（电力系统及其自动化专业论文）特高压输电系统的过电压分析及限制研究.pdf

贵州人学硕i ：学位论文 o u rc o u n t r y se l e c t r i cu n d e r t a k i n gd e v e l o pv e r yf a s ts i n c et h er e f o r ma n do p e n i n gt ot h e o u t s i d ew o r l d i ti sf o r e c a s tt h a tt h ei n s t a l l e dg e n e r a t i n gc a p a c i t yw i l lb e1i 一1 2h u n d r e dm i l l i o n k i l o w a t ti nt h e2 0 2 0 a n dt h ee n e r g ys o u i c a a n dt h el o a d si sv e r yd i s e q u i l i b r i u m t h ee n e r g y 岫r c e si sc e n t r a l i z e di nt h em i d w e s ta ao fo u rc o u n t r y , b u tt h el o a d sj sc e n t r a l i z e di nt h ee a s t a r e aw h e r et h ee c o n o m yi sv e r yd e v e l o p s oi ti sn e c e s s a r yt h a tc o n s w u c tt h ee n e r g y sa l l e y w a yt o r e a l i z et h ew e s te l e c t r i ce n e r g yi sd e l i v e r e dt o t h ee a s ta n dt h en o r t he l e c t r i ce n e r g yi sd e l i v e r e dt o s o u t h b u tt h ee x t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nn e t w o r ke x i s t ss o m ep r o b l e m st h a t 批t h ea l l e y w a y o ft h et r a n s m i te l e c t r i c i t yi sl a c k i n g , t h ee l e c t r i ct r a n s p o r tc a p a c i t yi sd e f i c i e n ta n dt h es w i t c ho f f c a p a c i t yo f t h eb r e a k e r si ss m a l l e re t c s ot h ee h vt r a n s m i s s i o nn e t w o r ki s n tc h a r g ew i t ht h et a s k o f t r a n s m i th u g ee l e c t r i c i t y h o w e v e ri ti sn o to n l yi m p r o v et h ew a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n dr e d u c e t h eu l l a g eo ft h ee l e c t r i ce m 理亨a n dt h ei n v e s t i n gc o s to fp o w e rh o u s e sb u ta l s os t i n tt h ef l o o r s p a c ea n dp l a yd o w nl i i es h o r tc i r c u i tc o r r c n t 的c o n s t r u c tt h eu i r ah i g hv o l t a g e ( u h v ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m n 圮a l l o w a b l ev o l t a g ep e a kv a l u eo fu h vt r a n s m i s s i o nl i n ei sd i r e c t l ya s s o c i a t e dw i t l it h e f a c t o r ss u c ha si n s u l a t i o no f t h ee l e c t r i cf a c i l i t ya n dt h et r a n s m i s s i o nl i n e i t se c o n o m i cb e n e f i ti s v e r yh u g e s oi ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h