路甩負(fù)荷工頻過電壓是指在負(fù)荷突然減小或突然斷開的情況下，導(dǎo)致線路工頻電壓升高的現(xiàn)象。下文是對(duì)特高壓輸電線路甩負(fù)荷工頻過電壓的分析。

甩負(fù)荷工頻過電壓的原因。負(fù)荷突然減小或斷開時(shí)，導(dǎo)線兩端的電壓并不能立即降低，導(dǎo)致導(dǎo)線上出現(xiàn)過電壓。這是由于線路的電感特性和傳輸線的電容特性導(dǎo)致的電壓慣性；過電壓的產(chǎn)生機(jī)制。負(fù)荷突然減小或斷開后，線路的傳輸電流減小，導(dǎo)致電感分量產(chǎn)生電壓上升。同時(shí)，線路的電容分量也會(huì)產(chǎn)生電壓變化，導(dǎo)致過電壓的形成。過電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間取決于線路的參數(shù)、負(fù)荷的突變程度以及線路的阻抗等因素。

過電壓的影響。過電壓會(huì)對(duì)線路設(shè)備和絕緣系統(tǒng)造成潛在的威脅，可能引起設(shè)備的絕緣擊穿和損壞。過電壓也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性，導(dǎo)致電壓劇烈波動(dòng)和系統(tǒng)失穩(wěn)；限制措施。合理設(shè)計(jì)線路參數(shù)，包括電感和電容的分布，以減小過電壓的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)過程中考慮使用補(bǔ)償裝置，如串聯(lián)電感器或并聯(lián)電容器來穩(wěn)定電壓。安裝過電壓保護(hù)裝置，及時(shí)檢測(cè)和隔離過電壓，保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。實(shí)施負(fù)荷調(diào)節(jié)措施，避免突然的負(fù)荷變化，減小過電壓的可能性。

2.2 限制工頻過電壓的可能措施

限制工頻過電壓的可能措施包括以下幾個(gè)方面：優(yōu)化接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低接地電阻，減少過電壓的產(chǎn)生。合理選擇接地方式，如有效接地、中性點(diǎn)接地、阻抗接地等，以提高系統(tǒng)的抗過電壓能力。安裝過電壓保護(hù)裝置，及時(shí)檢測(cè)和隔離過電壓，保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。過電壓保護(hù)裝置可以包括避雷器、過電壓保護(hù)器、避雷針等，用于吸收或引導(dǎo)過電壓，保護(hù)設(shè)備免受損害。優(yōu)化線路參數(shù)，如電感和電容的分布，以減少過電壓的產(chǎn)生。

2.3 特高壓輸電線路操作過電壓分析

空載線路跳閘過電壓。在特高壓輸電線路中，當(dāng)對(duì)空載線路進(jìn)行跳閘操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生跳閘過電壓。這是由于線路上的電感和電容的存儲(chǔ)能量釋放而引起的瞬態(tài)過電壓。一些因素影響跳閘過電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間，包括線路長度和參數(shù)：線路長度越長，電感和電容的存儲(chǔ)能量越大，跳閘過電壓也會(huì)增加。跳閘操作時(shí)間：跳閘速度越快，存儲(chǔ)能量釋放得越快，跳閘過電壓的幅值也會(huì)增加。

空載線路合閘（重合閘）過電壓。在特高壓輸電線路中，當(dāng)對(duì)空載線路進(jìn)行合閘操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生合閘過電壓。這是由于線路上的電感和電容重新建立能量而引起的瞬態(tài)過電壓。一些因素影響合閘過電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間，包括合閘操作時(shí)間：合閘速度越快，電感和電容重新建立能量越快，合閘過電壓的幅值也會(huì)增加。線路終端條件：線路終端的電阻和電容對(duì)合閘過電壓有影響，不同的終端條件會(huì)導(dǎo)致不同的過電壓現(xiàn)象。

影響合閘過電壓的因素。影響合閘過電壓的因素包括但不限于以下幾個(gè)方面。合閘角度：合閘角度指的是合閘瞬間線路電壓和電流的相位差，不同的合閘角度會(huì)導(dǎo)致不同的過電壓幅值。線路參數(shù)和長度：線路的電感和電容分布以及線路長度對(duì)合閘過電壓有影響，線路參數(shù)越大，過電壓幅值越高。合閘電阻：合閘電阻是指合閘過程中線路兩端的接觸電阻，不同的合閘電阻會(huì)導(dǎo)致不同的過電壓現(xiàn)象。線路終端條件：線路終端的電阻和電容對(duì)合閘過電壓有影響，不同的終端條件會(huì)導(dǎo)致不同的過電壓現(xiàn)象[4]。

