研究与开发 特高压 输电线路的工频过电压研究 田 书 郭艽君 梁京 （河南理Ｓ－大学电气Ｓ－程与自动化学院，河南焦作４５４００３） 摘要 特高压输电线路中的过电压水平直接影响着设备的安全运行，本文以特高压试验工 程为背景，结合国内外对特高压工频过电压的研究，利用电磁暂态计算程序ＡＴＰ．ＥＭＴＰ分别仿 真计算了特高压空载线路电容效应弓Ｉ起的工频过电压、单相接地故障过电压。分析了高压并联 电抗器装设不同位置时对工频过电压的影响以及在高压并联电抗器补偿的基础上线路两端装设 ＭＯＡ后对单相接地故障过电压的影响。仿真结果表明合理装设高压并联电抗器后可以把线路工 频过电压降到１．１３５ｐ．Ｕ．；单相接地故障ｇｆ起的过电压最严重时可达到１．３１７ｐ＿ｕ．，利用ＭＯＡ后可 将其过电压幅值降低到１．０４５ｐ．Ｕ．。 关键词：特高压；工频过电压；高压并联电抗器；金属氧化物避雷器 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ ＵＨＶ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｔｉａｎ Ｓｈｕ Ｇｕｏ Ｐｅｎｇ］ｕｎ ＬｉａｎｇＪｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆＨｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ，Ｈｅ’ｎａｎ ４５４００３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ ｈａｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｉｎ ＵＨＶ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＨＶ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ＵＨＶ ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｎｌｏａｄｅｄ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｙ ＡＴＰ－－ＥＭＴＰ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｖｅｒ－－ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｈｅｎ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅａｃｔｏｒ ｉｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｏｔ ａｎｄ ｂａｓｅ ｏｎ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅａｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅ ｗｉｔｈ ＭＯＡ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｔｏ １．１ ３ ５ｐ．Ｕ．ｗｈｅｎ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅａｃｔｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅ；ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｉｓ １．３ １ ７ｐ．Ｕ．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｗｈｅｎ ＭＯＡ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｌｉｎｅ，ｔｈｅ ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｔｏ １．０４５ｐ．Ｕ．． