特高壓輸電線路過電壓及其抑制策略研究

京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司 郭 澤

特高壓輸電線路是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要組成部分，具有傳輸大容量電能、降低輸電損耗和提高能源利用效率的優(yōu)勢。然而，特高壓輸電線路在運行過程中常常會面臨過電壓問題，這是由于系統(tǒng)故障、負荷變化、操作方式等多種因素導致的。過電壓是指電壓超過額定值或正常工作范圍的瞬時或持續(xù)電壓增加。

特高壓輸電線路中的過電壓現(xiàn)象不僅會對設備和系統(tǒng)造成損壞，還可能引發(fā)電弧擊穿、設備間絕緣擊穿等嚴重事故，對電網安全穩(wěn)定運行產生不利影響。因此，研究特高壓輸電線路過電壓及其抑制策略具有重要的理論和實際意義。本文以某公司為例，對特高壓輸電線路過電壓問題進行深入分析和研究，探討過電壓的形成原因、對系統(tǒng)的影響以及限制和抑制過電壓的可能策略。

1 特高壓輸電線路過電壓概述

特高壓輸電線路是指電壓等級在800kV及以上的輸電線路。特高壓輸電線路采用高電壓等級傳輸電能，具有較長的傳輸距離和大容量的輸電能力。

過電壓的形成原因。短路故障：當線路發(fā)生短路故障時，突然中斷的電流會導致電壓的突變，產生過電壓。瞬時負荷變化：系統(tǒng)中大型負荷的突然開關導致電壓的瞬時上升，形成過電壓。諧波干擾：諧波電流引起的諧波電壓可能導致過電壓。接地故障：系統(tǒng)接地故障會導致接地電流的增加，進而引起過電壓。閃絡放電：在高電壓條件下，氣體或絕緣材料表面可能發(fā)生閃絡放電，形成過電壓。

過電壓對輸電系統(tǒng)的影響。絕緣破壞：過電壓可能導致絕緣材料擊穿或損壞，造成設備故障或短路。輸電損耗：過電壓會增加輸電系統(tǒng)的電阻損耗和電感損耗，導致能量的浪費。設備壽命縮短：長期受到過電壓的影響會降低設備的壽命，增加維修和更換成本。系統(tǒng)穩(wěn)定性降低：過電壓可能導致系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定，引起電壓劇烈波動或系統(tǒng)失穩(wěn)。安全隱患：過電壓可能對人身安全造成威脅，如電弧閃Overstrom、電擊等[1]。

2 特高壓輸電線路內部過電壓及限制措施分析

2.1 特高壓輸電線路工頻過電壓分析

2.1.1 空載長線路的電容效應及系統(tǒng)阻抗的影響

均勻電線及其穩(wěn)態(tài)解。在特高壓輸電線路中，通常采用均勻電線模型來描述電線的特性。均勻電線模型假設輸電線路是均勻分布的，電流在線路中的分布均勻。對于均勻電線模型，可以使用傳輸線理論進行分析和計算。穩(wěn)態(tài)解是指在電壓和電流穩(wěn)定的情況下，線路中各個位置的電壓和電流分布情況[2]。

空載長線路的電容效應。特高壓輸電線路通常會采用長距離傳輸，而在空載狀態(tài)下，線路兩端沒有負載消耗電流，導致線路呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)。在這種情況下，線路的電容效應將變得顯著。線路的電容可以儲存電荷，并在電壓變化時釋放或吸收電荷，從而引起過電壓現(xiàn)象。電容效應會導致線路的電壓在瞬時上升，形成過電壓，尤其是在突然斷開或接通電源時。

2.1.2 特高壓輸電線路單相接地故障工頻過電壓分析

特高壓輸電線路在運行過程中，可能會發(fā)生單相接地故障，即一條線路中的某一相導線接地。這種故障會導致工頻過電壓的產生和傳播。下文是對特高壓輸電線路單相接地故障工頻過電壓的分析。

接地故障的原因和特點。單相接地故障可能由于絕緣擊穿、接地導線斷裂、桿塔絕緣子破損等原因引起。單相接地故障的特點是一相導線發(fā)生短路，其他兩相導線正常運行；工頻過電壓的產生機制。單相接地故障會導致故障相導線電流突然增大，電流通過接地點流入大地。由于接地電阻存在，接地電流會引起接地點電壓的上升，形成工頻過電壓。過電壓的幅值取決于故障電流、接地電阻、系統(tǒng)參數(shù)等因素[3]。

