一起500 kV線路電壓異常現象的事故分析處理

高殿瀅，李勝川，劉佳鑫

（1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

專論

一起500 kV線路電壓異常現象的事故分析處理

高殿瀅1，李勝川1，劉佳鑫2

（1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

通過論述一起安裝有高壓并聯電抗器的500 kV線路跳閘后的三相電壓異常現象，重點對同塔線路耦合傳遞過電壓進行計算分析，證明為同塔運行線路對其耦合傳遞電壓放大所致。針對該電壓異常和工頻諧振系統狀況，提出事故處理原則為：優先采取合上線路接地開關來消除電壓異常；在條件受限不能合上線路接地開關時，可以用拉開電抗器隔離開關來消除電壓異常和破壞諧振過電壓，且不會造成電抗器及其隔離開關設備的絕緣；不得采取拉開線路隔離開關、母線隔離開關的方式來應急處理。最后提出了中性點小電抗阻值的選擇建議，供設計單位和運行部門參考。

超高壓；工頻過電壓；中性點小電抗

在超高壓系統中，為限制工頻過電壓、抑制潛供電流和補償線路的容性充電功率，一般在500 kV輸電線路上裝設帶有中性點小電抗的高壓并聯電抗器裝置。裝置容量通常按照所在線路充電功率的60%～90%來選擇，即工作在欠補償方式，中性點小電抗（XN）按照0.2～0.5倍單相電抗器（XL）電抗值來選擇。然而，隨著地區負荷的增長，線路破口接入新的變電站，1條線路變成2條線路，或采用同桿架設線路節約占地。而變化后的導線電容參數繼續和原有電抗器及中性點小電抗器配合，可能產生工頻過電壓，發生設備絕緣損壞事故［1］。

本文事例中原500 kV王南一線破口后形成王渤一線、瓦渤二線，同時2條線路之間有30 km的同桿架設。結合一次王渤一線單相永久性單相接地故障后的電壓異常現象原因分析，重點對這一工況的工頻過電壓進行計算分析，提出相應建議，以供設計單位和運行部門參考。

1 線路及電抗器情況

500 kV王渤一線為原王南線2次破口，接入渤海變和瓦房店變后形成。王渤一線全長90 km，瓦渤二線全長164 km，2條線路在渤海變側有30 km的同塔并架。王渤一線電抗器接在王石變側，額定容量為150 Mvar，額定電壓為5253kV，額定電抗為1 837 Ω，中性點小電抗額定電壓為63 kV，額定電抗為800 Ω。如圖1所示。

1.1 線路電容參數等效

同塔雙回線路除線路自有的參數外，還存在線間互阻抗和線間電容。由于線間互阻抗對工頻過電壓影響很小，所以本文只計算線間電容，王渤一線線路參數如表1所示。

圖1 王渤一線所在系統示意圖

表1 王渤一線線路參數表

1.2 高壓電抗器參數等效

王渤一線電抗器為三相分體式，額定電抗為1 837 Ω（XL），中性點小電抗額定電抗為800 Ω（XN），帶中性點小電抗的高壓并聯電抗器系統等效圖如圖2所示。

圖2 帶中性點小電抗的高壓并聯電抗器系統等效圖（a）——并聯電抗器加中性點小電抗實際接線；（b）——并聯電抗器加中性點小電抗等效接線

等效回路關系如下［2］：

500 kV線路相地之間的零序電容容抗（XC0）、相相之間的耦合電容容抗（XCm相）、同桿雙回線路線線之間的耦合電容容抗（XCm線）、線路上安裝的高壓并聯電抗器感抗（XL）、中性點小電抗器感抗（XN），這些電容和電感參數配合滿足諧振條件時，會產生過電壓。《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL／T 620—1997）規定系統的工頻過電壓水平線路斷路器的線路側一般不宜超過1.4 p.u.，500 kV高壓并聯電抗器中性點及其接地電抗器短時工頻耐受電壓直接接地應小于85 kV，經中性點電抗器接地應小于140 kV［3］。

