特高压电网内部过电压及其限制措施课件

特高压电网内部过电压及其限制措施陈维江武汉高压研究所2005/11/202004-12-141特高压电网内部过电压及其限制措施2004-12-141内部过电压的分类暂时过电压工频过电压谐振过电压操作过电压

接地短路过电压合闸过电压单相重合闸过电压分闸过电压故障清除过电压潜供电弧与恢复电压

2004-12-142内部过电压的分类暂时过电压2004-12-142

工频过电压产生的原因包括空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的健全相电压升髙、甩负荷等，和系统结构、容量、参数及运行方式有关。一般工频过电压的幅值不高，但持续时间较长。工频过电压在超、特高压电网中有重要影响：直接影响操作过电压的幅值；是避雷器额定电压选择的重要依据；影响电气设备的耐压水平。工频过电压2004-12-143工频过电压产生的原因包括空载长线路的电容效

电力系统中由于出现串、并联谐振而产生的过电压称为谐振过电压。工频谐振

参数谐振谐振过电压对电网安全危害较大，应在电网建设和运行中设法避免。谐振过电压2004-12-144电力系统中由于出现串、并联谐振而产生的过电压称为谐操作过电压

电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且储存在电感中的磁能会在某一瞬间转化为以静电场能量的形式储存于系统的电容之中，所以可产生数倍与电源电压的操作过电压。操作过电压幅值高、持续时间短，决定着输变电设备的绝缘水平。

2004-12-145操作过电压电力系统中的电容、电感均为储能元件，当潜供电弧与恢复电压

潜供电弧是在单相接地故障发生后，故障相两端断路器跳开，由健全相通过相间电容和互感向故障点提供电流（称之为潜供电流）引起的电弧。潜供电流由静电耦合产生的电容分量（横分量）和电磁耦合产生的电感分量（纵分量）两部分构成。恢复电压是在潜供电弧熄灭后瞬间出现在弧道上的电压。2004-12-146潜供电弧与恢复电压潜供电弧是在单相接地故工频过电压及其限制措施电压等级10~66kV110/220kV330kV500kV750kV1000kV电压倍数（p.u.）1.3~1.41.3~1.41.3~1.41.3~1.41.3~1.4持续时间2h0.2~0.5s0.1s0.1s0.1s0.1s中国各电压等级电网工频过电压倍数与持续时间国别前苏联日本意大利最高工作电压（kV）120011001050工频过电压（p.u.）1.41.41.35各国特高压系统工频过电压水平2004-12-147工频过电压及其限制措施电压等级10~66kV110/220k2004-12-1482004-12-148避雷器额定电压的选择

避雷器额定电压Ur：在动作负载试验中，能够耐受10s的最大工频电压。避雷器持续运行电压Uc：能够长期耐受的最大工频电压。对110kV及以上中性点有效接地系统，工频过电压为1.3~1.4p.u.，持续时间T＜0.5s，选择避雷器额定电压Ur。对特高压电网，为了深度限制操作过电压水平，可按照避雷器工频耐受时间特性曲线，选择避雷器额定电压Ur=。2004-12-149避雷器额定电压的选择 避雷器额定电压Ur：在动作对66及以下中性点非有效接地系统，工频过电压为p.u.，持续时间10s＜T＜2h，选择避雷器持续运行电压Uc各电压等级电网中避雷器的额定电压Ur电压等级110/220kV330kV500kV750kV1000kV电压倍数（p.u.）1.3~1.41.3~1.41.3~1.41.3~1.41.3~1.4额定电压（kV）100/200300420/444600/648828（889）避雷器额定电压的选择

2004-12-1410对66及以下中性点非有效接地系统，工频使用高压并联电抗器补偿特高压线路充电电容考虑使用可调节或可控高抗

特高压输电线路的自然功率和充电功率均与线路的运行电压的平方成正比。1000kV输电线路的输送功率是500kV输电线路的4倍以上；同时，其充电功率也为500kV线路的4倍以上。当特高压线路输送功率较大（重载运行）时，为保持系统的感性无功功率和容性无功功率接近平衡，高压电抗器须运行在较低的补偿度。在特高压线路轻载运行或空载时，为限制工频电压升高，高压电抗器须运行在较高的补偿度。工频过电压限制措施2004-12-1411使用高压并联电抗器补偿特高压线路充电电容工频过电压限制措施2使用良导体地线(或光纤复合架空地线OPGW)

