特高壓輸電線路的工頻過電壓研究

田 書 郭芃君 梁 京

（河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454003）

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，對電力的需求日益增大，甚至有些地方在用電高峰期出現缺電情況，那么建立特高壓輸電系統將有助于解決這一情況，使資源更加優化，提高能源利用率。我國1000kV特高壓輸電的主要特點是傳輸容量大，輸電距離遠，西部能源基地與東部負荷中心距離在1000km以上，隨之帶來的電磁暫態和過電壓問題就顯得比較突出[2-6]，主要表現為其電容效應異常顯著，由此造成很大的空載線路工頻過電壓，在此基礎上由于線路合閘（包括單相重合閘）、分閘等的一些操作過電壓也會引發很大的過電壓很大，如果不采取相應的措施，必將嚴重影響著線路的安全運行。

目前國家電網公司已完成了晉東南-南陽-荊門單回百萬伏級輸電示范工程的建設工作，已經成功運行，這標志我國對特高壓研究進入了一個新的階段。本文基于示范工程對雙電源雙回路供電系統各種工況下的工頻過電壓升高現象有研究對象，利用電磁暫態計算程序 ATP-EMTP中的LCC模型建立特高壓線路仿真模型仿真分析了線路的電容效應和單相接地故障對特高壓輸電線路的影響，并提出了采用高壓并聯電抗器進行無功補償限制工頻過電壓升高的措施，以及必要時用MOA限制由單相接地引起過電壓幅值較高時的措施。

1 過電壓理論分析

工頻過電壓產生機理

隨著輸電線路電壓等級的提高，輸送距離的增長，需要考慮到長線路的電容效應，采用分步參數電路模型[7-8]。

圖1 特高壓輸電線路等值電路

在線路空載情況下（如圖1所示），線路首末端的電壓表達式為

式中，γ為輸電線路的的傳播系數；β為衰減系數；α為相位移系數；ZC為輸電線路波阻抗。

考慮電源電抗后，根據式（1）、（2）可得線路末端電壓與電源電動勢的關系為

可以看出，線路越長，系統等值阻抗越大，線路末端的電壓就越高。

2 特高壓輸電線路模型

在此建立一段長度為600km的1000kV特高壓輸電線路模型，如圖2所示，潮流從m流向n，雙端電源的擺開角度為30°。

圖2 特高壓輸電線路模型

利用ATP-EMTP建立1000kV特高壓輸電線路仿真模型。文獻[9]介紹了EMTP在UHV線路計算的方法以及各個元件模型的介紹。具體模型參數設置：特高壓輸電線路采用分段補償[6]，即分段長度為300km；高壓并聯電抗器補償度設為87%[10]；雙端電源擺開角度為30°，兩端斷路器并聯上合閘電阻，合閘電阻阻值取600Ω[10]。一般裝設的合閘電阻接入時間為8～12ms，這里設為10ms。仿真時斷路器隨機合閘200次，從中得出出現2%概率的最大過電壓的統計值。合閘電阻接入時間取0.1s，斷路器合閘時間取0.2s，整個仿真時間取0.5s。

選取 MOA的主要參數[11-13]：額定電壓為828kV，持續運行電壓約為638kV，標稱放電電流為20kA，在30/60μs、2kV下的操作沖擊殘壓不高于1460kV，在8/20μs、20kA下，雷電沖擊殘壓不高于1640kA，工頻參考電壓不低于828kV。在模型中設置的基準電壓為

3 ATP-EMTP仿真分析

3.1 空載電容效應仿真計算條件

（1）特高壓輸電線路全長2×300km，傳輸容量為3000MVA，線路每100km的充電功率為315.5Mvar，所以必須采用高壓并聯電抗器進行無功補償。

（2）在分析空載線路在電容效應基礎上，仿真計算高壓并聯電抗器裝設在線路首端、末端以及線路兩端工頻電壓升高及其沿線分布。

表1 高壓并聯電抗器裝設在線路首端、末端和線路兩端下的空載線路電壓分布

3.2 結果分析

由表1的仿真結果可以看出：

（1）輸電線路安裝高壓并聯電抗器后對空載電容效應引起的過電壓有一定抑制作用，越靠近高抗的沿線過電壓越低。

（2）當補償度一定時，高抗安裝在線路末端出現的最大過電壓要小于裝設在線路首端和線路兩端，但是要考慮到實際線路，多采取就地補償無功以平衡局部無功，仿真結果中高抗裝設兩端時的沿線過電壓倍數最大的只比末端裝設時的多4.61%。綜合考慮實際情況建議采用線路兩端裝設高壓并聯電抗器來限制這種沿線工頻電壓升高。