em e , a s u r e sw h i c hi sr e s t r a i n e dt h eo v e r v o l t a g ei n s i d e t h ep o w e rs y s t e m 1 1 l ep a p e rp a r t i c u l a r l ya n a l y s i st h ef r e q u e n c yo v e r v o l m g ea n dt h es w i t c h i n g s u r g e a n da u t h o rg i v es o m em e a s u r e st or 删nt h eo v c r v o l a g ei n s i d et h ep o w e rs y s t e m a b o u t t h ep o w e rf r e q u e n c yo v e r v o l t a g e ，t h ea u t h o rp a r t i c u l a r l ys t u d y st h ee f f e c to f t h es h u n tr e a c t o r a n d a g a i n s ts i n g l e - p h a s er e c l u s et h eb r e a k e r , t h ea u t h o rr e s e a r c h st h es h u n tr e a c t o r sm i d p o i n te a r t h i n g b yt h er e a c t o rw h i c hc a p a c i t yi ss m a l l e r a b o u tt h es w i t c h i n g , t h ea u t h o rp a r t i c u l a r l ya n a l y s i st h e s i n g l e - p h a s ea n dt h r e e - p h a s er e c l o s et h eb r e a k e r a n dh ea l s os t u d i e ss o m em c a s u r w h i c h r e s t r a i nt h eo v e r v l o t a g e t h e y 辨u s i n gb r e a k e rw i t hs h u n t i n gr e s i s t a n c ea n du s i n gt h em e t a lo x i d e a r r e s t e rw h i c hi sf u r n i s h e di nt h et r a n s m i s s i o nl i n e s i nt h ea r t i c l e ，t h ea u t h o rc a r r i e so nag r e a td e a lo f s i m u l a t i o i l sa g a i n s tt h eu h v e x p e r i m e n t a l l i n e ：j i n d o n g n a n - n a n y e n g - j i n g m e nw i t ht h ep s c a d ，e m t d cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dd r a w s s o m ec o n c l u s i o n s k e yw o r d s ： u h vt r a n s m i s s i o nl i n e o v e r v o l t a g e s h u n tr e a c t o r s m e t a lo x i d ea t t e s t e r m u l t i s t a g ec l o s i n gr e s i s t o r s s i m u l a t i o n 贵州，i 、= 学颀，r 学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝丑堡 日 期：。! q q2 生工旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 妞鳖导师签名：选j 壅堕目期：! ! qz 生月 贵州大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 改革开放以来，我国电力工业迅猛发展，到2 0 0 3 年底我国发电装机容景达到了3 8 5 亿 千瓦，而到2 0 0 6 年底已突破6 亿千瓦预计到2 0 2 0 年我国的发电装机容量将达到1 1 - 1 2 亿千瓦。而我国能源和负荷的地理分布义极不均衡：8 0 左右的水电资源分布在西南和中部 地区，7 6 的煤炭资源分布在华北和西北地区。而7 0 左右的用电负荷则主要集中在东部沿海 附近p j 因此要解决2 1 世纪国民经济发展的能源供应问题，就必须在大力开发西南、西北 水电和“三西”( 山西。