使用良导体地线可降低K值（X0/X1）

，有利于减少单相接地甩负荷过电压。接地系数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持续时间。选择合理的系统结构和运行方式，以降低工频过电压。

2004-12-1412使用良导体地线(或光纤复合架空地线OPGW)2004-12谐振过电压及其限制措施

特高压变压器中性点都是直接接地的，电网中性点电位已经固定，若无补偿设备，特高压电网中的谐振过电压是很少的，主要是电容效应的线性谐振和空载变压器带线路合闸引起的高频谐振。但是在特高压电网中往往有串联、并联补偿装置，这些集中的电容、电感元件使网络增加了谐振的可能性，主要有非全相切合并联电抗器时的工频传递过电压和参数谐振过电压。2004-12-1413谐振过电压及其限制措施特高压变压器中性点都是直接工频传递谐振线路末端接有电抗器L，线路首端两相（B、C）合上，一相（A）断开，相电压将通过相间电容传递至A相孤立导线，使断开相仍有工频电压，并因有电抗器存在，当参数配合合适时，传递回路将形成谐振回路，在断开相上出现较高的工频谐振过电压。这就要求设计人员事先考虑这一因素，适当选取电抗器容量，避开谐振区域。2004-12-1414工频传递谐振压将通过相间电容传递至A相孤立导线，使断开相仍有参数谐振在含有周期性变化的电感回路中，当感抗周期性变化的频率为电源频率的偶数倍，并有一定的容抗配合时，可能出现谐振过电压，此即为参数谐振过电压。最常见的参数谐振过电压是“自励磁过电压”，它属于工频参数谐振，供给自励磁的能源是水轮机或气轮机。2004-12-1415参数谐振2004-12-1415

实际电力系统中可以考虑如下的消除自励磁的措施：采用快速自动调节励磁装置增大阻尼回路阻尼电阻空载线路的充电合闸在大容量的系统侧进行，不在孤立电机侧进行增加投入发电机的数量，破坏产生自励磁条件在特高压网中，可在线路侧装设并联电抗器，破坏产生自励磁条件2004-12-1416实际电力系统中可以考虑如下的消除自励磁的措操作过电压及其限制措施电压等级10~66kV110/220kV330kV500kV750kV1000kV操作过电压（p.u.）4.03.02.22.01.81.6(1.7)中国各电压等级电网操作过电压倍数各国特高压系统操作过电压水平国别前苏联日本意大利最高工作电压（kV）120011001050操作过电压（p.u.）1.6～1.81.6～1.71.72004-12-1417操作过电压及其限制措施电压等级10~66kV110/220k接地短路过电压

接地短路在正常相产生的过电压,除了靠线路两端MOA限制外，一般没有什么特别办法。因此在特高压的操作过电压研究中，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。

2004-12-1418接地短路过电压2004-12-1418

合闸操作过电压

仅使用MOA限制合闸过电压线路长度相对地过电压200km1.8p.u.400-600km1.95

2.10p.u.因此对大部分特高压线路仅靠MOA限制合闸过电压是不够的。

2004-12-1419合闸操作过电压线路长度相对地过电压200km1.8

使用MOA及同步合闸控制器限制过电压

线路长度相对地过电压相间过电压400-600km1.61p.u.~1.92p.u

2.58p.u.~3.51p.u.

较仅用MOA有明显降低，可考虑用在一些特定的系统中。

2004-12-1420使用MOA及同步合闸控制器限制过电压线路长度相对地过电

使用断路器合闸电阻及MOA限制合闸过电压

断路器合闸电阻阻值400欧姆，投入时间10ms单段线路长度不超过500km，线路中部加设开关站时，线路长度不超过2×350km条件下，操作过电压倍数在允许范围之内。

2004-12-1421使用断路器合闸电阻及MOA限制合闸过电压2004-12-单相重合闸过电压

其值均低于相应合闸操作过电压。

分闸操作过电压

仅使用MOA限制分闸过电压线路长度不超过500km或2×350km条件下，分闸操作过电压倍数在允许范围之内使用断路器分闸电阻及MOA限制分闸操作过电压能够进一步降低分闸过电压水平，但分闸电阻所需能量较高（日本分合闸电阻能耗为133MJ），且机械结构复杂，易损坏2004-12-1422单相重合闸过电压线路长度不超过500km或可控高压并联电抗器对分闸操作过电压影响

