輸電線路不同操作過電壓限制技術(shù)研究

王振宇，蘇詠梅，易善明

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450121；2.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450018）

輸電線路不同操作過電壓限制技術(shù)研究

王振宇1，蘇詠梅1，易善明2

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450121；2.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450018）

對用于輸電線路操作過電壓限制的多種不同方法分別進(jìn)行了分析和比較研究，對包含合閘電阻、避雷器、相控開關(guān)方法等都進(jìn)行了仿真和分析，對同時(shí)應(yīng)用多種限制方法的情況也進(jìn)行了研究，本文的仿真分析基于一條實(shí)際運(yùn)行的500 kV輸電線路，通過研究發(fā)現(xiàn)，在斷路器中加裝合閘電阻是限制操作過電壓時(shí)最為有效的方法，實(shí)際工程中，由于合閘電阻加裝成本和故障率較高，其應(yīng)用受到一定限制。本文的研究結(jié)果將有助于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中正確運(yùn)用操作過電壓限制技術(shù)。

操作過電壓；絕緣配合；合閘電阻；避雷器；相控開關(guān)

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)基本組成原件之一，在輸電線路設(shè)計(jì)過程中，需要考慮許多因素以保證電力系統(tǒng)可靠的同時(shí)也具有較高經(jīng)濟(jì)性，在這些眾多因素中非常重要的一項(xiàng)就是輸電線路過電壓防御問題，過電壓為電力系統(tