特高壓輸電線過電壓及抑制保護控制

河北臨漳供電公司 楊志剛

特高壓輸電線過電壓是發(fā)展特高壓電網(wǎng)所必須研究的課題，它不僅影響到變壓器，斷路器等電力設備絕緣強度的設計，而且還直接關系到電力系統(tǒng)能否安全可靠的運行。本文對特高壓輸電線路的工頻過電壓和操作過電壓進行了產(chǎn)生原因進行了理論分析，并給出了一些限制過電壓可能采取的措施。

一、過電壓的概念及分類

過電壓是指電源電壓超過其額定值時的電壓，特高壓輸電線過電壓可分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。

(一)外部過電壓

外部過電壓是指由于大氣環(huán)境中的雷云放電而引起的電力系統(tǒng)電壓升高，所以也稱大氣過電壓或雷電過電壓。顯然，外部過電壓是由大氣環(huán)境造成的，具有明顯的不可預知性。一般可利用避雷針、避雷線和避雷器來限制電力系統(tǒng)雷電過電壓。

(一)內(nèi)部過電壓

內(nèi)部過電壓是指電力系統(tǒng)中由于斷路器操作、故障或其它原因使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)內(nèi)部電磁能量的轉化或傳遞而造成的電壓升高。內(nèi)部過電壓是指由于電力系統(tǒng)故障或開關操作而引起電網(wǎng)中電磁能量的轉，從而造成瞬時或持續(xù)時間較長的高于電網(wǎng)額定允許電壓并對電氣裝置可能造成威脅的電升高。內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)中的一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，它可分為暫時過電壓和操作過壓兩大類。

1.操作過電壓

在故障或操作時，瞬時發(fā)生的過渡過程過電壓稱為操作過電壓，其持續(xù)時一般在幾十毫秒之內(nèi)。在暫態(tài)過渡過程結束以后出現(xiàn)持續(xù)時間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小

2.暫時過電壓

在暫態(tài)過渡過程結束以后出現(xiàn)持續(xù)時間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小時的持續(xù)性過電壓稱為暫時過電壓，暫時過電壓又可分為工頻過電壓和諧振過電壓。由于特高壓系統(tǒng)線路輸送容量大、距離可能更長，而自身的無功功率很大，每100公里的1000千伏線路無功功率可達530兆乏左右，使得在甩負荷時可能導致嚴重的暫時過電壓；在正常運行負荷變化時將給無功調(diào)節(jié)、電壓控制以及故障時單相重合閘潛供電流熄滅等造成一系列困難。同時高電壓長空氣絕緣的飽和、高海拔和電氣設備制造等方面的因素，給過電壓限制提出更高的要求。

與雷電過電壓產(chǎn)生原因單一不同，內(nèi)部過電壓因其產(chǎn)生原因，發(fā)展過程，影響因素多樣化，而且具有種類繁多，機理各異的特點。就過電壓持續(xù)時間而言，外部過電壓持續(xù)時間最短，操作過電壓次之，暫時過電壓持續(xù)時間最長，有些甚至可能長期存在。

二、工頻過電壓及限制措施

工頻過電壓的大小不僅直接影響操作過電壓的大小，而且還是選擇避雷器額定電壓的依據(jù)，其可能危及設備及系統(tǒng)的安全運行。特高壓系統(tǒng)的工頻過電壓與超高壓系統(tǒng)有相似之處，但其輸送容量更大，距離更遠，線路的充電功率更大。

(一)工頻過電壓產(chǎn)生的原因

工頻過電壓產(chǎn)生的原因包括空載長線的電容效應，不對稱接地故障引起的正常相電壓的升高，甩負荷等，它與系統(tǒng)的結構、容量、參數(shù)及運行方式有關，其頻率等于或接近于工頻。

1.空載線路的電容效應

如果輸電線路突然從負荷側斷開，那么線路就進入了開路狀態(tài)。此時線路上，特別是其末端上，會出現(xiàn)較高的電壓升高；在系統(tǒng)并車前，先從電源側投入線路時，也會導致同樣的情況，這些過電壓就是由空載線路的電容效應引起的。

2.不對稱短路

不對稱短路是輸電線路最常見的故障形式，短路電流中的零序分量會使健全相上出現(xiàn)工頻電壓升高(常稱為不對稱效應)。系統(tǒng)中的不對稱短路故障，以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升高也最為嚴重。

