（电力系统及其自动化专业论文）特高压输电线过电压抑制及保护控制策略研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ep e r s i s t e n td e v e l o p m e n to fo u rs t a t ee c o n o m y , t h ed e m a n do fe l e c 砸c p o w e ri si n c r e a s i n gr a p i d l y i no r d e rt os a r i s 匆t h en e e do fl a r g e - c a p a e i t yr e m o t e t r a n s m i s s i o na n dn a t i o n a li n t e r c o n n e c t e dn c t w o r kw h i l ee n s u r i n gs e c u r e - a n d - r e l i a b l e o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m , w em u s ts t r e n g t h e nt h ec o n s t r u c t i o no fs k e l e t o ng r i d a n e c o n o m i ca n dv a l i da p p r o a c ht os t r e n g t h e nt h es k e l e t o ng r i di st oc o n s t r u c tt h eu l t r a h i 吐v o l t a g et r a n s m i s s i o n1 i n e s s oi ti si m p e r a t i v et os t u d yt h en e we l a s s i f i c a t i o no f v o l t a g ei na d v a n c e o v e r - v o l t a g ei st h ep r e m i s ea n db a s i so fo t h e rr e s e a r c hs u b j e c t s ， & c e l li st h eo n eo f c r i t i c a lf a c t o r sw h i c hd e c i d e sw h e t h e rt h ei i h vi sa d o p t e d i tn o to n l y a f f e c t st h ei n s u l a t e di n t e n s i o nd e s i g n so f p o w e re q u i p m e n t s ，s u e ha st r a n s f o r m e r , s w i t c h a n dt r a n s m i s s i o nl i n e , b u ta l s oi sc o n c e r n e dw i t hw h e t h e rt h ep o w e rs y s t e mc a no p e r a t e s a f e l ya n dr e l i a b l y d u et ot h e1 0 w e ro v e r - v o l t a g et o l e r a n e eo f 唧i n s u l a t o r s m ee c o n o m i ci o s s e si s q u i t ee n o i l f l o i l $ f o rt h eb r e a k d o w na n dr e n e 、) v a lo fi n s u l a t o r s ，a n di t sn o tw o r t hr a i s i n g t h el e v e lo fi n s u l a t i o np u r e l y t h ea 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 n l i n ei sd i r e c t l ya s $ o c i a t e dw i t ht h ef a c t o r ss u c ha sv o l t a g ed u r a t i o na n ds oo n s oi t s f e a s i b l et or e s t r a i nt h eo v e r - v o l t a g eb yt h ea c t i o no f p r o t e c t i o n 、r e c l o s i n gc o n f i g u r a t i o n a n di t sr e l e v a n tc o n t r o l l i n gd e v i c e so f u h vt r a n s m i