（电力系统及其自动化专业论文）特高压输电线路的过电压研究与仿真.pdf

贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pt h eu h v 仃a n s m i s s i o ns y s t e r n i no u rc o u n t r y a tp r e s e n t t h eu h v t r a n s m i s s i o nh a sb e e nt h ef u t u r eb a c k b o n eo fe l e c t r i cp o w e rg r i di nc h i n a ，a n di t s s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yp l a yac r i t i c a lr o l ei nt h ew h o l ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h e r e l a yp r o t e c t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ms h o u l dh a v ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n d h i g l lr e l i a b i l i t y t i h eo v e r - v o l t a g em a r g i nb o r n eb yu h ve q u i p m e n ti ss m a l l e rt h a nt h e e h v ，a n dt h el o s sc a u s e db yo v e r - v o l t a g ef a u l t so nu h ve q u i p m e n ti sg r e a t e rt h a n t h ee h v s ，t o o t h eo v e r - v o l t a g eo fu h vt r a n s m i s s i o nl i n e sa n di t sr e s t f i c t i o n sh a v e b e e nt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yf o r t h ed e v e l o p m e n to fu h vt r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , t h eo v e r - v o l t a g ef a c t o ri sr e s e a r c h e da n ds i m u l a t e df o ru h vt r a n s m i s s i o nl i n e sa s w e l l 弱t h ed i f f e r e n tr e s t r i c t i o n st ol i m i tt h eo v e r - v o l t a g e m o r e o v e r t h ei m p a c to f v a r i o u sm e t h o d so ft h eo v e r - v o l t a g er e s t r i c t i o n si sr e s e a r c h e d ，t o o a t f i r s t ，at h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h em e c h a n i s mo fp o w e r 台e q u e n c y o v e r - v o l t a g ea n ds w i t c h i n go v e r v o l t a g ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r as e r i e so f s i m u l a t i o na n dr e s e a r c hf o rau h vt r a n s m i s s i o ni np r a c t i c ei sc o n d u c t e dw i t ht h e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ta n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g ep s c i m e m t d c a st h ep o w e r 丘e q u e n c yo v e r - v o l t a g e ，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 ew i t hd i f f e r e n tm o d eo f s h u n tr e a c t o rc o n n e c t i o nh a sb e e n a n a l y z e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e s ， i n c l u d i n gt h ec o n d i t i o n ss i n g l eo rd o u b l es o u r c e sc o n n e c t e dw i t hl o n gl i n ea n df a u l tt o g r o u n d t h ei n f l u e n c eo nt h eu h vt r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hs v ci sd e m o n s t r a t e da s w e l la si t sa b i l i t yt oi m p r o v et h ev o l t a g eq u a l i t y o nt h eo t h e rh a n d , s i m u l a t i o no ft h e o p e n i n go rc l o