3.線路甩負荷效應

當輸電線路重負荷運行時，由于某種原因線路末端斷路器突然跳閘甩掉負荷，也是造成工頻電壓升高的原因之一，通常稱為甩負荷效應。此時，影響工頻過電壓的因素主要有四個：①甩負荷前線路輸送的潮流，特別是向線路輸送無功潮流的大小，它決定了電源電動勢E的大小。一般來講，甩負荷前，若線路上輸送相當大的有功及感性無功功率，電源電勢必然高于母線電壓。甩負荷后發(fā)電機的磁鏈不能突變，可簡單認為電源暫態(tài)電動勢在短暫時間內(nèi)維持原來數(shù)值，向線路輸送功率越大，電源的暫態(tài)電動勢也越高，計算工頻電壓所用等值電勢越大，工頻過電壓也就越高；②電源的容量決定了電源的等值阻抗，電源容量越小，等值阻抗就越大，可能出現(xiàn)的工頻過電壓也就越高；③線路長度，線路越長，充電的容性無功就越大，工頻過電壓就越高；④發(fā)電機組調(diào)速器和制動設備的惰性，甩負荷后其不能立即起到應有的調(diào)速效果，導致發(fā)電機轉速加快，電動勢及頻率上升，從而使空載線路的工頻過電壓更為嚴重。

(二)降低工頻過電壓的措施

在特高壓輸電系統(tǒng)中，由空載長線的電容效應、不對稱短路故障和甩負荷引起的工頻過電壓是很高的。因此為了降低特高壓電氣設備的絕緣水平，必須降低工頻過電壓。

1.并聯(lián)高壓電抗器

由于并聯(lián)電抗器的電感能夠補償線路的對地電容，減小流經(jīng)線路的容性電流，消弱電容效應，所以采用并聯(lián)高壓電抗器是限制特高壓輸電線工頻過電壓的最主要手段。適當?shù)倪x擇電抗器的容量和安裝位置則可將工頻過電壓限制在允許的范圍內(nèi)。此外，并聯(lián)電抗器還涉及到無功平衡，潛供電流補償?shù)确矫娴膯栴}，因此必須綜合考慮系統(tǒng)的結構，參數(shù)，可能出現(xiàn)的運行方式及故障形式等各方面的因素，合理的選取電抗器的補償度和安裝位置。

當工頻電壓升高超過一定值時，可在線路上安裝并聯(lián)電抗器來補償線路的對地電容，消弱線路的電容效應，抑制線路的電壓升高。電抗器視需要可以安裝在線路的首端，末端或中部。

2.使用可調(diào)節(jié)或可控高抗

重載長線80%一90%左右的高抗補償度，可能給正常運行時的無功補償和電壓控制造成相當大的問題，甚至影響到輸送能力。解決此問題比較好的方法就是使用可控或可調(diào)節(jié)高抗:重載時運行在低補償度，這樣由電源向線路輸送的無功減少，使電源的電動勢不至于太高，還有利于無功平衡和提高輸送能力，當出現(xiàn)工頻過電壓時，快速控制到高補償度。

3.使用金屬氧化物避雷器

隨著金屬氧化物避雷器(MOA)性能的提高，使用MOA限制短時高幅值工頻過電壓成為可能，但這會對MOA能量提出很高要求，在中國由于采用了高壓并聯(lián)電抗器，不需要將MOA作為限制工頻過電壓的主要手段，僅在特殊情況下考慮采用。

4.繼電保護

還可采用繼電保護方案縮短工頻過電壓的持續(xù)時間，改變保護的操作方式，使用良導體架空地線或光纖復合架空地線等措施來降低工頻過電壓。

三、操作過電壓及限制措施

操作過電壓是特高壓電網(wǎng)絕緣水平的決定性因素。當開關操作或事故狀態(tài)引起系統(tǒng)拓撲結構發(fā)生改變時，系統(tǒng)中各儲能元件之間的電磁能量相互轉換就會產(chǎn)生操作過電壓。與工頻過電壓相比，操作過電壓具有幅值高，存在高頻振蕩，強阻尼及持續(xù)時間短等特點。由于操作過電壓與系統(tǒng)的額定電壓有關，所以特高壓輸電系統(tǒng)中的操作過電壓問題就更為突出。在特高壓系統(tǒng)中常見的操作過電壓有以下幾種:切除空載線路過電壓(即跳閘過電壓)，合閘空載線路過電壓(即合閘過電壓)和接地短路過電壓等。下面介紹幾個操作過電壓的產(chǎn)生及各自的限制措施：