2 線路電壓異常過程

2011年10月5日19時，500 kV王渤一線線路C相故障，C相開關跳閘重合不良，三相開關跳閘（線路使用單相重合閘）。保護裝置動作正確，故障測距為5.7 km，王渤一線5051開關三相在開位、各隔離開關在合位，高壓并聯電抗器三相本體無問題。但是，中性點小電抗器有帶電運行的嗡嗡聲，查看監控后臺機王渤一線線路電壓互感器A相43 kV、B相42 kV、C相0 kV，后與線路維護單位核實，C相線路發生永久性接地。

因為有500 kV瓦渤二線與之同塔架設，由于線間耦合電容的作用，一般情況下，500 kV王渤一線線路兩側開關拉開后，線路會有幾kV的感應電壓，中性點小電抗器無帶電特征。但本次王渤一線的電壓異常與以往大不相同，特別是C相線路接地、電壓為0，但A、B相電壓比以往大得多。

3 考慮同塔線路影響時工頻過電壓校核

分別針對瓦渤二線運行條件下，王渤一線無永久性接地三相跳閘、王渤一線單相永久性接地三相跳閘2種工況進行校核分析。實際上，同塔雙回線路間除線間存在電容耦合產生的傳遞電壓外，還存在線間電磁耦合產生的感應電壓［4］。感應電壓的大小與運行線路的負荷電流和線路間的互感抗以及停電線路的接地方式有關。電磁耦合產生的感應電壓相比電容耦合產生的傳遞電壓小得多，本次計算不考慮電磁耦合產生的感應電壓。線路等效系統圖如圖3所示［5］。

圖3 瓦渤二線運行時王渤一線系統等效圖

3.1 瓦渤二線運行條件下王渤一線無永久性接地三相跳閘

3.1.1 電壓計算

設瓦渤二線電源電壓三相對稱，2條線路的參數和電抗器參數三相平衡，則三相回路可以等效為單相回路計算，等效圖如圖4所示。

則王渤一線電壓以C相為例計算如下：

圖4 瓦渤二線運行時王渤一線無永久性接地三相跳閘系統等效圖

計算瓦渤二線運行、王渤一線斷開時，瓦渤二線對王渤一線的耦合傳遞電壓有效值為17.8 kV。

另外，當線路參數和電抗器參數配合滿足式（3）條件時，王渤一線斷開的B相、C相會產生幅值很高的工頻諧振過電壓。

3.1.2 電壓異常情況下拉開王渤一線電抗器隔離開關的電壓校核

在上述傳遞過電壓中，通過計算驗證能否采用拉開王渤一線電抗器隔離開關、切斷電抗器支路來消除電壓。瓦渤二線運行時拉開王渤一線電抗器隔離開關系統等效圖如圖5所示。

拉開電抗器隔離開關后的穩態回路，相當于線路之間耦合電容容抗XCm線與王渤一線線路正序容抗XC1的分壓回路，正序電容與零序電容和相間關系為C1＝C0＋3Cm。則拉開電抗器隔離開關后的穩態電壓為

圖5 瓦渤二線運行時拉開王渤一線電抗器隔離開關系統等效圖

代入線路實際參數，計算瓦渤二線運行、王渤一線斷開時，瓦渤二線對王渤一線的耦合傳遞電壓有效值為7.3 kV。王渤一線電抗器隔離開關帶電側的電壓由拉開前的17.8 kV瞬間變為拉開后的7.3 kV，而不會造成電抗器及其隔離開關設備的損壞［6］。

另外，如果已經發生了工頻諧振過電壓，理論上王渤一線線路電壓為無窮大。但實際上，回路和設備均存在電阻，限制了諧振過電壓的幅值。拉開王渤一線電抗器隔離開關后，耦合傳遞電壓穩態有效值仍為7.3 kV。拉開王渤一線電抗器隔離開關后，雖然瞬間電壓很高，但是立即破壞了諧振條件，電壓衰減很快，也不會對電抗器和隔離開關造成損壞。