陕西，内蒙古西部) 火电的同时，建设全国能源传输通道，实现远 距离大容量的“西电东送。北电南送”。而我国现有的超高压输电电网因输电走廊布置困难， 输送能力不足开关断开容量不够等多方面的问题，已明显不能满足重大的电力输送任务。 研究结果表明：输电线路越长，输送容量越大，特高压输电越经济通过综合比较，1 0 0 0 k v 交流输电方案单位输送容量的投资约为5 0 0 k v 的7 3 8 0 0 k v 直流输电方案单位输送容量 的投资约为5 0 0 k v 的7 2 同时采用特高压输电电网将会产生多种效益，如可以优化联网 效益，降低运行成本节约电网投资，减少占地，解决超高压电网短路电流超标问题，减少 对环境的污染，促进国内输变电制造业。带动西部经济的发展等1 1 2 j 。 2 0 世纪6 0 年代以来，美国、前苏联、意大利、日本等国家先后制定了特高压输电计 划，并相继建成了特高压输电实验室、试验场。对特高压输电可能产生的 ：程问题( 如过电 压，可听噪声。无线电干扰，生态影响等) 进行了大量的研究，取得了一些重要成果。前苏 联已建成了1 1 5 0 k v 特高压输电线路2 3 6 2 k m ，其中埃基巴斯图兹科克切塔夫库斯坦 奈共9 0 0 k i n 长的线路及3 座变电站曾投入商业运行，运行时间累计超过5 年，积累了大量 的运行数据和经验。日本已建成了1 0 0 0 k v 同杆并架线路4 2 7 k m ，并于1 9 9 6 年建成新榛名特 高压设备实物验证站唧j 这些都为我国开展特高压输电工作提供了宝贵的经验和数据。 2 0 0 5 年7 月，我国制定了特高压电网的发展目标：即由1 0 0 0 k v 级交流和8 0 ( 0 级直 流系统构成i i ”未来全国联网后整个电网的稳定性与各大区电网间互相支援的能力有关， 即各大区电网间联络线交换功率越大。联系越紧密电网运行越稳定，所以用特高压输电线 作为大区电网的联络线将更加有利于电网整体运行的稳定性 t 2 本课题研究的目的和意义 在我国将逐渐开展特高压输电建设的背景下，对特高压输电线路所涉及的相关问题进行 深入细致的研究具有重大的现实意义和指导意义。本课题正是针对交流特高压输电线路内部 过电压及其限制措施等问题进行的深入研究。 1 2 1 电力系统过电压 电力系统过电压可分为外部过电压和内部过电压其中外部过电压是指由于大气环境中 的雷云放电而引起的电力系统电压升高，所以也称大气过电压或雷电过电压显然，外部过 电压是由大气环境造成的，具有明显的不可预知性一般可利用避雷针、避雷线和避雷器来 贵州大学硕1 ：学位论文 限制电力系统雷电过电压。电力系统内部过电压是指电力系统中由于断路器操作。故障或其 它原因，使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能晕的转化或传递而造成的电压升高。 电力系统内部过电压又可分为两大类，一类是因开关操作或故障引起的暂态电压升高， 称为操作过电压；一类是因系统的电感电容参数配合不当，出现的各种持续时间较长的谐振 现象及其电压升高，称为暂时过电压( 暂时过电压又可分为工频过电压和谐振过电压) 与 雷电过电压产生原因单一不同内部过电压因其产生原因，发展过程，影响因素多样化，而 且具有种类繁多，机理各异的特点。就过电压持续时间而言，外部过电压持续时间最短，操 作过电压次之，暂时过电压持续时间最长，有些甚至可能长期存在。 由于系统内部过电压的能量来源于电网本身，所以其幅值与电网工频电压有一定的比例 关系一般用内部过电压的幅和电网最高运行相电压幅值之比k 来表示该内部过电压的大 小。k 值与电网的结构，系统中各元件的参数，中性点运行方式，故障性质及操作过程等因 素有关，并具有明显的统计性。 工频电压升高本身对系统中正常的绝缘电气设备一般是没有危险的，但在确定特高压远 距离输电系统绝缘水平时，却起着重要的作用，必须予以充分重视。其原冈如下： ( 1 ) 由于操作过电压的高频振荡分量是叠加在工频电压之上的，所以工频电压升高的大 小将直接影响操作过电压的幅值； ( 2 ) 工频电压升高的大小会影响保护电器的工作条件和保护效果。例如避雷器最大允许 工作电压是由工频电压升高决定的，如工频电压升高过大，则要求的避雷器最大允许工作电 压较高，其冲击放电电压和残压也将提高，相应的被保护设备的绝缘强度亦应随之提高； ( 3 ) 工频电压升高持续时间较长( 有的可能长期存在) 对设备绝缘及其运行性能有重大 影响。例如工频电压升高会造成油纸绝缘的内部游离等。 由于特高压输电系统中存在着许多电容电感元件以及各种补偿设备。因而当系统中电容 电感元件参数配合不当时，就有可能会出现危险的谐振过电压所以，在系统的设计当中， 就应考虑各种可能的接线方式和操作方式力求避免形成不利的谐振回路 电力系统中的电容电感元件均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生改变时将 会有过渡过程产生在过渡过程中，由于电源继续供给能簧。而且存储在电感中的磁能会在 某一瞬间转变为以静电场能量的形式存储于系统的电容之中所以可产生数倍于电源电压的 过电压，此即为操作过电压。在特高压线路上。常见的操作过电压有切除空载线路过电压和 台闸空载线路过电压等。操作过电压是特高压输电绝缘水平选取的重要依据。