1.跳閘過電壓

切除空載線路是電力系統(tǒng)常見的操作之一，產(chǎn)生過電壓的原因是斷路器跳閘的過程中發(fā)生電弧的重燃。斷路器切斷的是較小的容性電流，通常為幾十安到幾百安，比短路電流小的多。但能夠切除巨大短路電流的開關卻不一定能夠不重燃的切斷空載線路。這是因為在跳閘初期，由于斷路器，特別是油斷路器，觸頭間恢復電壓的上升速度有可能超過介質(zhì)恢復強度的上升速度造成電弧的重燃，從而引起電磁振蕩出現(xiàn)過電壓。運行經(jīng)驗表明，斷路器的滅弧能力越差，電弧重燃的幾率就越大，過電壓的幅值也就越高。

值得說明的是，由于受到一系列復雜因素的影響，切除空載線路的過電壓不可能無限的增大。當過電壓較高時，線路上就會產(chǎn)生強烈的電暈現(xiàn)象，電暈損耗將消耗過電壓波的能量，引起過電壓波的衰減，限制了過電壓的升高。當母線上有幾回出線時，相當于母線電容增大，可以降低線路上初始電壓的絕對值并吸收部分振蕩能量，而其有功負荷又能增強阻尼效應，使重燃時的過電壓相應的降低。

對于跳閘過電壓，避免斷路器觸頭發(fā)生重燃是限制跳閘過電壓的根本措施。因此，改善斷路器的結構，提高觸頭間介質(zhì)的恢復強度和滅弧能力可有效限制跳閘過電壓。另外，給斷路器并聯(lián)合適阻值的電阻，采用性能優(yōu)良的金屬氧化物避雷器和給線路安裝并聯(lián)電抗器等措施也可用來限制跳閘空載線路過電壓。

2.合閘過電壓

合閘于空載線路是電力系統(tǒng)中常見的一種操作，通常可分為兩種情況:一種是正常有計劃的合閘，如線路檢修后投入運行，根據(jù)調(diào)度需要對送電線路的合閘操作等。這種情況下，在合閘之前，線路上不存在任何異常，線路上起始電壓為零。合閘后，線路各點電壓由零值過渡到考慮電容效應后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值，在此過渡過程中會出現(xiàn)合閘過電壓。由于線路具有分布參數(shù)特性，所以振蕩電壓將由工頻穩(wěn)態(tài)分量和無限多個逐漸衰減的諧波分量疊加組成。另一種合閘操作是運行線路發(fā)生單相接地故障，由繼電保護系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)一短促時間再合閘，即自動重合閘操作。

隨著斷路器制造水平和滅弧能力的提高，跳閘過電壓得到了有效的抑制，于是合閘空載線路過電壓就成為特高壓系統(tǒng)絕緣的主要矛盾。尤其是重合閘過電壓，它是選擇特高壓輸電線絕緣水平的決定性因素。

限制合閘過電壓的措施很多，首先是限制工頻電壓的升高，可以通過在線路上并聯(lián)電抗器來實現(xiàn)，對于雙端電源供電的輸電線路，讓電源容量較大的一側先進行合閘操作，電源容量較小的一側后進行合閘操作也可有效地降低工頻過電壓；再者，消弱合閘前線路的殘余電壓，給斷路器加裝合閘電阻，采用金屬氧化物避雷器等都是抑制合閘過電壓的有效手段。

四、結論

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,電力需求急劇增長。為了滿足大容量長距離輸電和全國聯(lián)網(wǎng)的需要,同時保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,我國必須加強骨干網(wǎng)架的建設。加強骨干網(wǎng)架經(jīng)濟而有效的途徑是建設特高壓輸電線。特高壓輸電可以加強電網(wǎng)結構，提高輸電線路輸送能力，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，但一旦發(fā)生過電壓而造成絕緣的損壞時，其經(jīng)濟損失是非常巨大的。因此進行相關研究是完全必要的。在特高壓研究中,過電壓的研究是其它研究課題的前提和基礎,是能否采用特高壓輸電的關鍵之一。它不僅影響到變壓器、斷路器、輸電線等電力設備絕緣強度的設計,而且還直接關系到電力系統(tǒng)是否能夠安全穩(wěn)定的運行。

考慮到特高壓輸電線所允許的電壓升高的數(shù)值與所加電壓的持續(xù)時間等因素直接相關，因此通過特高壓輸電線繼電保護、重合閘的配置與相關自動裝置的動作配合來限制過電壓是可行的。