特高壓輸電線路合閘空載過電壓的仿真分析

閆莎莎

【摘 要】文章以晉南荊特高壓線路為研究對象，使用Matlab/Simulink建立了輸電線路等效模型，對合閘過電壓進行仿真，并分別分析使用一級合閘電阻、二級合閘電阻、三級合閘電阻和金屬氧化物避雷器4種限制措施的限制效果，同時對仿真結果進行對比分析。

【關鍵詞】特高壓；空載線路；MATLAB；合閘過電壓

【中圖分類號】TM723 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0040-03

0 引言

當今世界主要的發電廠依然是火電廠，我國亦然，火電廠占的比重是最大的，因此煤炭資源是發電所需的主要能源。但是，我國的煤炭主要分布于“雄雞”背部，而用電區域又主要分布在“雄雞”的腹部，如果用傳統的方法進行西電東送，就會產生巨大的損耗，因此特高壓輸電的發展是尤為重要的[1]。輸電線路開關的操作會在輸電線路及與其連接的設備上產生較高的過電壓，如何限制特高壓輸電線路的操作過電壓倍數，是發展特高壓電網所要解決的重大問題[2]。

本文基于特高壓輸電線路的特點，對輸電線路簡化分析并建模仿真，研究其過電壓的大小，為限制過電壓的措施提供理論依據。

1 合閘過電壓理論分析

合閘于空載線路是電力系統中常見的一種操作，通常可分為2種情況：一種是正常有計劃的合閘，如線路檢修后投入運行，根據調度需要對送電線路的合閘操作等[3-4]；另一種是自動重合閘。用集中參數等值電路暫態的方法分析過電壓，并按單相電路進行分相分析，合空線過電壓時的集中參數等值電路如圖1所示。

空載線路使用T等值線路代替，RT、LT、CT分別是其等值電阻、電感和電容，u為電源相電壓，R0和L0分別為電源的電阻和電感，定性分析時還可以忽略電源電阻和線路電阻的作用，其等值電路可簡化為如圖2所示的簡單振蕩回路，其中電感L=L0+LT /2。

若取合閘瞬間為起點，此時t=0，電源電壓的表達式如下：

u（t）=Uφcosωt（1）

在正常合閘時，線路上沒有殘余電荷，初始電壓為0，圖2的回路方程如下：

L■+uc=u（t）（2）

因為i=CT■，代入式（2）可以得到：

LCT■+uC=u（t）（3）

如果合閘時電源電壓恰到幅值，此時過電壓是最大的，由于回路振蕩頻率很高，可認為合閘到直流電源，式（3）可寫為

LCT■+uC=Uφ（4）

解為

uC=Uφ+Asinω0 t+Bcosω0 t（5）

式（5）中，ω0為振蕩角頻率；A、B為積分常數。

t=0作為初始條件，則：

uC（0）=0（6）

i=CT ■=0（7）

解得A、B代入式（5）得：

uC=Uφ（1-cosω0 t）（8）

當t=■時，cosω0 t=-1，uC達到最大值，即

UC=2Uφ（9）

由于回路中有損耗，所以振蕩是衰減的，一般以衰減系數δ來表示，式（8）變成

uC=Uφ（1-e-δtcosω0 t）（10）

式中，衰減系數δ和圖2的總電阻成正比，最大值UC將略小于2Uφ。但是實際情況下的電源電壓是交流的，uC（t）將寫為

uC=Uφ（cosωt-e-δtcosω0 t）（11）

如果按照分布參數等值電路的波過程來處理，由于電壓波會在開路末端發生全反射，電壓會大于2Uφ。

分析完正常合閘的情況，現在分析重合閘的情況，由于重合閘時，線路上存在殘余電壓，所以過電壓將更大。

如圖3所示，A相發生接地故障，QF2先跳閘，緊接著QF1跳閘，B、C兩相的電壓絕對值一樣，但極性可能不同，斷路器自動重合，如果此時這兩相存在殘余電壓，重合閘時又恰好是電源電壓最大時，這時候會出現最大過電壓[5-6]。最大過電壓的值用下式求解：