s u r ep r o c e s s e sw h i c hc a u s e dt h es w i t c h i n go v e r - v o l t a g ei sa l s os t u d i e d i nt h i sp a p e r ，a n ds o m ee x a c td a t aa n do p e r a t i o nr u l e sf o rs u c ho v e r - v o l t a g ea r e o b t a i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fb r e a k e r sw i t hap a r a l l e lr e s i s t o ri ss i m u l a t e d 弱w e l l 鹤 t h er e s t r i c t i o n sr o l et ot h es w i t c h i n go v e r v o l t a g eo fm 0 八 a f t e rt h et h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h ec o m m o nr u l e so fo v e r v o l t a g ea t u h vt r a n s m i s s i o nl i n ei so b t a i n e d t h em e t h o d so fr e s t r i c t i o n so nt h eo v e r - v o l t a g ei s p r o p o s e da sw e l la st h ep r o t e c t i o nm e a s u r e s ，t h ee f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d ， a n ds o m er e l e v a n tc o n c l u s i o n si sg i v e ni nt h ee n do ft h ep a p e r k e yw o r d s ： u h vt r a n s m i s s i o nl i n e 0 v e r - v o l t a g e o p e n i n g c l o s u r e i v 贵州大学硕士学位论文 特高压输电线路的过电压研究与仿真 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己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在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： 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) 糍：蜱蕲繇愀 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 1 1 引言【1 j ，l 姐9 , 4 1 , 4 3 1 第一章绪论 我国电力将在未来几十年内保持快速增长，根据我国电力发展规划，预测 到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年我国发电装机容量将分别达到7 1 0 g w 和1 1 0 0 g w 。根据世 界各电网的发展规律，容量每番两翻就必须引进一个新的电压等级。另外，我 国能源与地理分布极不平衡，能源集中在西部和北部地区而负荷又集中在东部 和南部地区，从而需要利用特高压进行远距离、大容量输送电力。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。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，促进国内输变电制造业，带动西部经济的发展等。促使电网的长远 发展和安全、稳定、经济运行。 由于特高压输电系统具有线路距离长，输送容量大：各地电网差异性大： 部分特高压线路可能经过高海拔或重污秽地区等特点，这些都使得过电压问题 成为特高压系统设计中的重要问题之一，因此很有必要研究和解决特高压输电 中存在的过电压问题。 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 k v 级直流系统构成。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。 1 2 特高压交流输电系统的特点【4 8 ，1 9 】 特高压输电系统电压高、容量大、输送距离长。特高压输电线路输送容量为 超高压线路功率的4 - 5 倍，如果突然中断大功率的输送，将给受端系统如下一 级5 0 0 k v 电网带来严重的安全运行问题。百万级特高压工程建设和运行在我国 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 尚属首次，晋东南南阳荆门1 0 0 0 k v 特高压输变电工程被确定为试验 示范工程。1 0 0 0 k v 输电系统的电压等级高，输电距离远，其电网参数比5 0 0 k v 的复杂，所以不能简单的由5 0 0 k v 输电系统的运行经验外推至1 0 0 0 k v 输电系 统的设计。必须对1 0 0 0 k v 输电系统特性、参数选择、绝缘配合水平及输配电 设备进行广泛研究；对系统过电压情况、绝缘配合原则有全面的认识；环境对 线路的影响和采取的措施有明确的概念。目前该工程可行性研究报告及各种专 题报告已完成，线路走径、站址和主设备技术规范基本确定。该项目工程现在 正在建设当中。 由于特高压输电线路电压等级高，所以线路电容产生的无功功率很大，对 于1 0 0 公里的特高压线路，在额定电压为1 0 0 0 千伏以及最高运行电压为1 1 0 0 千伏的条件下，发出的无功功率可以达到4 0 万千乏5 0 万千乏，约为5 0 0 千 伏线路的5 倍。所以对于特高压输电系统来说会产生大量的充电功率，从而导 致过电压问题非常突出。同时，在特高压电网不同的发展时期，特高压输电线 路传输功率有较大分别，因此无功功率的变化也很不一样，过电压水平也不一 样。