对于2 2 0 k v 及以下的系统，通常设备的绝缘结构设计允许承受可能出现的3 - 4 倍额定电压的操作过电 压，因而不必采取专门的限压措施，然而对超高压和特高压输电系统，如果仍按3 0 倍额定 电压的操作过电压来考虑，势必会导致设备绝缘费用的迅速增加；此外，由于外绝缘及空气 间隙的操作冲击强度对绝缘距离的“饱和”效应，会使设备的绝缘结构复杂，体积庞大，进 一步影响到设备的造价。工程的投资等经济指标0 4 1 ，因此在特高压输电系统中必须采取专 门的措施限制操作过电压，使其处于可以接受的水平之下 1 2 2 特高压输电线路过电压的限制 特高压输电线过电压是发展特高压电网所必须研究的课题，它不仅影响到变压器，断路 器等电力设备绝缘强度的设计，而且还青接关系到电力系统能否安全可靠的运行。 工频过电压的大小不仅直接影响操作过电压的大小，而且还是选择避雷器额定电压的依 据其可能危及设备及系统的安全运行。特高压系统的j i ：频过电压与超高压系统有相似之处。 但其输送容量更大，距离更远。线路的充电功率更丈。在特高压输电系统中。由空载长线的 2 贵州大学硕士学位论文 电容效应、不对称短路故障和甩负荷引起的工频过电压是很高的因此为了降低特高压电气 设备的绝缘水平，必须降低工频过电压由于并联电抗器的电感能够补偿线路的对地电容， 减小流经线路的容性电流。消弱电容效庵所以采用并联高压电抗器是限制特高压输电线工 频过电压的最主要手段。适当的选择电抗器的容量和安装位置则可将工频过电压限制在允许 的范围内。此外，并联电抗器还涉及到无功平衡，潜供电流补偿等方面的问题，因此必须综 合考虑系统的结构，参数，可能出现的运行方式及故障形式等各方面的因素，合理的选取电 抗器的补偿度和安装位置。此外还可采用继电保护方案缩短1 = 频过电压的持续时间，改变保 护的操作方式，使用良导体架空地线或光纤复合架空地线等措施来降低工频过电压。 操作过电压是特高压电网绝缘水平的决定性因素。由于操作过电压与系统的额定电压有 关，所以特高压输电系统中的操作过电压问题就更为突出。在特高压系统中常见的操作过电 压有以下几种：切除空载线路过电压( 即跳闸过电压) ，合闸空载线路过电压( 即合闸过电 压) 和解列过电压等。 对于跳闸过电压，避免断路器触头发生重燃是限制跳闸过电压的根本措施。因此。改善 断路器的结构，提高触头问介质的恢复强度和灭弧能力可有效限制跳闸过电压。另外，给断 路器并联合适阻值的电阻，采用性能优良的金属氧化物避雷器和给线路安装并联电抗器等措 施也可用来限制跳闸空载线路过电压 随着断路器制造水平和灭弧能力的提高，跳闸过电压褥到了有效的抑制于是合闸空载 线路过电压就成为特高压系统绝缘的主要矛盾。尤其是重合闸过电压它是选择特高压输电 线绝缘水平的决定性冈素。限制合闸过电压的措施很多，首先是限制t 频电压的升高，可以 通过在线路上并联电抗器来实现对于双端电源供电的输电线路，让电源容量较大的一侧先 进行合闸操作，电源容鼍较小的一侧后进行合闸操作也可有效地降低工频过电压；再者，消 弱合闸前线路的残余电压，给断路器加装合闸电阻，采用金属氧化物避雷器等都是抑制合闸 过电压的有效手段。 1 3 本文完成的主要工作和章节安捧 为了提高输电线路的传输能力，加强电网的结构，实现资源的优化配置，特高压输电( 交 流1 0 0 0 k v ，直流8 0 0 k v ) 已提到了我国的日程安排上来由于特高压输电线路长电压等 级高，因而对绝缘提出了更高的要求。旦发生由于过电压，如工频过电压和操作过电压， 而造成绝缘损坏时，势必会造成巨大的经济损失。因此有必要对特高压输电线路过电压的限 制进行研究。 本文以我国正在建设的晋东南一南刚一荆fj 的特高压输电实验线段为研究对象详细地 分析了各种工况下输电线路可能出现的工频过电压和操作过电压，并给出了各种可能的限压 措旆。其中线路工频过电压的限制措施主要研究了并联高压电抗器的作用，并通过大量的仿 真给出了线路安装电抗器的合适位置：同时从抑制潜供电流的角度出发研究了并联电抗器 中性点经小电抗器接地的情况。对于线路操作过电压的情况，本文主要以产生过电压最为严 重的重合闸过电压为研究对象，分析了线路单相接地故障时断路器三相重合和单相重台两种 情况，并对使用断路器合闸电阻及沿线装设线路型避雷器等限压措施进行了仿真分析。 本文的具体章节安排如下： 第1 章绪论 第2 章特高压输电线路内部过电压的理论分析 第3 章特高压输电线路的贝杰农模犁 第4 章特高压输电线路i = 频过电压限制措施及仿真分析 3 贵州大学硕士学位论文 第5 章特高压输电线路合闸过电压的仿真分析 结论 4 贵州丈学硕士学位论文 第2 章特高压输电线路内部过电压的理论分析 电力系统内部过电压是指由于电力系统故障和，或开关操作而引起电网中电磁能量的转 化，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电 压升高1 2 “内部过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象它可分为暂时过电压和操作过 电压两大类。在故障和戚操作时，瞬时发生的过渡过程过电压称为操作过电压。