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ；ＵＨＶ；ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ；ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅａｃｔｏｒ；ＭＯＡ 近年米，随着我国国民经济的快速发展，对电力 的措施，必将严重影响着线路的安全运 。 的需求日益增大，甚至有些地方在用电高峰期出现缺 目前国家电网公司已完成了晋东南．南 一剃 电情况，那么建立特高压输电系统将有助于解决这一 门单回百万伏级输电示范工程的建设 作， 绎 情况，使资源更加优化，提高能源利用率。我国 成功运行，这标志我国对特高压研究进入了‘个 １Ｏ００ｋＶ特高压输电的主要特点是传输容量大，输电 新的阶段。本文基于示范工程对双电源双旧路供 距离远，西部能源基地与东部负荷中心距离在 电系统各种工况下的工频过电 升高现象有研究 １Ｏ００ｋｍ以上，随之带来的电磁暂态和过电压问题就 对象，利用电磁暂态计算程序ＡＴＰ．ＥＭＴＰ ｌＩＩ的 显得比较突出［２－６］，主要表现为其电容效应异常显著， ＬＣＣ模型建立特高压线路仿真模型仿真分析＿ｒ线 由此造成很大的卒载线路＿ｒ＝频过电压，在此基础上由 路的电容效应和单相接地故障对特高压输电线路 于线路合闸（包括单相重合闸）、分闸等的一些操作 的影响，并提出了采用高压并联电抗器进行ｌ尢功 过电压也会引发很大的过电压很大，如果不采取相应 补偿工频过电压升高的措施，以及必要时川 １ ８ ｆ电耋墨雹技术 ２０１１年第９期 河南理工大学实验室开放基金项Ｌ１（ＳＫＪＡ１００８２） 河南理＿【：大学研究生学位论叟创新 金项ｌ ｌ 研究与开发 ＭＯＡ由单相接地引起过电压幅值较高时的 １０００ ｋｖ ６００ ｋｍ 措施。 １过电压理论分析 图２特高压输电线路模型 工频过电压产生机理 ｌ ０．００８０５ Ｏ／ｋｍ，Ｘ１ ０．２５９１３ Ｑ／ｋｍ， 随着输电线路电压等级的提高，输送距离的增 ｌ ０．２２６８８ ＭＱ／ｋｍ，Ｒｏ ０．２０４８９ Ｑ／ｋｍ， 长，需要考虑到长线路的电容效应，采用分步参数 ＝０．７４６０６Ｑ／ｋｍ，Ｘｏ０ ０．３５２５ Ｍｆ￣／ｋｍ。 电路模型 】。 利用ＡＴＰ．ＥＭＴＰ建立１０００ｋＶ特高压输电线路仿 真模型。文献［９］介绍了ＥＭＴＰ在ＵＨＶ线路计算的方 法以及各个元件模型的介绍。具体模型参数设置： 特高压输电线路采用分段补偿【６Ｊ，即分段长度为 ３００ｋｍ；高压并联电抗器补偿度设为８７％ｔ 】；双端 图１特高压输电线路等值电路 电源摆开角度为３０。，两端断路器并联上合闸电阻， 在线路空载情况下（如图１所示），线路首末 合闸电阻阻值取６００Ｑ［ ］。一般装设的合闸电阻接 端的电压表达式为 入时间为８～１２ｍｓ，这里设为１０ｍｓ。仿真时断路器随 Ｕ．＝Ｕ２ｃｈｙｘ＋ＩｚＺｃｓｈｙｘ （１） 机合闸２００次，从中得出出现２％概率的最大过电压 ： ｃｈｙｘ＋ Ｕ２ ｈｙｘ （２） 的统计值。合闸电阻接入时间取０．１Ｓ，断路器合闸 Ｃ 时间取０．２ｓ，整个仿真时间取０．５ｓ。 Ｚｒ： ± （３） 选取ＭＯＡ的主要参数ｌ１ ”】：额定电压为 、Ｊ ＋ｊｏｇＣｏ ８２８ｋｖ，持续运行电压约为６３８ｋｖ，标称放电电流 ＝ ＋ｊ ＝√（ ｏ＋ｊｍＬ０）（Ｇｏ＋ｊｏＣｏ） （４） 为２０ｋＡ，在３０／６０ ｇｓ、２ｋＶ下的操作冲击残压不 式中， 为输电线路的的传播系数； 为衰减系数： 高于１４６０ｋＶ，在８／２０ｇＳ、２０ｋＡ下，雷电冲击残 为相位移系数；Ｚｃ为输电线路波阻抗。 压不高于１６４０ｋＡ，工频参考电压不低于８２８ｋｖ。 考虑电源电抗后，根据式（１）、（２）可得线路 在模型中设置的基准电压为８２８４２＝１１７０．７９２ｋＶ。 末端电压与电源电动势的关系为 ３ ＡＴＰ．ＥＭＴＰ仿真分析 ｒ；： ＝——— ＿一 （５）＼Ｊ ３．１ 空载电容效应仿真计算条件 ∞。ｙｘ一 “ｙｘ （１）特高压输电线路全长２×３００ｋｍ，传输容量 可以看出，线路越长，系统等值阻抗越大，线 为３０００ＭＶＡ，线路每１００ｋｉｎ的充电功率为３１５．５Ｍｖａｒ， 路末端的电压就越高。 所以必须采用高压并联电抗器进行无功补偿。 （２）在分析空载线路在电容效应基础上，仿 ２特高压输电线路模型 真计算高压并联电抗器装设在线路首端、末端以 在此建立一段长度为６００ｋｍ的１０００ｋＶ特高 及线路两端工频电压升高及其沿线分布。 压输电线路模型，如图２所示，潮流从ｍ流向Ｆ／， 双端电源的摆开角度为３０。。 表１ 高压并联电抗器装设在线路首端、末端和线路两端下的空载线路电压分布 高抗安装位置 空载线路沿线电压分布／ｐ．Ｕ． ／＝０ｋｍ ５０ｋｍ ．『＝ｌ００ｋｍ ｌ ５０ｋｍ ／＝２００ｋｍ ／＝２５０ｋｍ ／＝３００ｋｍ 线路首端 １．１２ １．１３２ １．１５７ １．１７０ １．２１３ １．２３５ １．２６ｌ 线路末端 １．１０３ １．１ｌ３ １．０９７ １．０９５ １．０８２ １．０６３ １．０５５ 线路两端 １．Ｏ８１ １．０９２ １．１ｌ３ １．１３５ １．１３０ １．１ｌ２ １ ０９ｌ （１ｐ．ｕ．＝１ １ ００√ ＝８９８．０４ｋＶ） ３．２结果分析 （１）输电线路安装高压并联电抗器后对空载电 由表１的仿真结果可以看出： 容效应引起的过电压有一定抑制作用，越靠近高抗 ２０１１年第９期电 技窳Ｉ １ ９ 研究与开发 的沿线过电压越低。 （２）当补偿度一定时，高抗安装在线路末端出 现的最大过电压要小于装设在线路首端和线路两 端，但是要考虑到实际线路，多采取就地补偿无功 以平衡局部无功，仿真结果中高抗装设两端时的沿 线过电压倍数最大的只比末端装设时的多４．６１％。综 合考虑实际情况建议采用线路两端装设高压并联电 抗器来这种沿线工频电压升高。 ３．３单相接地故障仿真计算条件 （１）接地故障发生在一相线路的首端、线路 中间和线路末端，在正常相上感应出的工频过电 压。故障时间设为一个工频周期内的随机时问。 （２）线路补偿度设置为８７％，由前文仿真结 果，高抗装设在线路的两端。 （３）比较分析有无ＭＯＡ装设时对工频过电 压大小的影响。 图３线路中间发生单相接地故障时健全相上的过电压 在线路两端装设ＭＯＡ情况下，输电线路 ｉ１ 间发生Ａ相接地故障后，健全相Ｂ相的电压仿真 图如图４所示。 基于仿真模型，线路中部在０．３ｓ发生Ａ相接地 故障，线路一端断路器在０．３４５ｓ分闸甩负荷，此时 设定故障发生时刻为单相电压峰值（此时的过电压 最为严重），健全相Ｂ相过电压仿真图如图３所示。 故障发生后，考虑到线路中部过电压比较严 重，在０．３１ Ｓ时工频过电压大于１．３ｐ－ｕ＿。 表２未装设ＭＯＡ时不同故障点单相接地工频过电压 故障点离线路 ，＝０ｋｍ ，＝ｌ ５０ｋｍ ，－３００ｋｍ 图４装设ＭＯＡ时线路中间发生单 相接地故障时健全相上的过电压 单相接地工频过电压／ｐ．ｕ． １．２Ｏｌ １．１９２ １．１７４ 首端距离／ｋｍ １＝０ｋｍ ，＝５０ｋｍ ，＝ｌ００ｋｍ ，＝ｌ５０ｋｍ ｌ＝２００ｋｍ ｆ＝２５０ｋｍ ，＝３００ｋｍ １．２３５ １．２５７ ｌ－２ｌ１ １．２６６ １．２９５ １．２４５ １．２８５ １－３１７ １．２７６ １．２７９ １．３０２ １．２６６ １．２ｌ３ １．２８６ １．２３９ １．１９６ １．２３３ １．２１７ （１ｐ－ｕ．＝１ １００ ／ ＝８９８．０４ｋＶ） 表３装设ＭＯＡ时不同故障点单相接地工频过电压 故障点离线路 ，＝０ｋｍ ，＝ｌ５０ｋｍ 单相接地工频过电压／ｐ．Ｕ． １．０ｌ３ １．０ｌ２ 首端距离／ｋｍ １＝０ｋｍ ，＝５０ｋｍ ，＝１００ｋｍ ，＝１５０ｋｍ ，＝２００ｋｍ ，＝２５０ｋｍ ，＝３００ｋｍ １．Ｏ１８ １．Ｏ２１ １．０２１ １．０２５ １．０２２ １．０４５ １．０２０ １．０３７ １．Ｏ１８ １．０２５ １．Ｏｌ６ １．０２０ ，＝３００ｋｍ １．０１０ １．０１１ １．０１３ １．０ｌ ８ １．０２２ １．０２０ １．０ｌ８ （１ｐ－ｕ．＝ｌ １００√２／√３＝８９８．０４ｋＶ） ３．４结果分析 （１）由表２的仿真结果可以得出输电线路中间 ４ 结论 本文通过仿真计算重点对双电源双旧路特高压 输电线路的工频过电压进行了分析研究，仿真结果 表明在输电线路末端装设高压并联电抗器后的效果 发生单相接地时的工频过电压大于线路两端接地过 电压；并且造成的过电压最大值往往出现在线路中 部，末端电压一般高于首端。 （２）由表３的仿真结果可以得出线路装设 ＭＯＡ后，过电压的幅值有明显的降低，有一定的抑 制效果，并且沿线过电压趋于平缓。 