s s i o nl i n e a tf i r s t ，t h eo v e r - v o l t a g eb a s e dp o w e rf r e q u e n c ya n di t sr e s t r a i n tb yu s i n gt h e s h u n tr e a c t o r 8h a sb e e nd i s c u s s e d t h t h em e c h a n i s mo fo v e r - v o l t a g ep r o d u c t i o nh a s b e e na n a l y z e di n c l u d i n gt h ec o n d i t i o n so fs i n g l eo rd o u b l es o u r o g $ c o n n e c t e dw i t hl o n g l i n ew i t h o u ts h u n tr e a c t o r s t h ed i s t r i b u t i n gv o l t a g ea l o n gt h el i n e 、】l ，i t l ld i f f e r e n tm o d e o f r e a c t o rc o n n e c t i o nh a sb e e na n a l y z e da tt h em e a n t i m e s u b s e q u e n f l y , t h e 台a n s i e n to v e r - v o l t a g ei nd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sh a v e b e e ns t u d i e dt h r o u g hb u i l d i n gt h es i m p l i f i e dt r a n s l l l i s s i o nl i n em o d e lb a s e d0 1 1l u m l ； e d p a r a m e t e rw i t l lt0 1 瓢m o d e l t h ea p p r o x i m a t ee x p r e s s i o no fv a r i o u st r a n s i e n t o v e r - v o l t a g eh a v eb e e no b t a i n e db ya n a l y s i sa n dd e d u c t i o na c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e d t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l f i n a l l y , a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a r r y i n g0 1 1ag r e a td e a lo fe r i d c s i m u l a t i o n s 。t h eg e n e r a lr u l eo fo v e r - v o l t a g ef o ru i - i vt r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e n g e n e r a l i z e d b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fo v e r - v o l t a g e r e s t r a i n ta n dp r o t e c t i o nc o n t r o l l i n gs t r a t e g yh a sb e e nt e s t i f i e d a i s o 。t h ec h i e fm e t h o d a n ds u g g e s t i o nh a sb e e ng l v e nh e r e b a s e do nt h ed i s c u s s i o no f s e c o n d a r ya r ce x t i n c t i o n m e t h o d s 。t h ep r o p e rv a l u eo ft h en e u t r a lr e a c t o ri sa l s op u tf o r w a r dt oe n s u r et h e s u c c e s s f u lr e c l o s u r eo f s i n g l ep o l ea u t o r e c l o s o r k e yw o r d s ：o v e r - v o l t a g e , u h vt r a n s m i s s i o nl i n e , r e l a yp r o t e c t i o n , s h u n t r e a c t o r s , r e e l o s u r e , n e n t r a lr e a c t o r s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：工馋签字日期：洲年月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：。