其持续时 间一般在几十毫秒之内在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于o 1 秒至数秒甚至数小 时的持续性过电压称为暂时过电压，暂时过电压又可分为工频过电压和谐振过电压。2 2 0 k v 及以下系统中，内部过电压是由系统本身绝缘来承担的，而在超高压特高压系统中系统绝 缘水平主要是由内部过电压来决定的。因此非常有必要对特高压输电线f 频过电压和操作过 电压的产生影响及其相廊的限制措施进行深入的研究。 2 1 输电线路的工频过电压 工频过电压产生的原因包括空载长线的电容效应，不对称接地故障引起的正常相电压的 升高，甩负荷等，它与系统的结构、容量、参数及运行方式有关，其频率等于或接近于工颓。 2 1 ，1 均匀长输电线的分布参数模型 由于特高压输电线距离较长，需要考虑其分布参数特性假设每相输电线路的电阻， 电感、电导、电容沿线均匀分布，且设、上o ig o 、c o 分别表示线路单位长度的电阻、 电感，电导，电容，则单相导线的模型可如下图所示： 葵二： ( 2 - 1 ) 设线路酋端电压t 电流分别为u it i i ；线路末端电压，电流分别为u 2 ，2 ；沿线任 一点电压，电流分别为u ，厶( 工表示距线路末端的距离) 。则根据边界条件可以求解得沿 ， 贵州大学硕士学位论文 豳惨瑚豳 协z ， 其中z c = 瓴“+ 觚) 为输电线路的波阻抗； ，= ( ，o + j m l o ) ( g o + j o 贮o ) = 口+ 歹卢为输电线路的传播系数( 其中实部口称为衰减系数， 对于三相输电线路，由于导线彼此问存在着电磁耦合联系在电磁暂态计算中，往往 用等值阻抗和电流源来等效其分布参数模型。具体推导参见第3 章中3 1 2 节。 2 1 2 空载长线路的电容效应及系统阻抗对工频过电压的影响 如果输电线路突然从负荷侧断开，那么线路就进入了开路状态。此时线路上，特别是其 末端上。会出现较高的电压升高；在系统并车前先从电源侧投入线路时，也会导致同样的 情况这些过电压就是由空载线路的电容效应引起的。单端电源带空载长线其等效电路及复 合二端口网络如下图所示： ( a )c b ) ( 闰2 2 ) 求解该复合二端口网络得： c b l 堡s 瞻lz i 圆b l + z 记h r l z c s h r l c h r l z c 由空载线路边界条件，2 = o ，联合( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式，可得沿线电压的表达式： 扯面c h 和r x 瞰，左 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中忍为电源等效阻抗tk e 为【频电压升高系数。若忽略线路的损耗，且设磊= 则可得空载长线沿线电压的表达式为： 6 贵州大学硕士学位论文 呶。焉哪厨弘耳富 ( 2 - 5 ) 显然，当x = o ，即线路末端时的工频过电压最高又因为电源等效阻抗z j 与电源容量有 关，当电源容量为无穷大时，z s = o 目p x s ；0 ，则当= 罢时。r p l = 1 5 0 0 k i n 时k p - - 一， d 2 一一，即线路处于谐振状态；当电源容量为非无穷大时，x s 。，则当= 罢一缈时， k p 一一，u 2 一一，即线路长度小于1 5 0 0 k i n 时就发生了谐振状态，所以电源电抗相当于增 加了线路长度，使谐振点提前了两种情况下空载线路工频过电压与线路长度的关系如下图 所示； i ! ? 一。：二， 表2 - i x s 对空载长线工频电压升高系数的影响 k 0 0 1 厶，0 1 l ，0 5 厶， 厶， 7 5 0 k v 线路 1 0 0 21 0 21 1 ll2 5 k p 1 1 5 0 k v 线路1 0 0 2 81 0 2 9 2i 1 6 5 5i 3 9 6 6 由表中计算结果可以看出，x s 越人，即电源容昔越小时，线路末端工频电压升高越严 重。所以在双端电源供电的系统中，当进行合闸操作时，戍先合电源容鹭大的一侧，再合电 源容量小的一侧；当进行拉闸操作时，应先断电源容量小的一侧，再断电源容量大的一侧， 这样可以有效抑制空载线路的电压升高。同时也可得出结论：在估算最严重的工频电压升高 时，应以可能出现的电源容量的最小运行方式为依据。 当工频电压升高超过一定值时，可在线路上安装并联电抗器来补偿线路的对地电容，消 弱线路的电容效应，抑制线路的电压升高。电抗器视需要可以安装在线路的首端末端或中 部 7 2 1 3 不对称短路引起的工频电压升高 不对称短路是输电线路最常见的故障形式，短路电流中的零序分量会使健全相上出现工 频电压升高( 常称为不对称效应) 系统中的不对称短路故障，以单相接地故障最为常见， 且引起的工频电压升高也最为严重。下面就以单相接地故障为例，分析不对称短路故障引起 的工频电压升高。 