特高壓輸電線過(guò)電壓及抑制保護(hù)控制

河北臨漳供電公司 楊志剛

特高壓輸電線過(guò)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(shè)備絕緣強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，而且還直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否安全可靠的運(yùn)行。本文對(duì)特高壓輸電線路的工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓進(jìn)行了產(chǎn)生原因進(jìn)行了理論分析，并給出了一些限制過(guò)電壓可能采取的措施。

一、過(guò)電壓的概念及分類

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

(一)外部過(guò)電壓

外部過(guò)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(guò)電壓或雷電過(guò)電壓。顯然，外部過(guò)電壓是由大氣環(huán)境造成的，具有明顯的不可預(yù)知性。一般可利用避雷針、避雷線和避雷器來(lái)限制電力系統(tǒng)雷電過(guò)電壓。

(一)內(nèi)部過(guò)電壓

內(nèi)部過(guò)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(zhuǎn)化或傳遞而造成的電壓升高。內(nèi)部過(guò)電壓是指由于電力系統(tǒng)故障或開(kāi)關(guān)操作而引起電網(wǎng)中電磁能量的轉(zhuǎn)，從而造成瞬時(shí)或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的高于電網(wǎng)額定允許電壓并對(duì)電氣裝置可能造成威脅的電升高。內(nèi)部過(guò)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(shí)過(guò)電壓和操作過(guò)壓兩大類。

1.操作過(guò)電壓

在故障或操作時(shí)，瞬時(shí)發(fā)生的過(guò)渡過(guò)程過(guò)電壓稱為操作過(guò)電壓，其持續(xù)時(shí)一般在幾十毫秒之內(nèi)。在暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束以后出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小

2.暫時(shí)過(guò)電壓

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

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

二、工頻過(guò)電壓及限制措施

工頻過(guò)電壓的大小不僅直接影響操作過(guò)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(shè)備及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。特高壓系統(tǒng)的工頻過(guò)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(yuǎn)，線路的充電功率更大。

(一)工頻過(guò)電壓產(chǎn)生的原因

工頻過(guò)電壓產(chǎn)生的原因包括空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)，不對(duì)稱接地故障引起的正常相電壓的升高，甩負(fù)荷等，它與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)及運(yùn)行方式有關(guān)，其頻率等于或接近于工頻。

1.空載線路的電容效應(yīng)

如果輸電線路突然從負(fù)荷側(cè)斷開(kāi)，那么線路就進(jìn)入了開(kāi)路狀態(tài)。此時(shí)線路上，特別是其末端上，會(huì)出現(xiàn)較高的電壓升高；在系統(tǒng)并車前，先從電源側(cè)投入線路時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致同樣的情況，這些過(guò)電壓就是由空載線路的電容效應(yīng)引起的。

2.不對(duì)稱短路

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

3.線路甩負(fù)荷效應(yīng)

當(dāng)輸電線路重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于某種原因線路末端斷路器突然跳閘甩掉負(fù)荷，也是造成工頻電壓升高的原因之一，通常稱為甩負(fù)荷效應(yīng)。此時(shí)，影響工頻過(guò)電壓的因素主要有四個(gè)：①甩負(fù)荷前線路輸送的潮流，特別是向線路輸送無(wú)功潮流的大小，它決定了電源電動(dòng)勢(shì)E的大小。一般來(lái)講，甩負(fù)荷前，若線路上輸送相當(dāng)大的有功及感性無(wú)功功率，電源電勢(shì)必然高于母線電壓。甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)的磁鏈不能突變，可簡(jiǎn)單認(rèn)為電源暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)在短暫時(shí)間內(nèi)維持原來(lái)數(shù)值，向線路輸送功率越大，電源的暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)也越高，計(jì)算工頻電壓所用等值電勢(shì)越大，工頻過(guò)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(guò)電壓也就越高；③線路長(zhǎng)度，線路越長(zhǎng)，充電的容性無(wú)功就越大，工頻過(guò)電壓就越高；④發(fā)電機(jī)組調(diào)速器和制動(dòng)設(shè)備的惰性，甩負(fù)荷后其不能立即起到應(yīng)有的調(diào)速效果，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，電動(dòng)勢(shì)及頻率上升，從而使空載線路的工頻過(guò)電壓更為嚴(yán)重。

(二)降低工頻過(guò)電壓的措施

在特高壓輸電系統(tǒng)中，由空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)、不對(duì)稱短路故障和甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓是很高的。因此為了降低特高壓電氣設(shè)備的絕緣水平，必須降低工頻過(guò)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(bǔ)償線路的對(duì)地電容，減小流經(jīng)線路的容性電流，消弱電容效應(yīng)，所以采用并聯(lián)高壓電抗器是限制特高壓輸電線工頻過(guò)電壓的最主要手段。適當(dāng)?shù)倪x擇電抗器的容量和安裝位置則可將工頻過(guò)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(wú)功平衡，潛供電流補(bǔ)償?shù)确矫娴膯?wèn)題，因此必須綜合考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，參數(shù)，可能出現(xiàn)的運(yùn)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(bǔ)償度和安裝位置。