当过电压过高时，就会对人身及设备带来严重的危害。 我国特高压输电线路采用8 分裂5 0 0 平方毫米导线，良导体接地及光纤复 合架空地线( o p g w ) ，居民区导线对地最小距离约2 4 - 2 7 米，非居民区约2 0 2 2 米，线路走廊宽度9 0 米。与超高压输电线路相比，特高压输电线路具有如 下运行特点：线路距离长，受地理环境和恶劣天气的影响大；电压等级高、容 量大，系统稳定性和可靠性的要求更高，允许停电检修机会少；子导线分裂数 多，截面大、档距长、悬挂高度较高，风荷载和覆冰的影响大；导线上工作幅 值很大，电场强度高，带电检修作业相对困难。 1 3 特高压交流输电系统的研究现状 8 , 9 , 1 3 , j 9 , 4 1 , 5 6 1 电力系统和输电规模的扩大，世界新科技和新材料的出现，推动了高压技 术的研究。特高压输电技术的研究始于上世纪6 0 年代后半期。前苏联为世界上 实现交流特高压输电作了不懈的努力，他们从上世纪6 0 年代开始，集中了政府、 科研、设计和大专院校等庞大的技术力量，按照理论研究、实用技术研究和试 验、电气设备研制和工业性试验运行考核三大步骤进行了大量的工作，研究取 得了突破性的进展，获取的数据和资料可以满足工程建设的需要。前苏联是世 界上第一个进行特高压商用设备生产的国家，也是第一个进行特高压输电工程 商业运行的国家。前苏联从1 9 8 5 年开始建设1 1 5 0 k v 特高压线路2 6 3 4 公里， 仅8 9 0 公里投入运行，1 9 9 2 年因苏联解体、经济衰退降压至5 0 0 k v 运行。日 本从1 9 8 8 年9 月开始，陆续建设1 0 0 0 k v 线路4 2 6 公里，准备2 0 1 0 年到2 0 1 5 2 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 年由5 0 0 k v 升压到1 0 0 0 k v 。意大利和美国均建设了特高压试验性线路。随着 上世纪8 0 年代中期世界经济发展减缓，美国和其他国家都推迟或暂时放弃特高 压交流输电技术。 日本从1 9 7 2 年启动了特高压输电技术的研究开发计划，确定对特高压输电 技术进行研究的工作分为基础研究、开发研究和工业考核三个阶段。1 9 7 8 年1 1 月，特高压输电特别委员会正式成立，形成了包含中央电力研究所、东京电力 公司以及制造、院校和官方人员参加的全国性组织。在完成大量试验研究工作 的基础上，东京电力公司于1 9 8 8 年开始建设柏崎一西群马一东山梨南北向特高 压输电线路，长度约1 9 0 千米，该1 0 0 0 千伏输电线路于1 9 9 3 年以5 0 0 千伏电 压投入运行；紧接着于1 9 9 2 年又开始建设南磐城一东群马一西群马东西向特高 压输电线路，长度约2 4 0 千米，该线路于1 9 9 9 年建成，并同样以5 0 0 千伏电压 投入使用。按原计划两条特高压输电线路准备在2 1 世纪初升压到1 0 0 0 千伏运 行，但由于从2 0 世纪8 0 年代中期开始，日本电力负荷的增长趋缓，核电站的 建设步伐减慢，无负荷需求，因此，建成的两条特高压线路投入运行至今，一 直以5 0 0 千伏降压运行。 我国1 9 8 6 年开始立项研究交流特高压输电技术，1 9 9 4 年在武汉高压研究所 建成了第一条百万伏级特高压输电研究线段。2 0 0 4 年底，国家电网公司认真分 析了我国电力工业和电网发展的现状及未来的发展趋势，提出了加快建设以特 高压电网为核心的坚强国家电网的战略目标。 由此可以看出，世界上很多国家已经对特高压输电进行了大量的理论与实际 研究，要保证特高压输电线路能安全可靠的运行，就必须将他产生的过电压限 制到一个合理的水平。在绝缘的选择上，操作过电压是主要的决定因素，工频 过电压有一定的影响，谐振过电压基本不予考虑。通过研究，各国已经得出了 特高压系统的过电压水平。 表1 1 各国特高压系统过电压水平 国别前苏联日本意大利中国建议值 最高工作电压( k v ) 1 2 0 01 1 0 01 0 5 01 1 0 0 工频过电压( p u ) 1 41 41 3 51 3 操作过电压( p u ) 1 6 1 81 6 1 7 1 7 1 6 1 7 1 4 特高压交流输电系统过电压研究的目的与意义 4 9 , 6 1 , 6 3 1 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等问题进行的深入研究。从技术角 3 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 度看，采用特高压输电技术是实现提高电网输电能力的主要手段之一，还能取 得减少占用输电走廊，改善电网结构等方面的优势。从经济方面的角度看，根 据目前的研究成果，输送i o g w 水电条件下，与其它输电方式比较，特高压交 流输电有竞争力的输电范围能够达到1 0 0 0 一1 5 0 0 公里，如果输送距离远、输送 容量大，特高压的竞争优势更加明显。在特高压输电系统中，过电压水平是关 系到设备绝缘设计的关键因素，直接影响设备制造成本和系统的运行性能，所 以尽可能降低过电压水平对特高压输电技术的应用具有非常重要的意义。 1 5 本文完成的主要工作和章节安排 本文对特高压输电线路的过电压及其限制措施进行了研究。作者以晋东南 到湖北荆门特高压线路作为实例，详细研究了各种情况下的工频过电压和操作 过电压的大小及其限制措施。对于工频过电压本文研究了采用并联电抗器补偿， 不同补偿方式及补偿度对单端电源带长输电线路、双端电源带长输电线路工频 过电压的影响，故障过电压的大小及其抑制措施，还研究分析了静止无功补偿 器对特高压输电线路工频过电压的影响。对于操作过电压本文研究了特高压输 电线路的跳闸操作和合闸( 重合闸) 操作产生的过电压大小及其限制措施，分 别分析了跳合闸正常线路和跳合闸故障线路产生的过电压，并且根据实际仿真 提出过电压的抑制与保护控制策略。 本文的章节具体安排如下： 第一章绪论 第二章输电线路的过电压理论分析 第三章特高压输电线路工频过电压的研究与仿真分析 第四章特高压输电线路操作过电压的研究与仿真分析 第五章结论 4 贵州大学硕士学位论文 特高压输电线路的过电压研究与仿真 第二章输电线路的过电压理论分析 电力系统过电压分为内部过电压和外部过电压，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。