芏i 、能 签字日期：洲年月硝日 一名：当而 签字日期：d 一年乡月1 日 第一章绪论 1 1 课题的提出与意义 第一章绪论 电力工业中选用合理的电压等级具有全局的和长期的战略意义。电力系统应用 的电压等级是随着电力系统发展阶段的进展而提高的“。在我国用于发电的一次 能源中，水电约占2 0 ，火电约占7 0 ，核电和其他可再生新能源在总能源中的 比例不到1 0 ，而且我国能源和负荷的地理分布很不均衡”。要解决2 1 世纪国民 经济发展的能源供应问题，必须在大力开发西南、西北水电和“三西”火电的同 时建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送和北电南送”。因此， 我国现有超高压输电系统明显不能满足重大的电力输送任务。而建设特高压输电 线不但具有巨大的经济效益，也是建设全国统一电网所必需。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，各大区电网间联络线交换 功率愈大，即联系愈紧密，电网运行愈稳定，用特高压输电线做大区电网问联络 线更有利于电网整体运行的稳定性”。 目前，我国第一条7 5 0 k v 输电线路一青海官亭至甘肃兰州东7 5 0 千伏输电线路 工程已顺利竣工投运。而美国在1 9 6 9 年即建成第一条7 6 5 k v 输电线，目前已有 6 0 0 k v 8 0 0 k v 输电线4 0 0 0 余公里。前苏联1 9 7 1 年建成第一条7 5 0 k v 输电线，现有 6 0 0 0 余公里，已成为全国统一电网的骨干网架。此外，前苏联在2 0 世纪8 0 年代即 建设并投入运行世界上第一条横跨欧亚大陆的特高压11 5 0 k v 输电线，一全长2 0 0 0 余 公里，输送容量超过6 g w 。其他国家后来也建立了短距离的1 0 0 0 k v 和1 2 0 0 k v 试验 线路 5 1 。 与我国已有的5 0 0 k v 输电线路相比，特高压输电线路输送容量大，损耗小，对 于长距离、大容量水电输电工程经济技术性能更加优越。综上所述，为充分发挥 西北地区的资源优势，实现西电东送和在更大范围内满足资源优化配置的需要，我 国大规模发展特高压输电已经是势在必行。 在我国将逐渐大范围开展特高压输电的背景下，应该对有关特高压输电线路 所涉及的相关问题进行深入细致的研究。考虑到电网输变电压等级提高以后，对 电网安全稳定运行的要求也提到了一个更高的层面，而电力系统过电压是发展特 高压电网所必须研究的一个重要课题。它不仅影响到变压器、断路器、输电线路 等电力设备绝缘强度的选择和设计，同时直接影响电力系统运行的安全可靠性。 因此有必要对特高压输电系统中内部过电压的产生机制和影响因素进行深入的分 一卜 第一章绪论 析，并根据分析结果对继电保护及重合闸的动作时间进行合理的整定，从而尽可 能地减少过电压造成的损害。本论文正是针对特高压输电线路过电压抑制、保护 与自动装置的动作配合等问题进行的深入研究。 1 2 电力系统内部过电压概述 由于大气环境中雷电放电引起电力系统出现的过电压称为大气过电压( 又称雷 电过电压) 。在电力系统内部，由于断路器的操作或系统故障，使系统参数发生 变化，在由此引起的电力系统内部电磁能量转化或传递过程中，将在系统中出现 过电压，这种过电压称为内部过电压“。大气过电压由外部环境造成，具有明 显的不可预知性。一般由避雷线、避雷针、避雷器等设备构成其保护措施。与大 气过电压产生的单一原因( 雷电放电) 不同，内部过电压因其产生原因、发展过 程、影响因素的多样性，而具有种类繁多、机理各异的特点。 内部过电压分两大类：因开关操作或事故状态引起的暂态电压升高，称操作 过电压；因系统的电感电容参数配合不当，出现各种持续时间较长的谐振现象及 其电压升高，称暂时过电压( 包括谐振过电压及工频电压升高) “。一般操作 过电压的持续时间在0 i s 以内，而暂时过电压的持续时间要长得多，有些甚至能 长期存在。内部过电压是由系统内部状态变化而产生的，所以过电压的数值通常 与系统的额定电压成一定比例关系，因此常用过电压倍数表示其幅值大小。过电 压倍数取决于系统的结构、设备参数、断路器性能、故障性质以及操作过程等因 素。 1 2 1 工频电压升高 电力系统中在正常或故障时可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频 或接近工频的电压升高，称为工频电压升高，或称工频过电压。