可控高抗(基础容量60％，可调节部分30％)线路首端过电压(p.u.)线路中部过电压(p.u.)线路末端过电压(p.u.)避雷器最大能耗(MJ)固定高抗(90%补偿度)1.431.681.512.550ms完成调节1.441.731.546.1100ms完成调节1.441.731.547.62004-12-1423可控高压并联电抗器对分闸操作过电压影响可控高抗线路首端过电

使用可控高抗，由于在分闸后高抗从低补偿度到高补偿度有一段响应时延，这使得线路中部的分闸过电压比固定高抗高,从1.68升到1.73p.u.。而线路两端原来就有MOA,过电压提高不多。由于分闸操作过电压最大值出现在分闸后15ms左右,高抗50

100ms调节时间对此没什么影响。但应注意到，在这段时间内无论“工频”还是操作过电压主要靠MOA及低补偿度的高抗限制,可控高抗响应时间长将导致MOA能量增加。因此要注意可控高抗的响应时间，不同可控高抗的响应时间也不同。2004-12-1424使用可控高抗，由于在分闸后高抗从低补偿度到高补

故障清除过电压故障清除过电压是指线路发生接地故障后，在清除故障线路过程中，出现在相邻线路上的过电压。2004-12-1425故障清除过电压故障清除过电压是指线路发生接地故障后，在清除清除线路单相短路故障的转移过电压故障点相对地统计过电压（p.u.）MOV最大能耗（MJ）其他线路线路最大两端最大晋南线晋东南侧1.371.361.24晋南线南阳侧1.441.440.15南荆线南阳侧1.621.540.69南荆线荆门侧1.661.510.342004-12-1426清除线路单相短路故障的转移过电压故障点相对地统计过电压（p.2.线路三相短路故障清除过程的转移过电压故障点相对地统计过电压（p.u.）MOV最大能耗（MJ）其他线路线路最大两端最大晋南线晋东南侧1.551.520.56晋南线南阳侧1.691.561.22南荆线南阳侧1.791.581.67南荆线荆门侧1.681.581.40三相短路故障（也有说二次）。特高压线路发生三相短路故障可能性预计更低。

按500kV线路计，我国500kV线路己运行二十多年，累计长度4万多公里，至今只统计到一次2004-12-14272.线路三相短路故障清除过程的转移过电压故障点相对地统计过电潜供电弧及恢复电压

特高压线路的潜供电流大，恢复电压高，潜供电弧难以自熄灭，可能影响单相重合闸的无电流间歇时间和成功概率，故需研究限制潜供电流和加快潜供电弧熄灭的措施。以提高特高压线路的单相重合闸成功率。2004-12-1428潜供电弧及恢复电压特高压线路的潜供电流大，恢复电压高

在国内外已得到广泛用并取得了良好的效果。在日本已建成的UHV系统中得到应用，但并未进行大量的实际运行考验。

潜供电弧熄灭的方法主要有并联电抗器中性点经小电抗接地：使用HSGS(High

SpeedGroundingSwitches)2004-12-1429在国内外已得到广泛用在日本已建成的UHV系统中得到应用计算分析表明，在我国即将建设的1000kV较长输电线路中，可以采用“并联电抗器中性点经小电抗接地”的方法来限制潜供电弧。对于较短的线路，无须接入并联电抗器限制工频过电压，显然无法采用“并联电抗器中性点经小电抗接地”的方法来限制潜供电流和恢复电压的幅值。此时使用HSGS熄灭潜供电弧似乎是一种经济有效的方法。

2004-12-1430计算分析表明，在我国即将建设的1000kV较长输电线路中，可HSGS是将故障点的开放性电弧转移至两侧接地开关,使故障相上的电压和故障点的潜供电流大大降低,从而使电弧易于熄灭。HSGS的操作步骤为:单相接地故障发生,产生一次电弧;故障相两端断路器跳闸,一次电弧熄灭,二次电弧(潜供电弧)产生;装设于故障相两端的HSGS快速接地,潜供电弧熄灭;HSGS快速断开