设系统中a 相m 处发生单相接地故障，如图所示： c n ( 图2 4 ) 其边界条件为：也= ：0 ，五= 立= o ，所以有； u l + u2 + u 0 = o 口2j i + 口f 2 + j o ；口j l + 口2 ，2 + ，o 由式( 2 7 ) 可得：i i = h = 1 0 ； = 荔 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - s ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 式中e | 是正常运行时故障利对地阳电雎，z l - z 2 ，z o 是从敢陴息看透云明网聒阳止 序、负序，零序阻抗，口是复数因子，口= e 一计= 一丢q 孚以足m 表示单相接地故障后 健全相电压升高系数，则式( 2 一l o ) 可简化为，= x ) 赢，其中： 肚一燕士，嬲 沼m 对于较大电源容量的系统，z lt z 2 贵州大学硕l ：学位论文 一州删蓑。譬。 同理，当发生两相接地短路时，由边界条件【= 砺= o ，知= o 可解得健全相的电压升高 ：2 磊4 毒 显然，这类工频过电压与单相接地点向电源侧的k ，五有很大关系，若讫，五增加将 使不对称短路故障时健全相的电压有增大的趋势托与五受下列因素的影响：一是特高 压线路的正序零序参数，特高压输电线路的x o x * 2 6 ；另一个因素是电源侧包括变压器 及其它电抗，电源是发电厂时凰，五较小。电源为复杂电网时x 。x 一般较大。当电 源容量增加时，x o 。k 也会有所增加下图分别表示单相和两相接地故障时的工频电压升 高与x o ，x l 的关系曲线。 ( a ) 单相接地故障( ”两相接地故障 图( 2 - - 5 ) 由于特高压输电线路的x o ，x i 2 6 ，由图可见不对称故障引起的工频电压升高系数 是大于l 的。当发生不对称短路故障三相甩负荷时，由于空载线路的电容效应会使健全相上 的电压进一步升高，这是值得注意的 2 1 4 线路甩负荷效应 当输电线路重负荷运行时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造 成工频电压升高的原因之一通常称为甩负荷效戍此时，影响工频过电压的因素主要有四 个：甩负荷前线路输送的潮流。特别是向线路输送无功潮流的大小，它决定了电源电动势 e 的大小。一般来讲甩负荷前，若线路上输送相当大的有功及感性无功功率，电源电势必 9 贵州大学顼学位论文 然高于母线电压。甩负荷后发电机的磁链不能突变，可简单认为电源暂态电动势在短暂时间 内维持原来数值，向线路输送功率越大，电源的暂态电动势也越高，计算工频电压所用等值 电势越大，工频过电压也就越高；电源的容鼍，其决定了电源的等值阻抗，电源容量越小， 等值阻抗就越大，可能出现的工频过电压也就越高：线路长度，线路越长，充电的容性无 功就越大，工频过电压就越高：发电机绢调速器和制动设备的惰性，甩负荷后其不能立即 起到应有的调速效果，导致发电机转速加快，电动势及频率上升，从而使空载线路的工频过 电压更为严重。 2 i 5 限制工频过电压的可能措施 限制工频过电压可考虑采取以下措施，但这些措施不一定适用于所有网络。 1 使用高压并联电抗器补偿特高压线路的充电电容 由于我国西电东送和南北互供等远距离送电要求，相当一部分特高压线路都较长。单段 线路的充电功率很大，必须使用高压并联电抗器( 简称高抗) 进行补偿，如下图所示： ( 图2 - - - - 6 ) 线路接入并联电抗器后，由于电抗器的感性无功功率部分地补偿了线路的容性无功功 率，相当于减小了线路的长度，降低了工频电压升高。从线路首端看，在通常采用的欠补偿 情况下，线路首端输入阻抗仍为容性，但数值增大，空载线路的电容电流减小，同样电源电 抗的条件下，降低了线路首端的电压升高。因此并联电抗器的接入可以同时降低线路首端及 末端的工频过电压。但也要注意，高抗的补偿度不能太高，以免给正常运行时的无功补偿和 电压控制造成困难。在特高压电网建设初期，一般可以考虑将高抗补偿度控制在8 0 9 0 ， 在电网比较强的地区或者比较短的特高压线路，补偿度可以适当降低。 2 考虑使用可调节或可控高抗 重载长线8 0 9 0 左右的高抗补偿度，可能给正常运行时的无功补偿和电压控制造成 相当大的问题，甚至影响到输送能力。解决此问题比较好的方法就是使用可控或可调节高抗： 重载时运行在低补偿度，这样由电源向线路输送的无功减少，使电源的电动势不至于太高， 还有利于无功平衡和提高输送能力当出现工频过电压时，快速控制到高补偿度。 理论上讲可控或可调节高抗是协调过电压和无功平衡的好方法，但实际应用中由于其造 价高短期内不会大量使用 3 使用良导体地线( 或光纤复合架空地线0 p g w ) 使用良导体地线可以降低系数托，置，有利于减小单相接地甩负荷过电压 4 使用线路两端联动跳闸或过电压继电保护 该方法可缩短高幅值无故障甩负荷过电压的持续时间。 5 使用金属氧化物避雷器限制短时高幅值工频过电压 随着金属氧化物避雷器( m o a ) 性能的提高，使用m o a 限制短时高幅值工频过电压 成为可能，但这会对m o a 能晕提出很高要求，在中国由于采用了高压并联电抗器，不需要 将m o a 作为限制工频过电压的主要手段，仅在特殊情况下考虑采_ i j 。 1 0 贵州大学硕士学位论文 6 选择合理的系统结构和运行方式，以降低工频过电压 过电压的高低与系统结构和运行方式密切相关，这在特高压线路建设和运行初期尤为重 要，应高度重视。 2 2 特高压输电线路操作过电压及其限制措施 当开关操作或事故状态引起系统拓扑结构发生改变时。系统中各储能元件之间的电磁能 量相互转换就会产生操作过电压与工频过电压相比。