对于工频过电压， 虽然其幅值不大，且对系统中正常绝缘的电气设备一般不构成危险，但在特高压 远距离输电情况下确定系统绝缘水平时，却起着重要的作用，必须予以充分重视 1 9 】 ： ( 1 ) i 频电压升高的大小将直接影响跳、合闸过电压的幅值，即操作过电压 的高频振荡分量是叠加在工频电压之上的，从而使操作过电压达到很高 的幅值； ( 2 ) 工频电压升高的大小影响被保护设备的工作条件和保护效果； ( 3 ) 工频电压升高持续时间长短，对设备绝缘及其运行性能有重大影响。 在各个电压等级中工频过电压均存在，也都会带来上述三个方面的影响，但 第一章绪论 对于特高压输电系统。工频过电压显得尤为重要。这是因为特高压输电线路担负 远距离输电的任务，线路较长，工频过电压升高相对较大，因而持续时间较长的 工频电压升高是确定特高压系统电气设备绝缘水平的一个重要因素，必须对其予 以有效的限制。 1 2 2 操作过电压 任何操作，不论是计划操作还是事故操作，都会发生操作过电压。操作过电 压是当系统内进行断路器的正常操作时，由于系统内含有许多非线性特性的避雷 器、铁磁电感，以及具有分布参数特性的输电线路等电磁元件，会使系统的运行 状态发生突然变化，导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的互相转换 及重新分布，从而出现一个过渡过程。在这一过程中常常出现强阻尼情况，产生 操作过电压。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，不同于工频过电压和谐振过电压。电力系统中常见的操作过电压如下。： ( 1 ) 中性点绝缘电网中的间歇电弧接地过电压。 ( 2 ) 开断电感性负载( 空载变压器、电抗器、电动机等) 过电压。 ( 3 ) 开断电容性负载( 空载线路、电容器组等) 过电压。 ( 4 ) 空载线路合闸( 包括重合闸) 过电压及系统解列过电压。 操作过电压不仅与系统的运行方式有关，而且与设备的配置、性能、参数密 切相关。如线路长度，电网的结构，设备特性，电压等级等因素发生变化，则操 作过电压的水平就会不同。 超高压和特高压远距离输电线路由于空载长线的电容效应，引起很大的工频 电压升高，而工频电压升高常伴随操作过电压出现，其大小直接影响操作过电压 的幅值。在工频电压升高的基础上常出现幅值很高的合闸( 重合闸) 过电压。随 着断路器性能的改善及并联电抗器的存在，使切空线过电压的幅值和出现的概率 大大减小了。因而特高压电网中合闸( 重合闸) 空载线路过电压成为典型的操作 过电压。 本文根据国际大电网会议的定义，称最大线电压为3 3 0 k v 、5 0 0 l 【v 和7 5 0 l c v 的 输电线为超高压( e h v ) 输电线，称1 0 0 0 k v 及以上的输电线为特高压输电线。 1 3 特高压输电线路过电压研究现状 从六十年代中期开始，随着电力系统的不断发展，为了适应大容量远距离输 电的需要，前苏联( 俄罗斯) 、美国、意大利、日本等国相继进行特高压输电技术 的开发研究。这些国家的研究计划和试验项目中均包括了系统内部过电压与绝缘 - 3 - 第一章绪论 配合，并且取得了很多有价值的研究成果。 对于特高压输电系统，工频过电压显得尤为重要。这是因为特高压输电线路担 负远距离输电任务，随着输送距离的增长，线路的充电功率相当可观，工频电压 升高相对较大，持续时间较长的工频电压升高对于决定特高压系统电气设备的绝 缘水平将起重要的作用。由于并联电抗器的电感能补偿线路的对地电容、减小流 经线路的电容电流，削弱了电容效应，所以采用并联电抗器是限制特高压输电线 工频过电压最主要的手段“。根据系统情况，适当的选择电抗器的容量及不同 的安装位置，不但可以降低线路的充电功率，也可以有效的将工频电压升高限制 在允许的限度之内。此外，一般工频电压升高常常会加剧操作时的过电压，因而 并联电抗器也有利于抑制操作过电压。 由于特高压输电系统存在着许多电容、电感元件以及各种补偿设备，故在系 统内部电容、电感参数配合不当时就会产生危险的谐振过电压。在电力系统设计 中，必须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。 特高压输电线路上常见的操作过电压有切除空载线路过电压、合闸过电压等。 操作过电压的能量来源于系统本身，其过电压的幅值与系统的额定电压大致存在 一定的倍数关系，且随着系统额定电压的提高而增长。对于特高压系统，如果仍 按2 2 0 k v 及以下系统的3 4 倍额定电压的操作过电压考虑，势必导致设备绝缘费用 的迅速增加，进一步影响到设备的造价、工程的投资等经济指标。因此，特高压 系统中采取哪些措施将操作过电压限制在一定水平之下，成为国内外学者研究的 热点课题。 限制操作过电压的措施各不相同。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，因此改善断路器结构，提高触头间介质的恢复 强度和灭弧能力能有效限制跳闸过电压。除此以外，给断路器加装用于限制跳闸 过电压的并联电阻也可有效限制跳闸过电压。对于线路侧接有电磁式电压互感器 的情况，由于线路开断瞬间线路电容上的残余电荷可通过互感器放电，因此跳闸 过电压可得到有效限制。