當(dāng)工頻電壓升高超過(guò)一定值時(shí)，可在線路上安裝并聯(lián)電抗器來(lái)補(bǔ)償線路的對(duì)地電容，消弱線路的電容效應(yīng)，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(zhǎng)線80%一90%左右的高抗補(bǔ)償度，可能給正常運(yùn)行時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償和電壓控制造成相當(dāng)大的問(wèn)題，甚至影響到輸送能力。解決此問(wèn)題比較好的方法就是使用可控或可調(diào)節(jié)高抗:重載時(shí)運(yùn)行在低補(bǔ)償度，這樣由電源向線路輸送的無(wú)功減少，使電源的電動(dòng)勢(shì)不至于太高，還有利于無(wú)功平衡和提高輸送能力，當(dāng)出現(xiàn)工頻過(guò)電壓時(shí)，快速控制到高補(bǔ)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(shí)高幅值工頻過(guò)電壓成為可能，但這會(huì)對(duì)MOA能量提出很高要求，在中國(guó)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(guò)電壓的主要手段，僅在特殊情況下考慮采用。

4.繼電保護(hù)

還可采用繼電保護(hù)方案縮短工頻過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間，改變保護(hù)的操作方式，使用良導(dǎo)體架空地線或光纖復(fù)合架空地線等措施來(lái)降低工頻過(guò)電壓。

三、操作過(guò)電壓及限制措施

操作過(guò)電壓是特高壓電網(wǎng)絕緣水平的決定性因素。當(dāng)開(kāi)關(guān)操作或事故狀態(tài)引起系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)中各儲(chǔ)能元件之間的電磁能量相互轉(zhuǎn)換就會(huì)產(chǎn)生操作過(guò)電壓。與工頻過(guò)電壓相比，操作過(guò)電壓具有幅值高，存在高頻振蕩，強(qiáng)阻尼及持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。由于操作過(guò)電壓與系統(tǒng)的額定電壓有關(guān)，所以特高壓輸電系統(tǒng)中的操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}就更為突出。在特高壓系統(tǒng)中常見(jiàn)的操作過(guò)電壓有以下幾種:切除空載線路過(guò)電壓(即跳閘過(guò)電壓)，合閘空載線路過(guò)電壓(即合閘過(guò)電壓)和接地短路過(guò)電壓等。下面介紹幾個(gè)操作過(guò)電壓的產(chǎn)生及各自的限制措施：

1.跳閘過(guò)電壓

切除空載線路是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的操作之一，產(chǎn)生過(guò)電壓的原因是斷路器跳閘的過(guò)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(kāi)關(guān)卻不一定能夠不重燃的切斷空載線路。這是因?yàn)樵谔l初期，由于斷路器，特別是油斷路器，觸頭間恢復(fù)電壓的上升速度有可能超過(guò)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)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(guò)電壓。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，斷路器的滅弧能力越差，電弧重燃的幾率就越大，過(guò)電壓的幅值也就越高。

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

對(duì)于跳閘過(guò)電壓，避免斷路器觸頭發(fā)生重燃是限制跳閘過(guò)電壓的根本措施。因此，改善斷路器的結(jié)構(gòu)，提高觸頭間介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度和滅弧能力可有效限制跳閘過(guò)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(lái)限制跳閘空載線路過(guò)電壓。

2.合閘過(guò)電壓

合閘于空載線路是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種操作，通?？煞譃閮煞N情況:一種是正常有計(jì)劃的合閘，如線路檢修后投入運(yùn)行，根據(jù)調(diào)度需要對(duì)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(diǎn)電壓由零值過(guò)渡到考慮電容效應(yīng)后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值，在此過(guò)渡過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)合閘過(guò)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(wú)限多個(gè)逐漸衰減的諧波分量疊加組成。另一種合閘操作是運(yùn)行線路發(fā)生單相接地故障，由繼電保護(hù)系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)一短促時(shí)間再合閘，即自動(dòng)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(guò)電壓得到了有效的抑制，于是合閘空載線路過(guò)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(guò)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(guò)電壓的措施很多，首先是限制工頻電壓的升高，可以通過(guò)在線路上并聯(lián)電抗器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于雙端電源供電的輸電線路，讓電源容量較大的一側(cè)先進(jìn)行合閘操作，電源容量較小的一側(cè)后進(jìn)行合閘操作也可有效地降低工頻過(guò)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(guò)電壓的有效手段。

四、結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,電力需求急劇增長(zhǎng)。為了滿足大容量長(zhǎng)距離輸電和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的需要,同時(shí)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,我國(guó)必須加強(qiáng)骨干網(wǎng)架的建設(shè)。加強(qiáng)骨干網(wǎng)架經(jīng)濟(jì)而有效的途徑是建設(shè)特高壓輸電線。特高壓輸電可以加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高輸電線路輸送能力，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，但一旦發(fā)生過(guò)電壓而造成絕緣的損壞時(shí)，其經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的。因此進(jìn)行相關(guān)研究是完全必要的。在特高壓研究中,過(guò)電壓的研究是其它研究課題的前提和基礎(chǔ),是能否采用特高壓輸電的關(guān)鍵之一。它不僅影響到變壓器、斷路器、輸電線等電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度的設(shè)計(jì),而且還直接關(guān)系到電力系統(tǒng)是否能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)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(shí)間等因素直接相關(guān)，因此通過(guò)特高壓輸電線繼電保護(hù)、重合閘的配置與相關(guān)自動(dòng)裝置的動(dòng)作配合來(lái)限制過(guò)電壓是可行的。