操作过电压具有幅值高，存在高频振 荡，强阻尼及持续时间短等特点。 操作过电压是决定特高压输电系统绝缘水平的最重要依据。在特高压系统中主要考虑三 种类型的操作过电压：合闸( 包括单相重合闸) ，分闸和接地短路过电压。接地短路过电压 在正常相上产生的过电压，除了靠线路两端m o a 限制外，一般没有什么特别的办法。因此 在特高压的操作过电压的研究中，以它作为限制操作过电压的底线，将合闸和分闸过电压限 制到与其相当的范围内。对我国正在建设的1 0 0 0 r v 交流输电线路而言，应将线路分闸，合 闸过电压限制到1 “1 7 p u 的水平之下i i ” 下面就线路分闸、合闸过电压形成原理及限制措施进行分析。为了分析方便，将空载长 线的分布参数模型用集中参数元件电感和电容来代替。取，2 = o ，x = l ，由式( 2 - 2 ) 可得从空 鞘艏糈胜撇躺辙鼽蹴冶詈2 釜2 - j z , c t s z 。 将余切函数用级数展开，取其前两相可得：z * 一3 i b + j 吾m c “ 所以可将空载线路等效成一个电感；工“和一个电容c “串联，如下图所示： g ， ( 图2 _ _ 7 ) 空载线路集中参数等效电路 以下对空载线路跳闸过电压的分析就以该集中参数等效电路为模型。 2 2 1 空载线路跳闸过电压 ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 切除空载线路是电力系统常见的操作之一。产生过电压的原因是断路器跳闸的过程中 发生电弧的重燃。断路器切断的是较小的容性电流，通常为几十安到几百安，比短路电流小 的多。但能够切除巨大短路电流的开关却不一定能够不重燃的切断空载线路。这是因为在跳 闸初期，由于断路器特别是油断路器，触头问恢复电压的上升速度有可能超过介质恢复强 度的上升速度，造成电弧的重燃，从而引起电磁振荡，出现过电压。运行经验表明，断路器 的灭弧能力越差。电弧重燃的几率就越大，过电压的幅值也就越高。 忽略电阻分量，用下面等值电路图来分析切除空载线路产生过电压的过程。 p ( ，) c 0 ( 圈2 - 8 ) 设电源电势p ( f ) s 以s i n ( e a t + ) 由于j 七 x l ，所以可以近似认为电路中的电流 为容性电流，即有： f ( f ) = ：垒：l s i n ( n 蜡+ 够o + 9 0 。) ( 2 - 1 4 ) 一跳 为分析的方便。暂不考虑空载线路的工频电压升高，认为断路器跳闸之前线路的电压 。( f ) 就等于电源的电势e ( f ) 设断路器动作以后，触头开始分离，当断路器的工频电流过 零值( r 1 ) 时，电弧熄灭，此时电容上的电压为电源电压的最大值即址( t ) = 乜，如果不考 虑线路上残余电荷的泄漏，则线路维持残压e ，于是断路器触头间恢复电压u ( t ) 为： u ( t ) = e ( t ) 一色= 民 s i n ( a t + 9 0 ) - 1 】( 式中t = f - t 1 ) ( 2 1 5 ) 如果断路器触头阐去游离能力很强，抗电强度恢复增长的很快，则电弧从此熄灭，线路 被断开，不会产生过电压若开关灭弧性能不良，则在恢复电压的作用下，触头间的电弧可 能发生重燃，产生过电压。按最严重的情况考虑，设在，2 ：t , + 1 1 懒j ，电弧发生重燃， 0 3 这时相当于电源电压突然加在电感厶+ ；厶，和具有初始值e 。的电容c i ，组成的振荡回路 上。由于回路固有振荡角频率n = 比工频大的多。故此过渡过程为高频振 荡形式。可以认为在高频振荡的过渡过程中电源电势保持一e 肿不变。若忽略回路损耗引起 的电压的衰减，过渡过程中电容上电压达到的最大值可由过渡过程后电压的稳态值弧和初 始值u 来进行估算：i “。i - iu s + ( u s u ，) l ( 2 - 1 6 ) 由上式可知，电弧重燃产生的过电压幅值i “。i = l e + ( 一瓦一瓦) l - - - 3 e 。 与此同时，回路中的电容电流又过零点。电弧再次熄灭，线路上就保持了一3 e 。的残压 贵州丈学硕士学位论文 此后在f ，：t 2 + 旦时刻，断口问的电压达到已一( 3 瓦) ：4 e ，若电弧再次重燃，则线 c o 路过电压可达5 玩。依次类推，每隔半个1 二频周期电弧就重燃和熄灭一次，线路过电压将 按7 瓦，9 e 等逐次增加，直到触头问已有足够的绝缘强度t 电弧不再重燃为止跳闸操 作产生的线路过电压的发展过程可由下图表示： ( 图2 9 ) 值得说明的是由于受到一系列复杂因素的影响，切除空载线路的过电压不可能无限的 增大。当过电压较高时，线路上就会产生强烈的电晕现象，电晕损耗将消耗过电压波的能量， 引起过电压波的衰减，限制了过电压的升高。当母线上有几回出线时，相当于母线电容增大， 可以降低线路上初始电压的绝对值并吸收部分振荡能量，而其有功负荷又能增强阻尼效应 使重燃时的过电压相应的降低。 随着断路器制造水平、灭弧能力的提高。切除空载线路时的电弧重燃得到了有效的抑制， 而且，在特高压电网中，随着线路接入并联电抗器及氧化锌避雷器等限压措施的介入，跳闸 过电压得到了有效的抑制相对而言，合闸空载线路产生的过电压则成为特高压电网绝缘水 平的决定性因素。 