随着断路器制造水平和灭弧能力的提高，跳闸过电压得 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， 尤其是重合过电压则是选择特高压输电线绝缘水平的决定性因素。限制合闸过电 压的措施很多，首先是降低工频电压升高，可通过线路上接入并联电抗器来达到 该目的。另外，对于双端电源供电的输电线路而言，让电源容量较大的一侧先进 行合闸操作，也是降低工频电压升高的有效措施。再者，削弱合闸前线路残余电 压、给断路器加装合闸电阻、采用磁吹避雷器等都是抑制合闸过电压的有效手段。 简而言之，断路器的操作是大部分操作过电压的起因，因此操作过电压与继电保 护的动作特性是密切相关的。通过研究特高压输电线过电压、保护与自动装置的 动作配合关系，进而有效抑制操作过电压已成为重点研究的课题。 第一章绪论 对于过电压的计算，因为电力系统中的电磁暂态过程往往是很复杂的，所以 解析方法只适用于过电压的原理分析和简单情况下的计算。按照电网实际工程条 件计算过电压，则必须借助于模拟方法和数值计算方法弘“。 最早分析系统内部过电压的传统方法是使用模拟装置，即内部过电压模拟装 置，或称瞬态网络分析仪( t n a ) 。模拟装置的优点在于能够形象地深入了解现象 的发展过程，但由于受到设备的限制，很难改变系统的接线和调节元件的特性。 随着计算机的发展和广泛应用，b e w l e y 的网格法( 可用等值线段来代替储能 的集中参数元件电感和电容l 、c ) ，以及贝杰龙( b e r g e r o n ) 特征线方法在工程计 算中被大量采用。电力系统过电压的数值计算方法也由此迅速发展起来。以 b e r g e r o n 特征线方法为基础，经过h w d o m m e l 等人的研究和完善，并经过许多入 的共同努力而完成的电磁暂态计算程序一e m t p ，已经成为国际上普遍采用的大型 计算程序。该程序应用数值计算方法研究电力系统过电压等电磁暂态过程，在通 用性、灵活性、计算精度和功能等方面均可以满足在电网实际条件下计算各种类 型过电压的工程要求。 1 4 本文的主要研究工作 为了提高传输能力，减小电压损耗，特高压线路参数与超高压线路参数相比， 其分布电阻和电感较小，而分布电容较大；此外，特高压输电线一般较长，其电 压、电流在暂态过程中呈现较为明显的波特性。本文首先分析了在有无并联电抗 器补偿情况下的工频电压升高，接着推导了各种操作过电压的表达式并研究分析 其产生机理。最后基于特高压输电线的参数构建仿真模型，对不同故障类型( 单 相接地、两相接地、两相相间短路、三相接地) 、不同故障持续时间( 瞬时性、永 久性) 、不同操作类型( 单跳单合、三跳三合) 等情况进行大量仿真，由仿真所得 的数据和波形，结合影响过电压的因素，对内部过电压尤其是操作过电压进行了 分析研究。依据所得数据及结论，提出了通过继电保护和重合闸等自动装置动作 时间的配合，以抑制或躲过过电压的保护控制策略。 本文的章节具体安排如下： 第一章绪论 第二章特高压线路工频电压升高的研究分析 第三章特高压线路操作过电压的研究分析 第四章特高压线路过电压的仿真分析 第五章特高压线路过电压抑制与保护控制策略 第六章结论 一5 一 第二章特高压线路工频电压升高的研究分析 第二章特高压线路工频电压升高的研究分析 本章详细讨论了特高压线路工频电压升高的产生机制与原理，主要包括：空 载线路电容效应引起的电压升高；不对称短路时非故障相上的工频电压升高。由 于并联电抗器能够削弱线路的电容效应，因此特高压线路上一般都装设有并联电 抗器以改善远距离输电线路沿线的电压分布，抑制工频电压升高。本章首先分析 了无并联电抗器补偿的情况下，单、双端电源分别与长线相连的工频电压升高， 随后根据我国超高压及国外特高压线路的实际情况，分别讨论了一端装设电抗器、 两端均装设电抗器两种方式下，单、双端电源带长线的工频电压升高的情况，从 中分析了并联电抗器及其装设方式对线路工频电压升高的作用。最后按照不对称 短路的类型对故障后非故障相的工频电压升高进行了分析。 2 1 无补偿系统的工频电压升高 2 1 1 无补偿单端电源与长线相连咖 对于一给定的r 、l 、c 串联电路，当有正弦交流电流流过时，若其参数 r “c o c c o l ，且有1 o c c o l ，则电感与电容上的压降奶、c ，c 反相，其有效值 【，c 珥，即电容上的压降大于电源的电势，这就是集中参数电路的电容效应。对 特高压输电线路，由于线路的容抗远大于线路感抗，电容效应尤为显著。尤其当 线路处于一端空投或一端突然断开的暂态过程中，由于行波的多次反射和线路电 容的反复充、放电，过电压可达到很高的倍数。 对于一般电压等级的输电线路，传输距离不太长时，可用集中参数t 型或兀 型等值电路表示。而对于超高压，特高压、长距离输电线路，一般需要考虑线路的 分布参数特性。如图2 - 1 所示，图中所示线路为均匀传输线，岛，厶，g o ，c o 分别表 示线路单位长度的电阻、电感、电导和电容。 