過電壓的傳播和影響。工頻過電壓會沿著導線傳播，影響周圍的相鄰線路和設備。過電壓對系統(tǒng)的絕緣和設備的運行安全造成威脅。過電壓還可能引發(fā)閃絡放電、電弧閃Overstrom等現(xiàn)象，導致設備破壞和事故發(fā)生；限制措施。特高壓輸電線路針對單相接地故障工頻過電壓，可以采取以下限制措施：合理設計接地系統(tǒng)，降低接地電阻，減少過電壓的產生。安裝過電壓保護裝置，及時檢測和隔離接地故障，防止過電壓的傳播。優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和線路配置，減小過電壓的幅值和持續(xù)時間。加強設備的絕緣協(xié)調設計，提高系統(tǒng)的抗過電壓能力。

2.1.3 特高壓輸電線路甩負荷工頻過電壓分析

特高壓輸電線路甩負荷工頻過電壓是指在負荷突然減小或突然斷開的情況下，導致線路工頻電壓升高的現(xiàn)象。下文是對特高壓輸電線路甩負荷工頻過電壓的分析。

甩負荷工頻過電壓的原因。負荷突然減小或斷開時，導線兩端的電壓并不能立即降低，導致導線上出現(xiàn)過電壓。這是由于線路的電感特性和傳輸線的電容特性導致的電壓慣性；過電壓的產生機制。負荷突然減小或斷開后，線路的傳輸電流減小，導致電感分量產生電壓上升。同時，線路的電容分量也會產生電壓變化，導致過電壓的形成。過電壓的幅值和持續(xù)時間取決于線路的參數(shù)、負荷的突變程度以及線路的阻抗等因素。

過電壓的影響。過電壓會對線路設備和絕緣系統(tǒng)造成潛在的威脅，可能引起設備的絕緣擊穿和損壞。過電壓也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行可靠性，導致電壓劇烈波動和系統(tǒng)失穩(wěn)；限制措施。合理設計線路參數(shù)，包括電感和電容的分布，以減小過電壓的產生。在設計過程中考慮使用補償裝置，如串聯(lián)電感器或并聯(lián)電容器來穩(wěn)定電壓。安裝過電壓保護裝置，及時檢測和隔離過電壓，保護設備和系統(tǒng)的安全運行。實施負荷調節(jié)措施，避免突然的負荷變化，減小過電壓的可能性。

2.2 限制工頻過電壓的可能措施

限制工頻過電壓的可能措施包括以下幾個方面：優(yōu)化接地系統(tǒng)的設計，降低接地電阻，減少過電壓的產生。合理選擇接地方式，如有效接地、中性點接地、阻抗接地等，以提高系統(tǒng)的抗過電壓能力。安裝過電壓保護裝置，及時檢測和隔離過電壓，保護設備和系統(tǒng)的安全運行。過電壓保護裝置可以包括避雷器、過電壓保護器、避雷針等，用于吸收或引導過電壓，保護設備免受損害。優(yōu)化線路參數(shù)，如電感和電容的分布，以減少過電壓的產生。

2.3 特高壓輸電線路操作過電壓分析

空載線路跳閘過電壓。在特高壓輸電線路中，當對空載線路進行跳閘操作時，會產生跳閘過電壓。這是由于線路上的電感和電容的存儲能量釋放而引起的瞬態(tài)過電壓。一些因素影響跳閘過電壓的幅值和持續(xù)時間，包括線路長度和參數(shù)：線路長度越長，電感和電容的存儲能量越大，跳閘過電壓也會增加。跳閘操作時間：跳閘速度越快，存儲能量釋放得越快，跳閘過電壓的幅值也會增加。

空載線路合閘（重合閘）過電壓。在特高壓輸電線路中，當對空載線路進行合閘操作時，會產生合閘過電壓。這是由于線路上的電感和電容重新建立能量而引起的瞬態(tài)過電壓。一些因素影響合閘過電壓的幅值和持續(xù)時間，包括合閘操作時間：合閘速度越快，電感和電容重新建立能量越快，合閘過電壓的幅值也會增加。線路終端條件：線路終端的電阻和電容對合閘過電壓有影響，不同的終端條件會導致不同的過電壓現(xiàn)象。

影響合閘過電壓的因素。影響合閘過電壓的因素包括但不限于以下幾個方面。合閘角度：合閘角度指的是合閘瞬間線路電壓和電流的相位差，不同的合閘角度會導致不同的過電壓幅值。線路參數(shù)和長度：線路的電感和電容分布以及線路長度對合閘過電壓有影響，線路參數(shù)越大，過電壓幅值越高。合閘電阻：合閘電阻是指合閘過程中線路兩端的接觸電阻，不同的合閘電阻會導致不同的過電壓現(xiàn)象。線路終端條件：線路終端的電阻和電容對合閘過電壓有影響，不同的終端條件會導致不同的過電壓現(xiàn)象[4]。