2 2 2 空载线路合闸过电压 合闸于空载线路是电力系统中常见的一种操作，通常可分为两种情况：一种是正常有计 划的合闸，如线路检修后投入运行根据调度需要对送电线路的合闸操作等。这种情况下， 在合闸之前，线路上不存在任何异常，线路上起始电压为零合闸后，线路各点电压由零值 过渡到考虑电容效应后的工频稳态电压值，在此过渡过程中会出现合闸过电压。由于线路具 有分布参数特性，所以振荡电压将由工频稳态分量和无限多个逐渐衰减的谐波分量叠加组 成。另一种合闸操作是运行线路发生单相接地故障，由继电保护系统控制跳闸后，经一短促 时间再合闸，即自动重合闸操作f “ q d k 弓：+ m 上 ( 图2 一1 0 ) 如上图所示，线路单相接地，断路器k 2 先跳闸，线路成为带接地故障的空载线路，当 断路器k l 动作时在触头流过的电流过零时电弧断开，非故障相线路上将留有残余电压， 1 3 贵州大学硕士学位论文 假定为一砜。在大约0 5 s 后，k i 自动重合，若线路上一没有泄露和衰减，则非故障相 线路上各点电压就会从一砜过渡到考虑电容效应后的工频稳态值在此振荡过程中将出现 较高的过电压。显然，重合闸过电压要比计划性合闸过电压严重的多，由于空载线路各点工 频稳态电压不等，所以合闸过电压的幅值也不同，线末最高，线首最低。 i 考虑线路分布参数特性的合闸过电压计算 假定断路器三相完全同期操作，这时线路上三相的强制分量。暂态分量之和均为零， 过渡过程的电压只决定于正序参数，即可用单相网路进行分析。参见下图。 口0 ) 巩 设电源等值电势为p ( ，) = 瓦c ( c o t + 口) 合闸前线路的残压为一“。令f = 研，取 1 玩。一，z f 为基准值。则利用叠加原理、拉普拉斯变换可求得线路末端的合闸过电压表 t o 达式为： ( r ) = u 2c o s ( f + 印一喜墨! ! 吒兰季堂e 喝c o “哆r + 4 ) ( 2 - 1 7 ) 式中 uz上cosa-kl2sin2 ( 线路末端稳态电压幅值) ， 耻与( 厶为线路每公里电 鼽墨。岳( q 为系统各次自振角频鼽磊= 一面丽s j s i n 0 ， k = 2 面s i n c o , 2 ( 1 + 瓦；i ；五万”南p 志m 燃电 阻) ，哆可由c 馆q a ：k l q a ，a ：型求得。 v 则合闸前线路上无残余电压即计划性合闸时线路末端的电压为： 纵f ) - w 2 c o s ( 咖一喜墨等c o s ( 咿4 ) ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 可以看出特高压长线的分布参数特性使得合闸过程是由工频稳态 分量和多个谐波分量叠加而成，合闸过电压的变化过程可由上两式进行准确的计算。显然， 线路残压的极性和大小，对合闸过电压幅值的影响很大在线路残压的极性与电源电势的极 性相反且电源电势处于峰值时刻合闸将产生最严重的合闸过电压 1 4 贵州大学硕士学位论文 影响合闸过电压的因素 实际上。合闸过电压的幅值受到很多因素的影响，如系统参数。结构及运行方式等； 此外如合闸相位，三相断路器合闸动作的不同期性等随机因素不但影响过电压的数值。还 使其具有统计性质。归纳起来，影响合闸过电压的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 合闸相位 电源相电动势p ( ，) = 瓦c ( c o t 十0 ) ，合闸瞬间的电动势e ( o ) = 瓯c o s o 取决于合闸初 相角口，正常合闸时，若0 = 0 即p ( o ) = 以是其中过电压最严重的情况。伊它是个随机数值， 遵循统计规律。由于断路器触头在机械上闭合以前可能发生预击穿现象，而且多发生在触头 问电压接近最人的情况，即相当了：电源电动势在最大值附近合闸或接近反相重合闸。为了限 制该合闸过电压，选相合闸( 或称同步合闸) 是可以采取的一种措施，即通过专门的装置进 行控制，使断路器在两触头电位极性相同或电位差接近零时完成合闸操作。 ( 2 ) 线路损耗 实际输电线路的能晕损耗会引起自由分量的衰减，使过电压幅值降低。能量的损耗主要 来自两方面：一方面是线路存在的电阻：另一方面是肖过电压较高时线路上将出现冲击电 晕放电现象。而且过电压倍数越高，冲击电晕现象越强烈，电晕损耗能量也越大 ( 3 ) 线路残压的变化 在自动重合闸的过程中，由于线路残余电荷的泄放，实际上线路的残压是下降的。首先， 线路的绝缘子存在着一定的泄漏电阻，使线路上的残余电荷泄放入地。其次，若线路侧接有 电磁式电压互感器，则由线路电容，互感器的激磁电感及等值电感构成阻尼振荡回路在该 回路中，残余电荷得以泄放 h ) 三相断路器的不同期合闸 通常断路器合闸时，总存在一定程度的三相不同期，因而形成三相电路瞬时的不对称。 此外，由于三相之间存在互感及电容的耦合作用，在未合闸相上感戍出与已合闸相极性相同 的电压，待该相合闸时可能出现反极性合闸的情况，以至产生高幅值的过电压。 ( 5 ) 单相自动重合闸的采用 模拟试验表明，一般情况下三相自动重合闸，特别是不成功的三相重合闸，过电压最 为严重。这主要是由于不对称效应使健全相残压高于相电压，空载长线的电容效应以及相问 耦合等原因所致因此，为了降低重合闸过电压，超高压及特高压系统多采