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特高压线路工频过电压容升效应分析 Analysis on the Effect of Power Frequency Over Voltage Rise in UHV Transmission Line 芮兆坤 1,公政2,姜文2,公茂法1,孟令枫1 （1.山东科技大学,山东 青岛 266590;2.国网山东电力潍坊供电公司,山东 潍坊 261021） Rui Zhao-kun1,Gong Zheng2,Jiang Wen2,Gong Mao-fa1,Meng Ling-feng1 (1.Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590;2.State Grid Shandong Weifang Electric Power Company,Shandong Weifang 261021） 摘 要： 特高压系统输送距离远， 输送容量大， 容性功率大等因素， 其工频过电压现象较为严重， 其他过电 压均为在工频过电压的基础上发展而来， 所以对其进行研究。该文研究内容为特高压线路空载时由于容 升效应造成的工频过电压。 对容升效应进行了机理分析， 对集中参数线路和分布型参数线路分别分析， 参 考我国第一条特高压线路晋东南 - 南阳 - 荆门输电系统搭建输电线路模型， 通过 PSCAD/EMTDC 仿真软 件进行了线路仿真， 对正常运行和空载运行时做出仿真， 通过安装并联电抗器进行抑制仿真， 并对其他影 响因素进行了分析， 得出结论。 关键词： 特高压输电； 容升效应； PSCAD； 高压电抗器 中图分类号： TM862文献标识码： A文章编号： 1003-0107(2017)02-0069-05 Abstract: UHV system transmission distance,transmission capacity,power capacity and other factors,the p- ower frequency overvoltage phenomenon is more serious,and the other to overvoltage are based on power frequency overvoltage,so the study.In this paper,the power frequency overvoltage caused by the rise and f- all effect of UHV transmission lines is analyzed.The capacitive rise effect mechanism is analyzed,respectiv- ely,analysis of centralized distribution parameters of line and line parameters,reference Jindongnan-Nanya- ng-Jingmen power transmission system in Chinas first UHV transmission line model is built,through the PS- CAD/EMTDC simulation software for circuit simulation,simulation of normal operation and no-load operation, control simulation through the installation of shunt reactor,and other factors were analyzed,the conclusion. Key words: UHV;capacitiveriseeffect;PSCAD;high-pressurereactor CLC number: TM862Document code: AArticle ID： 1003-0107(2017)02-0069-05 作者简介： 芮兆坤(1992-)， 男， 硕士研究生， 主要研究领域为特高压输电系统过电压研究及抑制方法分析。 0 引言 随着我国经济的高速发展， 电力工业越来越体现着 重要的责任， 担负着支撑国家经济发展和保障居民生活 的使命。截止 2015 年底， 全国电力总装机容量 15.2527 亿千瓦， 我国提出 “全球能源互联网” 发展战略， 建设以 特高压电网为骨干网架(通道)， 以输送清洁能源为目标， 建设全球互联的坚强智能电网2。考虑到我国的能源分 布主要集中在西北部，消费地区主要集中在东南部， 两 者呈现逆向分布， 大规模的远距离输电， 如 “西电东送， 北电南送” ，使得我国发展特高压输电系统具有深远的 意义1。 电力系统的过电压情况随着电压等级的逐步升高 越来越引起重视。 电力系统过电压分为内部过电压和外 部过电压， 其中外部过电压指大气过电压， 由雷电等自 然现象产生；内部过电压分为暂时过电压和操作过电 压， 暂时过电压又包括工频过电压和谐振过电压2。 对 于工频过电压来说， 其幅值相对于其他过电压来说并不 是很大， 但在特高压线路中， 其电压升高的大小将直接 影响操作过电压的幅值， 还将影响被保护设备的绝缘水 平以及工作环境，并且工频过电压产生的时间比较长， 对设备的运行会产生很大的影响， 也就是说， 工频过电 压是其他过电压产生的基础， 研究工频过电压有很重要 的意义。 本文所研究的课题为电力系统中由于容升效应所 导致的工频过电压。