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。在故障和或操作时，瞬时发生的过渡过程产生的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。外部过电压是指雷电过电压，雷电过电压与 内部过电压在产生机理上与限制方法上都有很大的不同，本文当中主要研究的 是内部过电压的相关问题。 2 1 输电线路工频过电压的产生机理 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，统称工频过电压。工频过电压产生的原因主要考虑 空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的正常相电压升高、突然甩负荷 等，过电压的大小和系统结构、容量及运行方式等因素有关。 2 1 1 均匀长输电线及其稳态解【2 川 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、l o 、g 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： u 2 ，1 2 卜一出叶一一石一 图2 - 1 均匀分布参数线路模型 描述输电线路波过程的微分方程式如下： 5 贵州大学硕士学位论文 特高压输电线路的过电压研究与仿真 一歹v e t , 乩。熏 ( 2 - 1 ) l 一尝一c o 詈“ 屺u 设线路首端电压，电流分别为痧。，j 。；线路末端电压，电流分别为痧：，j ：； 沿线任一点电压，电流分别为矽，t ( x 表示距线路末端的距离) 。南根据边 界条件可以求解得沿线电压表达式如下： 1 1 1 攀z 咿c s h r x 卅1t)：_】 协2 ) 其中为输电线路的波阻抗5 ) ，= 抓i f 面瓦瓦i i 石万= 口+ 伊为输电线路的传播系数( 其中实部口称为衰 减系数，虚部称为相位系数) 。 2 1 2 空载线路电容效应【2 5 。1 ，3 3 1 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，特别是在线路末端上，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。单端电源带长线其等效电路及复合二端口网络如下图所示： a ) 伯) 图2 - 2 单端电源带长输电线等效电路 求解该复合二端口网络得： 阡 c h y l + s h y lz c s h f l + z s c h 订 s h r l z c c h r l 6 ( 2 3 ) 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 由空载线路边界条件如：0 ，联合( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式，可得沿线电压的表达式： 痧工2 再c h y x 童= 砗童 z r ( 2 4 ) 式中z s 为电源等效阻抗，砟为工频电压升高系数，x 为距线路末端的距 离。若忽略线路的损耗，且设z s 一。阪，则可得空载长线沿线电压的表达式为： 咄焉c o s 厨房= k e 壹仉= 面丽啷艇耻e ( 2 5 ) 9 一t g - 1 芋。显然，当石- 0 ，即线路末端时的工频过电压最高。又因为电源等 五c 效阻抗z 。与电源容量有关，当电源容量为无穷大时，z s - - 0 即石。- 0 ，则当芦，一等 二 时，即l = 1 5 0 0 k m 时，砟一，u ：一，即线路处于谐振状态；当电源容量为 非无穷大时，z s o ，则当z = 等一妒时，砗一，u 2 一，即线路长度小于 二 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。因而电源电抗进一步增加了工频过电压的大小。以上情况下空载线路 工频过电压与线路长度的关系如图2 3 所示。曲线1 对应为无穷大电源，电源 阻抗为零时的情况，曲线2 对应为非无穷大电源，电源阻抗不为零时的情况。 e 5 4 3 2 2 1 3 不对称接地故障引起的工频过电压f 1 1 ，1 7 ，1 8 , 3 1 驯 不对称短路是电力系统中最常见的故障形式，当发生单相或两相对地短路 时，短路电流的零序分量会使健全相出现工频过电压，其中单相接地故障最为 常见，并且它产生的工频过电压升高会更大一些。下面以单相接地故障为例， 7 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 分析不对称短路故障引起的工频电压升高。 单相接地故障时，故障点三相电流和电压是不对称的，为计算非故障相电 压升高，可采用对称分量法，通过复合序网络进行分析。 设系统中m 处a 相发生单相接地故障，如图2 - 4 所示。 c b a m k 一n 图2 4 线路上m 点a 相接地 其边界条件为：观= 0 ，b - c = o ，所以有： u 1 + u2 + u 0 = 0 口21 1 + 口1 2 + ，o = t 21 1 + 口21 2 + ，o 由式( 2 7 ) 可得：1 1 - 1 2 = i o ： 又有 巳一u 1 - 1 1z 1 ，0 一u2 - , 2z 2 ，o uo = i oz o 由上面几式联立求解便可得出健全相电压： 鱼：二坠圣鱼：二! 姿邑 z l + z 2 + z o z 1 + z 2 + z q ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中已是正常运行时故障相对地的电压，z 。，z ：，z 。是从故障点看进去的 网络的正序、负序、零序阻抗，口是复数因子，口= p 力搿_ 三+ j 譬。以k ( 1 表示 单相接地故障后健全相电压升高系数，则式( 2 1 0 ) 可简化为砂= k ( 1 ) 邑，其中： k ( 1 ) = 一! 垫一j 塑堕生堕 ( 2 1 1 ) z 1 + z2 + z 0 。2 ( z l + z2 + zo ) 对于较大电源容量的系统，z 。z ：， 8 i 皇 u u + + u u 口 膏 u - 硒 玑 口 口 i i u u 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 一恫简蓑，孚。 