最好，可以把线路工频过电压降到１．０９５ｐ＿ｕ｜；但是 要考虑到实际线路，多采取就地补偿无功以平衡局 部无功，仿真结果中高抗装设两端时的沿线过电压 倍数最大的只比末端装设时的多４．６１％。综合考虑 一、 ２０ ｆ电鸟胃毫技撤 ２０１ １年第９期 研究与开发 实际情况建议采用线路两端装设高压并联电抗器来 ［７］盛鹃，李永丽，李斌等．特高压输电线路过电压的研究和 这种沿线工频电压升高。输电线路发生单相接 仿真［Ｊ］．电力系统及其自动化学报［Ｊ】．２００３，１５（６）：１３—１８． 地故障时，引起的过电压最严重时可达到１．３１７ｐ．ｕ．， ［８］谢广润．电力系统过电压［Ｍ］ ｔ京：水利电力出版社，１９８５． 利用ＭＯＡ后可将其过电压幅值降低到１．０４５ｐ．ｕ．， ［９］ 曹祥麟．ＥＭＴＰ在特高压交流输电中的应用【Ｊ］．高电 并且得到的沿线电压比较平缓。 压技术，２００６，３２（７）：６４．６８． 参考文献 【１０】刘振亚．特高压交流输电系统过电压于绝缘配合［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，２００８． 【１】刘振亚．特高压电网［Ｍ］．北京：中国经济出版社．２００５． ［１１］胡军，何金良等．特高压避雷器用ＺｎＯ压敏电阻电压 【２】 周浩，余宇红．我国发展特高压输电中一些重要问题 梯度限值的探讨［Ｊ］．高压电器，２００９，４５（１）：１—４． 的讨论［Ｊ】．电网技术，２００５，２９（１２）：１．９． ［１２］刘振亚．特高压交流电气设备［Ｍ］．北京：中国电力出 ［３］谷定燮．对我国特高压输电系统过电压和绝缘配合的 版社，２００８． 建议［Ｊ］．高电压技术，１９９９，２５（１）：２９—３２． ［１３］郭守珠．日本特高压变压器和避雷器的研制［Ｊ］．高电 ［４】 陈水明，许伟，何金良．１０００ｋＶ交流输电线路的工频 压技术，１９９９，２５（３）：２４．２９． 暂态过电压研究［Ｊ］．电网技术，２００５，２９（１９）：１－５． 【５】许伟，陈水明，何金良．１０００ｋＶ交流输电线路的故障 作者简介 激发过电压研究［Ｊ］．电网技术，２００５，２９（１９）：１０．１３． 田 书（１９６３．），女，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系 ［６】黄佳，王钢，李海锋，韩冯雪．１０００ｋＶ长距离交流输电线路 电压稳定与控制、微机继电保护、电力系统暂态仿真等。 工频过电压仿真研究［Ｊ］继电器，２００７，３５（４）：３２．３９． 郭艽君（１９８６一），男，硕士研究生，研究方向电力系统过电压。 ＮＡ８系列创享智能电气魅力 浙江正泰电器股份有限公司ＮＡ８系列万能式断路器具 ３）多种接线方 有多项专利，各项性能与国际一流的同类产品指标相当，是 式。断路器接线方式 正泰电器低压电器产品进入中高端市场的主打产品。ＮＡ８ 灵活多样，母线可任 系列万能式断路器广泛适用于电站、工厂、矿山和高层建筑， 意组合，形成水平连 特别是智能楼宇中的配电系统，在风力、太阳能发电等绿色 接、垂直连接、板前 项目中也有广泛应用。 连接、混合连接等， ＮＡ８系列万能式断路器额定电流为２００￣６３００Ａ，额定 极大的方便了用户 工作电压交流４００Ｖ、６９０Ｖ，主要用于配电网络中，用来分 接线。 配电能，保护线路和电源设备，使免受过载、欠电压、短路、 ４）二次接线端 单相接地等故障的危害。产品具有多种智能化保护功能，可 子结构新颖。采用无螺钉端子连接方式，具有ＩＰ２０防护等 作选择性保护，动作精确，避免不必要的停电，提高供电的 级，可有效地防尘，防止异物接触等，使用及维护更加安全、 可靠性。 快速、可靠。 产品特点： ５）小体积。ＮＡ８系列产品有三个壳架等级，包含了１３ １）零飞弧。ＮＡ８系列灭弧系统增加筛状过滤栅片，再 个电流规格，通用程度更高；小电流规格产品体积更小，材 选用独特的产气绝缘介质，燃弧时间更短，真正实现零飞弧。 料消耗下降明显，为用户降低了成本。 ２）产品模块化。断路器各部件均设计成单元，模 ６）智能化。四段过电流保护、故障记录功能、可通讯、 块化结构，相互组装为断路器本体，能方便地进行更换或改 自我诊断。 型，适合用户不同需求。 ２０１１年第９期 电｜目ｌ技肃ｌ ２１