所谓容升效应， 是指当空载线路较 69 电子质量2017 年第 02 期(总 第 359 期) 图 4 分布参数等值电路 长时， 由于电容的压降大于电源的电动势， 导致线路末 端电压升高。对容升效应进行了充分的理论分析， 并利 用仿真软件 PSCAD/EMTDC, 对我国第一条特高压线路 模型进行仿真， 对容升效应产生的现象模拟， 以及可以 使用的抑制措施进行了分析， 以供参考。 1 机理分析 对于特高压线路来说， 一般输送距离较长， 线路分 析容升效应时需要采用分布参数等值电路， 但其原理是 和短线路相同的。对于一条给定 R、 L、 C 的串联线路， 采 用集中参数 T 型等值电路， 如图 1 所示， R0、 L0分别是电 源内部的电阻和电感， RT、 LT、 CT分别为集中参数电路 的等值电阻、 电感、 电容， 将其简化， 则如图 2 所示， 该线 路中的容抗 XC大于感抗 XL, 且电阻 R 远远小于 XC和 XL，因此线路在电源的作用下流过的主要是容性电流， 由于容抗的压降 UC相对于感抗的压降 UL为负， 且 UCUL， 因此导致电容的压降大于电源电动势3， 如图 3 所示， 即为容升效应。 图 1 T 型等值电路 图 2 简化等值电路 图 3 向量图 其关系式如式(1)所示。 E 觶=U觶 R+U 觶 L+U 觶 C =RI 觶+jXLI觶-jX觶 CI 觶 (1) 忽略电阻 R 的影响如式(2)所示。 E 觶=U觶 L+U 觶 C =jI 觶(XL-XC) (2) 当采用分布参数电路时如图 4 所示。 U 觶 X= E 觶cos兹 cos(琢l+兹) cos琢x(3) 兹=tan-1XS Z ,Z= L0 C0姨 ,琢=棕 v (4) E 觶为电动势， Z 为系统波阻抗， XS为等值电动势内 部电抗， 棕 为电源角速度， v 为光速。由式(3)可见， 线路 上的工频电压从首段按余弦曲线逐渐升高，当线路长 度逐渐增加时，其末端工频电压也随之升高，除此之 外， 电源的容量大小， 以及电源等值感抗也对容升效应 有影响， 当电源容量越小时， 电源感抗越大， 此时工频 过电压越严重。因此考虑抑制工频过电压时， 首先选择 适当的线路长度和电源容量，能够有效地降低容升效 应。其次除去线路本身因素外， 并联高压电抗器是较为 有效的抑制措施。 2 线路模型 2.1 线路参数 本文对长距离特高压交流输电系统空载线路容升 效应分析采用两端电源输电模型， 如图 5 所示， 线路采 用贝杰隆模型， 长度为 400km， 单回线路导线采用 8 LGJ-500/35， Xm分裂间距为 400mm， Xm和 Xn分别为电 源两端的等值电抗， Em和 En分别为等值电动势4。线路 参数如表 1 所示， 参考我国第一条特高压线路晋东南 - 70 图 7 情况 2 电压波形图 图 6 情况 1 电压波形图 表 2 特高压交流系统 MOA 参数 南阳 - 荆门示范工程。 图 5 线路模型 表 1 线路参数 R1=0.0089/ km L1=0.25854mH/ km C1=0.0205F/ km R0=0.168/ km L0=0.74667mH / km C0=0.00316F /km 2.2 避雷器参数 随着避雷器性能的提高， 也可以对工频过电压进行 抑制， 但是目前来说还未能成为主要的手段， 仅在特殊 情况下考虑使用。 避雷器参数采用中国电力科学研究院 的 1000kV 的 MOA， 如表 2 所示2。 3 仿真分析 采用 PSCAD/EMTDC 仿真软件， 分别对以下几种情 况进行了仿真分析。 情况 1： 空载线路， 无并联电抗器。如图 6 所示。 情况 2： 负载线路， 无并联电抗器。如图 7 所示。 额定电压 /kV持续运行电压 /kV操作冲击残压(峰值)/kV雷电冲击残压(峰值)/kV 828636 1kV2kV10kV20kV 1430146015531620 71 电子质量2017 年第 02 期(总 第 359 期) 图 9 情况 4 电压波形图 图 8 情况 3 电压波形图 由图 6 和图 7 可以看出，正常运行时电压约为 0.758 kV， 线路电压稳定且小于首段电压， 空载运行时电 压波形有明显的变化，且幅值在反向时达到 1.252 kV， 正向时约 1.108kV， 约为首段电压的 1.2 倍， 在绝缘裕度 较小的特高压输电系统中需要抑制。 情况 3： 空载线路， 首端装设并联电抗器。如图 8 所示。 情况 4： 空载线路， 末端装设并联电抗器。如图 9 所示。 情况 5： 空载线路， 首末两端同时装设并联电抗器。 如图 10 所示。 72 图 10 情况 5 电压波形图 如图 9 所示， 当空载线路首末两端安装并联高压电 抗器后， 线路压降明显下降， 且波形稳定， 约 0.791kV， 说 明并联电抗器对特高压线路的过电压情况具有较好的 抑制效果， 如图 7 和图 8 比较， 电抗器安装在不同位置 进行仿真， 发现安装位置的不同， 对过电压抑制效应也 不通， 且在末端安装的效果较好。 4 结论 1)特高压空载线路由于容升效应导致的过电压现 象较为明显， 虽然升高的倍数不是很大， 但是在特高压 这种对绝缘要求高的系统中仍然受到重视。 2)特高压线路容升效应在线路安装高压并联电抗 器后有明显的改善， 抑制效果明显， 且随着电抗器补偿 程度的增大， 抑制效果更佳。 3)在补偿程度一样的情况下， 将并联高压电抗器安 装在不同的位置， 对空载线路过电压的抑制效果是不同 的， 有仿真可以看出， 安装在线路末端时， 对电压升高的 抑制效果最好， 但是当感性无功过多时会影响整体的无 功分布， 从而影响系统无功的走向， 根据无功功率就地 平衡的原则， 可以在线路首末两端同时安装高压并联电 抗器。 参考文献： 1吴静儒,陈剑波.我国电力工业发展规划问题J.中国 电力,20