显然，这类工频过电压与单相接地点向电源侧的x 。x 。有很大关系，若x 。x 。 增加将使不对称短路故障时健全相的电压有增大的趋势。x 。与x 。受下列因素的 影响：一是线路的正序零序参数；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，x o x 。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 。x ，也会有所增加。下图表示单相接地故障时的工频电压升高与 x o x 。的关系曲线。 图2 5 单相接地故障引起的工频过电压 由图可见不对称故障引起的正常相工频电压升高系数是大于1 的，则若要 计算远离故障点的电压时，则由于空载线路电容效应，将引起正常相上的电压 进一步提高，这种由空载线路的电容效应与不对称故障引起的电压升高相叠加 引起的过电压必须加以考虑。 2 1 4 突然甩负荷引起的工频电压升高【1 9 1 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，通常称为甩负荷效应。 设系统正常运行时，母线相电压为以，线路首端电流为，功率因素为 c o s o ，传输得有功功率尸= 孤c o s 妒、无功功率q a 3 q s i n q ， 若电源电抗 为瓦，则发电机电动势e 为 9 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 e 一弘s + ( 2 1 2 ) e 一( u + 石ss i n , v ) 2 + ( i l x sc o s 伊) 2 ( 2 1 3 ) 甩负荷前，若线路上输送相当大的有功及感性无功，电源电动势必然高于 母线电压，e 玑。甩负荷后，根据磁链不变原理，可简单认为电源暂态电动 势髟维持原来数值，即髟一e 。甩负荷后，由于线路末端断路器分闸，形成电 源带空载长线的运行方式。末端甩负荷后，计及长线的电容效应对工频电压的 影响，通过式( 2 5 ) 可看出，则线路首端电压将高于电源电动势，而长线末端 过电压更为严重。 影响由于甩负荷引起工频电压升高的主要因素有三：一是甩负荷前线路输 送潮流，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，向线路输送无功越大，电源的电动势e 也越高，工频过电压也相对 较高。二是馈电电源的容量，它决定了电源的等值阻抗，电源容量越小，阻抗 越大，可能出现的工频过电压越高。三是线路长度，线路越长，线路充电的容 性无功越大，工频过电压越高。 2 2 限制工频过电压的可能措施【2 1 9 , 3 0 , 3 1 l 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 装有并联电抗器的线路 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 1 0 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 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。 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瓦五，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 能量提出很高要求，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 情况下考虑采用。 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 3 输电线路操作过电压的产生机理1 2 ，1 0 ，1 1 ，1 2 j 9 ，2 1 2 5 ，3 0 ，1 电力系统是由电源、电阻、电感、电容等元件组成的复杂系统。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。在特高压输电 系统中主要考虑三种类型的操作过电压：分别是合闸( 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。 贵州大学硕士学位论文 特高压输电线路的过电压研究与仿真 2 3 1 空载长线的集中参数模型 为了分析方便，忽略空载长线的电阻和电导，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，：o ，x f ，由式( 2 2 ) 可得从空载线 路首端看进去的线路的等效输入阻抗为： z 粤啬雕删 ( 2 1 4 ) l，l z 。 将余切函数用级数展开，取其前两项可得： z 叫南+ 专w ( 2 - 1 5 ) 所以可将空载线路等效成一个电感去“和一个电容c o l 串联，如下图所示： c 0 1 图2 7 空载线路集中参数等效电路 2 3 2 切除空载线路过电压 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， 触头间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。 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 p o ) c 0 1 图2 8 切除空载线路时的集中参数等效电路 设电源电势e o ) = e 。s i n ( o x + 9 。) ，由于x c 口置，所以可以近似认为电路中 的电流为容性电流，即有： f o ) = 士s i n ( t + 吼+ 9 0 。) ( 2 1 6 ) l - 一缸 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“。o ) 就等于电源的电势p ( 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( f = ) 时，电弧熄灭，此时电容上的电压为电源电压 的最大值即u c ( f ) = e 。