UC=2UW-uC（0）=2Uφ-（-Uφ）=3Uφ（12）

式中，UW為穩態電壓。

2 特高壓線路參數

晉南荊線路是我國首個使用單回路八分裂設計的輸電線路，其導線型號是8×LGJ-500/35的鋼筋鋁絞線，分裂間距為400 mm，地線型號是LBGJ-150-20AC。輸電線路有關參數見表1。

3 合閘過電壓仿真

3.1 無限制措施過電壓仿真

圖4為晉南荊線路合閘空載過電壓的仿真波形。

從圖4可以看出，合閘瞬間線路末端將產生過電壓1 841 kV，約為電源電壓的2倍，超過線路允許值，如果不加限制措施將對電力系統造成很大的影響。

3.2 采用合閘電阻限制過電壓

3.2.1 單級合閘電阻

采用單級合閘電阻的仿真波形如圖5所示。

從圖5可以看出，過電壓問題得到緩解，并且電壓波形較未加合閘電阻時平滑，過電壓的數值是1 350 kV。與未采取限制措施時合閘空載線路的過電壓相比較，其過電壓降低了約500 kV，遠在允許值1.6 p.u.以下，可見限制效果是很明顯的。

3.2.2 二級合閘電阻

采用二級合閘電阻的仿真波形如圖6所示。

從圖6可以看出，過電壓問題較單級合閘電阻時有所緩解，并且電壓的波形更平滑，過電壓的仿真結果是1 134 kV，比不安裝限制措施時降低了大約700 kV，相比于使用單級合閘電阻，過電壓降低了約200 kV，效果比單級合閘電阻更好。

3.2.3 三級合閘電阻

采用三級合閘電阻的仿真波形如圖7所示。

從圖7可以看出，采用三級合閘電阻限制過電壓的效果更顯著，過電壓更小，符合要求。從降低過電壓的效果來看，隨著合閘電阻級數的增加，限制效果越來越好，過電壓越來越低，但是三級合閘電阻成本高是其缺點。在二級合閘電阻限制過電壓近乎完美的情況下，無需出資很多再降低過電壓。

3.3 金屬氧化物避雷器

采用金屬氧化物避雷器的仿真波形如圖8所示。

從圖8可以看出，只使用MOA限制過電壓，過電壓的仿真結果是1 588 kV。過電壓值比單級合閘電阻限制過電壓的效果差，當然比二級、三級更差。從以上分析中得出，在實際應用中單獨使用MOA來限制過電壓不可取，但可以考慮與合閘電阻搭配使用。

4 結論

本文研究了特高壓輸電線路合閘空載過電壓的限制措施，對使用合閘電阻和金屬氧化物避雷器的線路建立了模型，通過仿真結果可以清晰地看到使用這些措施后過電壓的準確數值，方便比較這2種措施對輸電線路空載合閘過電壓的抑制效果。從仿真分析結果可以得出：在線路中安裝合閘電阻可以有效地抑制過電壓，合閘電阻的級數越高抑制效果越好，但出于經濟性和可行性方面的考慮，使用二級合閘電阻是最好的選擇。金屬氧化物避雷器對于限制合閘過電壓有較好的效果，對于其他過電壓也有不錯的抑制作用。

參 考 文 獻

[1]舒印彪，劉澤洪，袁駿.2010年國家電網公司特高壓輸電論證工作綜述[J].電網技術，2010，30（5）：1-12.

[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，2011，29（12）：1-9.

[3]舒印彪.1 000 kV交流特高壓輸電技術的研究與應用[J].電網技術，2008，29（19）：1-6.

[4]張海，徐玉琴，白嘉，等.10 kV配電網中性點靈活接地方式在單相金屬性接地故障下ATP仿真及其研究[J].繼電器，2006，7（34）：18-23.

[5]趙智大.高電壓技術[M].北京：中國電力出版社，2006：234-251.

[6]陳思浩.1 000 kV輸電線路操作過電壓的研究[D].長沙：湖南大學，2007.

[責任編輯：鐘聲賢]