第二章特高压线路工频电压升高的研究分析 图2 - 1 均匀传输线模型 设线路首端电压、电流分别为玩，五；线路末端电压、电流分别为呶，厶。由均 匀传输线的基本微分方程 求解得到沿线电压表达式如下： 嘲：i 等c h r x z 幽o 叫r q r l ，即线路传送功率超过自然 功率时，万 i l t ，同理可计算出沿线电压幅值l 【7 l 矾，且中点电压最低；若 巧 陆i 。而当 传输功率为零时，即8 = 0 ，中点的电压升高最为严重： 疗( 矿i 参孑 1 0 ) 当所= 万时( ，= 3 0 0 0 1 0 n ) ，即在半波长线路的场合，在轻载条件下( 艿 l 时，孥小于1 ；对于实际的特高压输电线路，一般旦在1 5 4 的范围 0)o 内，即竺 e ，这实际上反映了 空载线路的电容效应。至于振荡过程中可能出现的最大值，则可由下式进行估算。 i 一i _ j + ( - o ) i - - 2 u c 。 ( 3 1 5 ) 在过电压的分析中，操作过电压的倍数k 是以最大运行相电压幅值0 。为基 值的，为表示工频电压升高及振荡过程两个因素的影响，通常以下式表示： k 嘶玛2 琵5 瓦u c m ( 3 - 1 6 ) 式中j 0 为工频电压升高系数，& 为操作冲击系数。 3 3 2 重合于瞬时性故障的合闸过电压 这种情况是自动重合闸操作的常见现象。以图3 - g 为例说明线路带残压的合 闸过电压。 第三章特高压线路操作过电压的研究分析 图3 - 9 空载线路合闸 设电源电势为d f ) = e c o s ( c o t + 0 ) ，合闸前线路留有残压一，令f = t ，取 玩、m 、z c 为基准。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 表达式为： 姒f ) _ 以c o 啦柑) 一喜k 等芝等e 唧c o s 州) ( 3 - 1 7 ) 式中墨2 可面丽瓦2 丽 ，k ，：生 w ，五：生， l ， 。； 驴声 4 2 智一面而s f s i n 8 ，q = 轰( 1 一雨赫) ，啦哆名= 也q a ， 2 忑丽1 。 由式( 3 1 7 ) 可见，特高压长线分布参数特性使合闸过电压是工频稳态分量与 多个谐波分量的叠加，合闸过电压的变化过程可由该式准确计算。 显然，线路残压的极性和大小，对合闸过电压幅值影响很大，在线路残压与 电源电压极性相反时合闸将产生最严重的合闸过电压。由于自动重合闸时线路残 压还不能完全泄漏，因此三相重合闸过电压要比计划性合闸过电压严重得多。这 是重合闸过电压的重要特点。 3 3 3 重合于永久性故障的合闸过电压 发生永久性故障时，由于故障点始终存在，所以线路残压8 1 i d , 。在线路首端 断路器重合后，线路两端电压只是线路感抗电压，不会产生过电压。但是重合后 线路上流过很大的故障电流，会造成以下几方面的危害： 1 故障点通过很大的短路电流及电弧的重燃会对故障元件造成破坏； 2 由于电能的热效应和电动力的作用，将引起非故障元件的损坏； 3 会破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡甚至解列； 4 使断路器的工作条件更加恶劣。 第三章特高压线路操作过电压的研究分析 尤其是在三相重合闸方式下，若重合于三相永久性故障，则重合后断路器将 第二次跳闸，这时会产生很大的跳闸过电压，将产生更为严重的后果。因此正确 识别故障性质的自适应重合闸技术是避免产生重合过电压的研究关键，目前国内 已经取得了突破性的成果。 自适应重合闸技术的实质是在做出是否重合的决策以前，通过电压判据、提 取故障暂态高频信号特征等方法正确识别瞬时性故障或永久性故障，以确定重合 闸是否动作，避免断路器的盲目重合，同时还可防止电力系统再次受到短路电流 的冲击，提高其稳定性。 3 4 本章小结 本章针对特高压输电线分布参数的特性，详细分析并推导了系统在不同运行 状态下的过电压公式。通过采用t 或n 型电路模型对特高压输电线进行了简化， 根据简化后的集中参数线路模型，并考虑了线路带并联电抗器和状态改变前的初 始储能的作用，对故障、跳闸和合闸的过电压情况进行了较为深入的分析，推导 得到的过电压表达式比较精确的描述了影响操作过电压的各种因素，这些是抑制 操作过电压及研究保护控制策略的理论基础。 一3 卜 第四章特高压线路过电压仿真分析 第四章特高压线路过电压仿真分析 前面两章主要研究了特高压输电线路在不同运行状态下产生过电压的机理和 特性。本章采用p s c a d e m t d c 仿真软件对所得到的理论推导结果进行验证分析，并 在大量仿真的基础上归纳出特高压线路过电压现象出现的一般规律。仿真构建的 输电线路系统图及其参数如图4 - 1 ( 即附录图a p - 2 ) 所示。两端断路器主触点均 并联了7 0 0q 电阻。m 、n 侧均接有并联电抗器，装设的两个电抗器的等值补偿度 为9 0 。 