3.2 瓦渤二線運行條件下王渤一線單相永久性接

地三相跳閘

3.2.1 電壓計算

設王渤一線C相永久性接地后三相跳閘，則王渤一線A相、B相電壓用節點電壓法列方程如下：

解方程得：

用實際參數進行計算，代入式（11）、（12）可知，不會發生諧振過電壓。但是瓦渤二線對王渤一線的耦合傳遞電壓有所放大，約36 kV。未考慮感應電壓情況下，上述理論計算與本次王渤一線電壓異常情況非常接近。

3.2.2 電壓異常情況下拉開王渤一線電抗器隔離開關的電壓校核

在上述傳遞過電壓中，通過計算驗證能否采用拉開王渤一線電抗器隔離開關、切斷電抗器支路來消除電壓。瓦渤二線運行時王渤一線C相接地三相跳閘系統等效圖如圖6所示。

圖6 瓦渤二線運行時王渤一線C相接地三相跳閘系統等效圖

拉開王渤一線電抗器隔離開關、切斷電抗器支路后，王渤一線A相、B相電壓用節點電壓法列方程如下：

用實際參數進行計算，拉開王渤一線電抗器隔離開關、切斷電抗器支路后，瓦渤二線對王渤一線的耦合傳遞電壓UA、UB均約8.2 kV。

綜上，王渤一線電抗器A、B兩相隔離開關帶電側的電壓由拉開前的36 kV瞬間變為拉開后的8.2 kV，可知拉開電抗器隔離開關的操作不會造成電抗器及其隔離開關設備的損壞。

4 避免傳遞過電壓的預防措施和操作處理

防止500 kV線路工頻過電壓造成設備損壞事故，首要是采取預防措施，其次才是應急操作處理。

4.1 預防措施

通過第3節的計算發現，線路電容參數與電抗器參數的配合，在一定條件下，可能發生諧振。所以，對于安裝了高壓并聯電抗器的500 kV線路，即使線路長度未發生變更，一旦有新建500 kV超高壓線路與之同塔并架，設計單位和運行部門必須進行傳遞過電壓的校核，防止工頻諧振過電壓造成設備損壞事故。

用瓦渤二線和王渤一線線路參數和電抗器參數進行計算，如果將中性點小電抗阻抗值由現在的XN＝800 Ω調整到XN＝200 Ω，即X0＝2 437 Ω，遠離XC0＝4 111 Ω，相對遠離諧振點，可避免發生諧振。

4.2 應急操作處理

如圖7所示，裝有高壓并聯電抗器的500 kV線路，在本線兩側斷路器分開后，由于同塔架設線路的耦合傳遞電壓導致本線電壓異常和工頻諧振的狀態，調度、運行人員事故處理的最佳原則是：在確認線路兩側開關斷開、線路電壓互感器顯示相鄰線路的耦合傳遞過電壓或諧振過電壓，立即合上線路側接地開關遙控使線路接地，通過短接線路對地電容來消除過電壓。如果由于某種原因，不能采取上述措施，其次的選擇是拉開電抗器隔離開關，電抗器隔離開關兩側電壓衰減很快，不會對電抗器和隔離開關造成損壞。不得采取拉開線路隔離開關、母線隔離開關的方式來應急處理，對消除電壓異常沒有效果，反而耽誤時間。