，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h o ) 为： u ( t ) - e ( t ) 一毛- e s i n ( a g + 9 0 。) - 1 1 ( 式中f - t - t 1 ) ( 2 - 1 7 ) 如果断路器触头间去游离能力很强，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f 2 ：f 。+ 三时刻，电弧发生重燃，这时相当于电源电压突然加在电感s + 三厶z 和具有初始值l 的电容c 1 z 组成的振荡回路上，由于回路固有振荡角频率 = _ 了兰彳一比工频大的多，故此过渡过程为高频振荡形式，可以认为 、c l f 池+ 尹) 在高频振荡的过渡过程中电源电势保持一e 。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班 和初始值【，i 来进行估算： 1 3 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 i 口一i - i + ( 一u f ) i ( 2 1 8 ) 由上式可知，电弧重燃产生的过电压幅值i “i - i e 。+ ( 一e ，- e 。) i = 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。此后在f ，= f 2 + 至时刻，断口间的电压达到4 e 艉，若电弧再 u j 次重燃，则线路过电压可达溉。依次类推，每隔半个工频周期电弧就重燃和 熄灭一次，线路过电压将按7 e 。，9 e ，等逐次增加，直到触头间已有足够的绝 缘强度，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图2 - 9 表示： - 5 & 厂 一 - 、 一 ，7 j i 、 j j- l 茸 一3 e 融 ，i i d l 一 图2 9 切除空载线路过电压的发展工程 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 线上有多回出线时，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( 重 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 3 3 空载线路合闸( 重合闸) 过电压 合闸于空载线路也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 1 4 贵州大学硕士学位论文特高压输电线路的过电压研究与仿真 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。 9 眦二弓水矾 i 图2 1 0 单相接地故障示意图 如图2 1 0 所示，线路单相接地，断路器乐，先跳闸，线路成为带接地故障的 空载线路，当断路器毛动作时，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，假定为一砜。在大约0 。5 s 后，毛自动重合，若线路上 一砜没有泄露和衰减，则非故障相线路上各点电压就会从一u 。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。 一、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，即可用单相回路进行分析，参 见图2 1 1 。 学( 0 图2 1 1 合闸后线路沿线电压分布 设电源等值电势为e o ) = e 。c o s ( 埘+ 口) ，合闸前线路的残压为一u 。令 r ，耐，取巳，三，z c 为基准值。则利用叠加原理、拉普拉斯变换可求得线 1 5 贵州大学硕士学位论文 特高压输电线路的过电压研究与仿真 路末端的合闸过电压表达式为： 雎：( r ) = u ：c o s + 口) 一砉石，i 紫e q 7 。s ( 雌f + 6 ；) ( 2 1 9 ) 式中： uz=上cosi-kl；tsin；t(线路末端稳态电压幅值)，k l = 苦( 岛为线路 每公里电感) ， 最- 岳( 皑为系统各次自振角磊率) ， 哦一留以瓦丽s i s i n 8 k 。面五面面i li 丽两 劬a s i n q a ( 1 + + 蠡鼍砰a 2 ) q - 乏与( 1 一i 忑知 ( 马为线路电阻) ，- 可由c t g a a , = 吒皑a ， a 竺求得。 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： “： ) = u ：c 0 s p + 口) 一妻k 墨! 警已- 口，rc o s ( q r + 4 ) ( 2 2 0 ) 舒c o s o 由式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 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。 二、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e ( r ) = 。c o s ( 耐+ 0 ) ，合闸瞬间的电动势p ( 0 ) - - e m c o s o 取决 于合闸初相角0 ，正常合闸时，若0 ；0 即p ( 0 ) = 用是其中过电压最严重的情况。 0 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，而且多发生在触头间电压接近最大的情况，即相当于电源电动 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 1 6 贵州大学硕士学位论文 特高压输电线路的过电压研究与仿真 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 实际输电线路的能量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；另一方面是当过电压较高 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。 4 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 感应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