2.4 操作過電壓的限制措施

限制特高壓輸電線路操作過電壓的措施包括以下幾個(gè)方面。合理設(shè)計(jì)操作參數(shù)：對(duì)于跳閘操作，選擇適當(dāng)?shù)奶l速度，避免過快的跳閘速度導(dǎo)致過電壓的產(chǎn)生。對(duì)于合閘操作，選擇合適的合閘角度，控制線路電壓和電流的相位差，減小合閘過電壓的幅值。安裝過電壓保護(hù)裝置：在線路上安裝過電壓保護(hù)裝置，如避雷器、過電壓保護(hù)器等，能夠有效吸收和隔離過電壓，保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

控制操作速度：控制跳閘和合閘操作的速度，避免過快的操作速度引起較大的過電壓。合理的操作速度能夠減少線路電容和電感的能量釋放，以及重新建立過程中產(chǎn)生的過電壓。優(yōu)化線路參數(shù)和配置：在設(shè)計(jì)和改造線路時(shí)，優(yōu)化線路的參數(shù)和配置，如電感和電容的分布，以減少操作過電壓的產(chǎn)生。合理配置線路的導(dǎo)線間距和絕緣子串，降低電感和電容效應(yīng)對(duì)過電壓的影響[5]。

3 特高壓輸電線路過電壓抑制策略研究案例分析

3.1 問題描述

該案例研究的問題是特高壓輸電線路接地方式的優(yōu)化。在特高壓輸電系統(tǒng)中，接地方式對(duì)過電壓抑制和系統(tǒng)運(yùn)行安全具有重要影響。本案例旨在尋找一種更合理的接地方式，以降低過電壓水平和提高系統(tǒng)可靠性。

3.2 研究方法與結(jié)果分析

研究方法。本研究采用了以下方法：系統(tǒng)分析與建模。對(duì)特高壓輸電線路系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析和建模，包括線路參數(shù)、負(fù)荷情況、故障模式等。接地方式對(duì)比。比較不同接地方式對(duì)系統(tǒng)過電壓抑制效果和系統(tǒng)性能的影響，如星形接地、阻抗接地、混合接地等。仿真分析。利用電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)不同接地方式下的過電壓現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析，評(píng)估各接地方式的性能差異。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于仿真結(jié)果和性能評(píng)估，提出最優(yōu)的接地方式設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低過電壓和提高系統(tǒng)可靠性的目標(biāo)。

3.3 結(jié)果分析

在研究過程中，得出以下結(jié)果：接地方式對(duì)比。通過仿真分析和性能評(píng)估，比較了不同接地方式下的過電壓抑制效果和系統(tǒng)性能，包括過電壓幅值、過電壓持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)穩(wěn)定性等。最優(yōu)接地方式設(shè)計(jì)?；诮Y(jié)果分析，提出了一種最優(yōu)的接地方式設(shè)計(jì)，具有較低的過電壓水平和更好的系統(tǒng)性能。仿真驗(yàn)證和可行性評(píng)估。利用電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)最優(yōu)接地方式進(jìn)行驗(yàn)證，并評(píng)估其在實(shí)際系統(tǒng)中的可行性和效果。

3.4 結(jié)論與啟示

結(jié)論：通過深入研究特高壓輸電線路過電壓抑制策略，采用系統(tǒng)分析、接地方式對(duì)比、仿真分析和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，得出了一種最優(yōu)的接地方式設(shè)計(jì)。通過對(duì)比不同接地方式的過電壓抑制效果和系統(tǒng)性能，成功降低了過電壓水平，提高了系統(tǒng)可靠性。最終設(shè)計(jì)在仿真驗(yàn)證和可行性評(píng)估中表現(xiàn)出色，為實(shí)際特高壓輸電系統(tǒng)提供了可行的解決方案。這項(xiàng)研究為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和過電壓抑制提供了有力支持，為未來電力系統(tǒng)的優(yōu)化提供了實(shí)際指導(dǎo)。

啟示：本文研究為特高壓輸電線路接地方式的優(yōu)化提供了實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)，對(duì)于提升系統(tǒng)性能和保障系統(tǒng)安全具有重要意義。

4 結(jié)語

特高壓輸電線路過電壓是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，對(duì)于確保特高壓輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性至關(guān)重要。本文通過案例分析的方式，對(duì)特高壓輸電線路過電壓及其抑制策略進(jìn)行了研究。總的來說，特高壓輸電線路過電壓的研究是一個(gè)復(fù)雜而重要的課題，需要綜合考慮線路參數(shù)、負(fù)荷變化、操作方式等多種因素。通過不斷地研究和探索，可以尋找到更好的抑制策略和優(yōu)化方案，以確保特高壓輸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。