3.3 單相接地故障仿真計算條件

（1）接地故障發生在一相線路的首端、線路中間和線路末端，在正常相上感應出的工頻過電壓。故障時間設為一個工頻周期內的隨機時間。

（2）線路補償度設置為87%，由前文仿真結果，高抗裝設在線路的兩端。

（3）比較分析有無MOA裝設時對工頻過電壓大小的影響。

基于仿真模型，線路中部在0.3s發生A相接地故障，線路一端斷路器在0.345s分閘甩負荷，此時設定故障發生時刻為單相電壓峰值（此時的過電壓最為嚴重），健全相B相過電壓仿真圖如圖3所示。

故障發生后，考慮到線路中部過電壓比較嚴重，在0.31s時工頻過電壓大于1.3p.u.。

圖3 線路中間發生單相接地故障時健全相上的過電壓

在線路兩端裝設 MOA情況下，輸電線路中間發生A相接地故障后，健全相B相的電壓仿真圖如圖4所示。

圖4 裝設MOA時線路中間發生單相接地故障時健全相上的過電壓

表2 未裝設MOA時不同故障點單相接地工頻過電壓

表3 裝設MOA時不同故障點單相接地工頻過電壓

3.4 結果分析

（1）由表2的仿真結果可以得出輸電線路中間發生單相接地時的工頻過電壓大于線路兩端接地過電壓；并且造成的過電壓最大值往往出現在線路中部，末端電壓一般高于首端。

（2）由表 3的仿真結果可以得出線路裝設MOA后，過電壓的幅值有明顯的降低，有一定的抑制效果，并且沿線過電壓趨于平緩。

4 結論

本文通過仿真計算重點對雙電源雙回路特高壓輸電線路的工頻過電壓進行了分析研究，仿真結果表明在輸電線路末端裝設高壓并聯電抗器后的效果最好，可以把線路工頻過電壓降到1.095p.u.；但是要考慮到實際線路，多采取就地補償無功以平衡局部無功，仿真結果中高抗裝設兩端時的沿線過電壓倍數最大的只比末端裝設時的多 4.61%。綜合考慮實際情況建議采用線路兩端裝設高壓并聯電抗器來限制這種沿線工頻電壓升高。輸電線路發生單相接地故障時，引起的過電壓最嚴重時可達到1.317p.u.，利用 MOA后可將其過電壓幅值降低到1.045p.u.，并且得到的沿線電壓比較平緩。

[1]劉振亞.特高壓電網[M].北京∶中國經濟出版社.2005.

[2]周浩,余宇紅.我國發展特高壓輸電中一些重要問題的討論[J].電網技術,2005,29(12)∶l-9.

[3]谷定燮.對我國特高壓輸電系統過電壓和絕緣配合的建議[J].高電壓技術,1999,25(1)∶29-32.

[4]陳水明,許偉,何金良. 1000kV 交流輸電線路的工頻暫態過電壓研究[J].電網技術,2005,29(19)∶1-5.

[5]許偉,陳水明,何金良.1000kV 交流輸電線路的故障激發過電壓研究[J].電網技術,2005,29(19)∶10-13.

[6]黃佳,王鋼,李海鋒,韓馮雪.1000kV長距離交流輸電線路工頻過電壓仿真研究[J]繼電器,2007,35(4)∶ 32-39.

[7]盛鹍,李永麗,李斌等.特高壓輸電線路過電壓的研究和仿真[J].電力系統及其自動化學報[J].2003,15(6)∶13-18.

[8]謝廣潤.電力系統過電壓[M].北京∶水利電力出版社,1985.

[9]曹祥麟.EMTP在特高壓交流輸電中的應用[J].高電壓技術,2006,32(7)∶64-68.

[10]劉振亞.特高壓交流輸電系統過電壓于絕緣配合[M].北京∶中國電力出版社,2008.

[11]胡軍,何金良等.特高壓避雷器用 ZnO壓敏電阻電壓梯度限值的探討[J].高壓電器,2009,45(1)∶1-4.

[12]劉振亞.特高壓交流電氣設備[M].北京∶中國電力出版社,2008.

[13]郭守珠.日本特高壓變壓器和避雷器的研制[J].高電壓技術,1999,25(3)∶24-29.