圖7 王石變王渤一線站內設備連線示意圖

5 結論

安裝有高壓并聯電抗器的500 kV輸電線路，一旦出現新增500 kV同桿架線路、線路破口變短，而裝設的高壓并聯電抗器連同中性點小電抗阻抗不變情況下，除進行本線路單回線運行時非全相運行狀態下三相線路和中性點小電抗進行諧振過電壓、工頻過電壓的計算校核；另一方面，必須進行同桿架線耦合傳遞過電壓可能引發的三相線路和中性點小電抗進行諧振過電壓、工頻過電壓的計算校核，這一點往往會被設計單位和運行部門忽視，容易因電抗器參數選擇不當而發生設備損壞事故。

a.同塔雙回運行條件下單回線路無永久性接地三相跳閘工況下計算校核。按圖4所示的等效系統圖分析諧振過電壓產生條件，按式（3）計算斷開相線路過電壓大小。通過校核，王渤一線不會發生諧振過電壓。

b.同塔雙回運行條件下單回線路單相久性接地三相跳閘工況下計算校核。按照式（7）、（8）來計算諧振點的參數配合，校核發現瓦渤二線對王渤一線的耦合傳遞電壓有所放大（由17.8 kV放大至36 kV），但王渤一線不會發生諧振過電壓。

c.同塔雙回線路線路參數的實際配合，一旦發現其中一回線對另一回線的耦合傳遞電壓有所放大，應給予高度重視。如果參數進一步配合，極有可能導致諧振過電壓。王渤一線高壓電抗器容量不做調整的前提下，應將中性點小電抗的阻抗值從當前的800 Ω調整為300 Ω，并帶有1／3、2／3阻值的抽頭，則相對遠離諧振點，可避免發生諧振。

d.裝有高壓并聯電抗器的500 kV線路，在本線兩側斷路器分開后，出現由于同塔架設線路的耦合傳遞電壓導致本線電壓異常和工頻諧振的狀態，優先采取合上線路接地開關來消除電壓異常；條件受限不能合上線路接地開關時，也可以用拉開電抗器隔離開關來消除電壓異常和破壞諧振過電壓，不會造成電抗器及其隔離開關設備的絕緣；不得采取拉開線路隔離開關、母線隔離開關的方式來應急處理，對消除電壓異常沒有效果。

［1］ 周大東，王東燁，凌立平.超高壓輸電線路參數變頻測量技術的研究和應用［J］.東北電力技術，2012，33（10）：31-34.

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［3］ 李博通，李永麗，景 雷，等.同塔雙回線的并聯電抗器補償方式研究［J］.電力自動化設備，2009，37（8）：23 -27.

［4］ 朱洪波，宋穎巍.避雷器限制500 kV同塔雙回緊湊型輸電線路操作過電壓的研究［J］.東北電力技術，2011，32（8）：10-12.

［5］ 李學斌，韓洪剛，林 莘.超高壓耦合線路潛供電流計算及電抗器優化配置［J］.東北電力技術，2013，34（2）：5 -9.

［6］ 邵寶珠，姜 偉，宋 丹.同塔雙回線優化重合閘與保護配合方式的研究［J］.東北電力技術，2009，30（11）：7 -10.

Accident Analysis and Suggestion of a Line Voltage Abnormal Phenomenon

GAO Dian?ying1，LI Sheng?chuan1，LIU Jia?xin2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper discusses the three?phase voltage abnormal phenomenon of a tripped 500 kV line equipped with high voltage shunt reactor，calculates the coupling transmission overvoltage of parallel line，and makes a conclusion that the parallel operation line amplifies the coupling transmission voltage.For this abnormal voltage and power frequency resonance system，this paper presents acci?dent treatment principle：close the ground switch to eliminate abnormal voltage；it is demonstrated that to open reactor switch could e?liminate abnormal voltage and destruct resonance overvoltage，and would not result in insulation of reactor and breaker，when ground switch is limited to be closed；emergency treatment should not open line switch and bus switch.This paper presents choice suggestion of neutral reactor value for the design and operation department.

Ultra?high voltage；Power frequency overvoltage；Neutral reactor

TM773；TM862

A

1004-7913（2015）01-0001-05

高殿瀅（1975—），男，高級工程師，主要從事電力生產技術管理工作。

2014-10-10）