瓦= o 1 z z 专专z i = o 5 z z n = o ，0 0 4 9 ( ，七辨而= o 2 9 2 l ，7 ( j f 勋i 白= n o l 7 6 4 l 旷嘞 r o o 2 7 5 2 n b , , t , 0 9 3 4 8 4 3 0 4 # , 燃钿* o 1 5 9 妒锄 图4 11 1 5 0 k v 输电线路模型 4 1 工频过电压仿真 重写式( 2 - 4 ) 如下 呶= 型! 左= 庙( 4 - 1 ) c h y l + 孕j h f l z - 式中，七为工频电压升高系数，是线路长度，乙是电源内阻抗为简化起见， 以均匀无损线模型进行分析，设乏= 豇，可得空载长线的沿线电压表达式： 晓：竺旦一髑s 帆言：店 ( 4 2 ) c o s ( a l + 妒) 上式中妒= t g t 生。显然工频电压升高在线路末端达到最大值。针对图4 1 所 示系统，可以求出： 口：z 石：1 0 0 1 8 0 歹三五五万石；i 石石予厉孑i 再芦：0 0 7 2 9 ( 砌) 第四章特高压线路过电压仿真分析 当电源容量无穷大时，咯= o ，则当耐= 三时，e p t = 1 2 3 4 5 6 8 枷时，七_ ，即 线路处于谐振状态，线路末端电压升高与线路长度之间的关系曲线如图牝所示： 配e 5 4 3 2 1 0 ? 。 一薯二：夕 图4 - 2 空载无损长线末端电压升高与线路长度的关系 实际电源容量非无穷大，即黾0 ，相当于在a l = 兰一妒时k _ ，对于工频 一 z 线路， 1 2 3 4 5 6 8 砌时回路即有可能处于谐振状态，此时电源内阻抗相当于增加了 线路的长度，如图4 2 中的曲线2 所示，当南0 时回路的谐振点提前了。显然， 电源容量越小，即内阻抗越大，末端电压升高越严重。 根据图4 - 1 所示仿真模型进行工频过电压的仿真，得到5 0 弛n 线路首、末端 a 相电压波形如下图所示，两端电源电压摆开角设为3 0 。 图4 3 双端电源首末端a 相工频电压波形 e 锄为线路首端a 相电压，e 锄为线路末端a 相电压。可见，在两端装设并 联电抗器的情况下，线路上的工频电压升高被限制在较小的范围内。 4 2 故障过电压仿真 线路故障发生时间设定为0 4 s ，瞬时性故障持续时间设为0 5 s ，永久性故障持 第四章特高压线路过电压仿真分析 续时间设定为仿真时长。故障点位置设定为：首端故障距离m 侧1 0 k m ；中部故障 距离m 侧2 5 0 k i n ：末端故障距离m 侧4 9 0 k i n 4 2 1 单相接地故障 首( 中末端) 故障持续期间( 故障后不跳闸) 的过电压均发生在健全相( b 、 c 相) 。健全相在故障发生后1 0 m s 内分别升高至一稳态值。仿真中得到的最大稳 态过电压值为1 3 0 1 4 p u ( c 相) ，与第三章所推导的单相接地故障过电压值变化范 围相符。对于b 或c 相单相接地故障时，其故障后稳态过电压仍然出现在非故障 相，但其最大值变化较小。改变故障发生时刻后进行仿真，发现故障发生时刻对 于故障后健全相电压升高影响较小。单相金属性接地故障后健全相电压升高波形 如下图所示： 图4 - 4 单相接地故障后健全相( b 、c ) 电压升高波形 针对o 4 s 时2 5 0 k i n 处单相接地故障，改变系统参数( 电源内阻抗) ，考察得到 故障持续期间健全相过电压值随着内阻抗的改变而变化，该仿真算例所得到的过 电压最大值为1 2 2 9 0 p u ( 稳态值) ，这里改变电源内阻抗时，保持电源正序与零序 阻抗比例不变，详见下表( 表中数字后的字母表示产生过电压的相别) 。 表4 - l 电源内阻抗与单相接地故障过电压的关系 电源容量m 侧( 正 电源容量n 侧( 正零) m 侧过电压n 侧过电压 零1 o 2 4 5 巧1 4 6 0 6 8 5 1 2 2 5 q 7 3 0 3 4 3 1 0 5 9 7c1 1 3 2 1c 1 3 ，7 6 + j 4 6 7 4 2 26 8 ，8 + j 2 3 3 7 1l 0 4 9 + j 2 9 2 1 3 71 2 2 5 7 3 0 3 4 3 l 1 0 4 4cl 1 3 7 4c 2 7 5 2 斗j 9 3 4 8 4 46 8 8 + j 2 3 3 7 1 1 0 9 8 5 8 4 2 7 4 1 2 2 5 斗j 7 3 0 3 4 3 1 1 6 5 lc1 1 4 8 lc 5 5 0 4 巧1 8 6 9 6 8 86 8 8 + j 2 3 3 7 11 - 3 8 - 第四章特高压线路过电压仿真分析 1 9 6 + j 1 1 6 8 5 4 81 2 2 5 + j 7 3 0 3 4 3 1 2 2 9 0c1 1 6 3 0c 1 1 0 0 8 + j 3 7 3 9 3 7 6 6 8 s + j 2 3 3 7 1 1 1 2 2 5 + j 7 3 0 3 4 31 2 2 5 + j 7 3 0 3 4 3 1 1 8 5 3c1 1 5 2 3c 6 8 s + j 2 3 3 7 1 16 8 8 斗j 2 3 3 7 1 1 4 2 2 两相相问短路( 以b 、c 相相间短路为例) 首( 中末端) 故障持续期间( 即故障后不跳闸) 的过电压均发生在故障相 ( b 、c 相) ，健全相不产生过电压。