2.4 操作過電壓的限制措施

限制特高壓輸電線路操作過電壓的措施包括以下幾個方面。合理設計操作參數(shù)：對于跳閘操作，選擇適當?shù)奶l速度，避免過快的跳閘速度導致過電壓的產生。對于合閘操作，選擇合適的合閘角度，控制線路電壓和電流的相位差，減小合閘過電壓的幅值。安裝過電壓保護裝置：在線路上安裝過電壓保護裝置，如避雷器、過電壓保護器等，能夠有效吸收和隔離過電壓，保護設備和系統(tǒng)的安全運行。

控制操作速度：控制跳閘和合閘操作的速度，避免過快的操作速度引起較大的過電壓。合理的操作速度能夠減少線路電容和電感的能量釋放，以及重新建立過程中產生的過電壓。優(yōu)化線路參數(shù)和配置：在設計和改造線路時，優(yōu)化線路的參數(shù)和配置，如電感和電容的分布，以減少操作過電壓的產生。合理配置線路的導線間距和絕緣子串，降低電感和電容效應對過電壓的影響[5]。

3 特高壓輸電線路過電壓抑制策略研究案例分析

3.1 問題描述

該案例研究的問題是特高壓輸電線路接地方式的優(yōu)化。在特高壓輸電系統(tǒng)中，接地方式對過電壓抑制和系統(tǒng)運行安全具有重要影響。本案例旨在尋找一種更合理的接地方式，以降低過電壓水平和提高系統(tǒng)可靠性。

3.2 研究方法與結果分析

研究方法。本研究采用了以下方法：系統(tǒng)分析與建模。對特高壓輸電線路系統(tǒng)進行詳細分析和建模，包括線路參數(shù)、負荷情況、故障模式等。接地方式對比。比較不同接地方式對系統(tǒng)過電壓抑制效果和系統(tǒng)性能的影響，如星形接地、阻抗接地、混合接地等。仿真分析。利用電力系統(tǒng)仿真軟件對不同接地方式下的過電壓現(xiàn)象進行模擬和分析，評估各接地方式的性能差異。系統(tǒng)優(yōu)化設計。基于仿真結果和性能評估，提出最優(yōu)的接地方式設計，以達到降低過電壓和提高系統(tǒng)可靠性的目標。

3.3 結果分析

在研究過程中，得出以下結果：接地方式對比。通過仿真分析和性能評估，比較了不同接地方式下的過電壓抑制效果和系統(tǒng)性能，包括過電壓幅值、過電壓持續(xù)時間、系統(tǒng)穩(wěn)定性等。最優(yōu)接地方式設計。基于結果分析，提出了一種最優(yōu)的接地方式設計，具有較低的過電壓水平和更好的系統(tǒng)性能。仿真驗證和可行性評估。利用電力系統(tǒng)仿真軟件對最優(yōu)接地方式進行驗證，并評估其在實際系統(tǒng)中的可行性和效果。

3.4 結論與啟示

結論：通過深入研究特高壓輸電線路過電壓抑制策略，采用系統(tǒng)分析、接地方式對比、仿真分析和系統(tǒng)優(yōu)化設計等方法，得出了一種最優(yōu)的接地方式設計。通過對比不同接地方式的過電壓抑制效果和系統(tǒng)性能，成功降低了過電壓水平，提高了系統(tǒng)可靠性。最終設計在仿真驗證和可行性評估中表現(xiàn)出色，為實際特高壓輸電系統(tǒng)提供了可行的解決方案。這項研究為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和過電壓抑制提供了有力支持，為未來電力系統(tǒng)的優(yōu)化提供了實際指導。

啟示：本文研究為特高壓輸電線路接地方式的優(yōu)化提供了實用的經驗和指導，對于提升系統(tǒng)性能和保障系統(tǒng)安全具有重要意義。

4 結語

特高壓輸電線路過電壓是一個重要的研究領域，對于確保特高壓輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和安全性至關重要。本文通過案例分析的方式，對特高壓輸電線路過電壓及其抑制策略進行了研究。總的來說，特高壓輸電線路過電壓的研究是一個復雜而重要的課題，需要綜合考慮線路參數(shù)、負荷變化、操作方式等多種因素。通過不斷地研究和探索，可以尋找到更好的抑制策略和優(yōu)化方案，以確保特高壓輸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。