故障相在故障发生后先升高至一个最大值然 后缓慢衰减。仿真中得到的最大值为1 4 6 6 5 p u ( b 相) 。故障发生时刻对于故障相 电压升高影响很大。故障发生时刻在一工频周期( 2 0 m s ) 内变化，经大量仿真得 到：以0 0 0 1 s 为步长，在0 4 0 4 0 3 s 、0 4 0 8 0 4 1 3 s 及0 4 1 8 s 0 4 1 9 s 时发生故 障，产生较严重的故障过电压，且持续时间较长；而在0 4 0 4 0 4 0 7 s 、0 4 1 4 0 4 1 7 s 发生故障则无过电压。以线路上1 0 k m 处在不同时刻发生两相相间短路的故障过电 压为例，见表4 2 所示。图4 5 所示为线路上1 0 k m 处在0 4 s 发生两相相问短路后 的故障相( b 、c 相) 电压波形。 图4 _ 51 0 k i n 0 4 s 两相相间短路m 侧故障相电压波形 表4 1 21 0 k i n 处两相相间短路的故障过电压 故障发生时刻电压最大值相别备注 m 侧1 5 7 9 4c故障后2 0 m s 内瞬时值 0 4 0 0 s n 侧1 6 1 2 4b故障后4 0 m s 内瞬时值 m 侧 1 a b ，c 无过电压 0 4 0 5 s n 侧 1 a ，b ，c 无过电压 m 侧1 5 8 2 6c故障后2 0 m s 内瞬时值 0 4 1 0 s n 侧1 6 1 7 7b故障后6 0 m s 内瞬时值 m 侧 l a , b ，c 无过电压 0 4 1 5 s n 侧 1 a b ，c 无过电压 第四章特高压线路过电压仿真分析 针对o 4 s 时2 5 0 k i n 处两相相间短路故障，改变系统参数( 电源内阻抗) ，考察 故障持续期间的两侧过电压，如表4 3 所示。得到的过电压最大值为1 5 3 0 4 p u ( 瞬 时值) 。这里改变电源内阻抗时，保持电源正序与零序阻抗比例不变。 表4 - 3 电源内阻抗与两相相同短路故障过电压的关系 电源容量m 侧( 正零)电源容量m 侧( 正零) m 侧过电压n 侧过电压 o 2 4 5 - 0 1 4 6 0 6 8 5 1 2 2 5 斗j 7 3 0 3 4 3 1 3 0 6 7b 1 5 3 0 4b 1 3 7 6 0 4 6 7 4 2 26 8 + j 2 3 3 7 1 1 0 4 9 0 2 9 2 1 3 71 2 2 5 - 0 7 3 0 3 4 3 1 3 9 5 1bl 5 2 5 1b 2 7 5 2 + j 9 3 4 8 4 46 8 8 - 0 2 3 3 7 1 1 0 9 8 - 0 5 8 a 2 7 4 1 ，2 2 5 - 0 7 3 0 3 4 3 1 3 s 4 5b1 5 1 4 4b 5 5 0 4 + b 8 6 9 6 8 86 8 8 + j 2 3 3 7 1 1 1 9 6 0 1 1 6 8 5 4 81 , 2 2 5 - 0 7 3 0 3 4 3 1 3 7 7 0c1 5 0 9 1b 11 0 0 8 - 0 3 7 3 9 3 7 6 6 8 8 + j 2 3 3 7 1 1 1 2 2 5 - 0 7 3 0 3 4 3 1 2 2 5 - 0 7 3 0 3 4 3 1 4 1 l lc1 5 1 2 3b 6 8 8 斗j 2 3 3 7 1 16 8 8 + j 2 3 3 7 11 4 2 3 两相接地故障( 以b 、c 相接地为饲) 首( 中，末端) 故障持续期间的过电压均发生在非故障相( a 相) 。非故障相 在故障发生后1 0 m s 内升高至一稳态值，仿真中得到的最大稳态值为1 2 6 7 3 p u ，与 第三章所推导的两相接地故障过电压值变化范围相符。故障相只在故障发生后o 1 s 内有瞬时的电压升高，且其最大值不超过1 5 p u ，如图4 6 所示。故障发生时刻对 于故障相电压升高没有影响。 针对0 4 s 时2 5 0 k i n 处两相接地故障，改变电源内阻抗，考察故障持续期间的 两侧过电压。得到的过电压最大值为1 1 8 2 1 p u ( 瞬时值) ，见表4 4 。这里改变电 源内阻抗时，保持电源正序与零序阻抗比例不变。 ( 1 ) - 4 0 - - 第四章特高压线路过电压仿真分析 ( 2 ) 图4 - 6 两相接地短路故障过电压 图( 1 ) 为m 侧a 相电压波形图( 2 ) 为m 侧b 、c 相电压波形 表4 4 电源内阻抗与两相接地短路故障过电压的关系 电源容量m 侧( 正零)电源容量m 侧( 正零) m 侧过电压n 侧过电压 0 2 4 5 + j1 4 6 0 6 8 5 1 2 2 5 + j 7 3 0 3 4 3 1 0 4 8 0a1 1 4 1 7a 1 3 7 6 + j 4 6 7 4 2 26 8 s + j 2 3 3 7 11 0 4 9 + j 2 9 2 1 3 7 1 2 2 5 斗j 7 3 0 3 4 3 1 0 7 8 8a 1 1 4 3 8a 2 7 5 2 + j 9 3 4 8 4 4 6 8 8 +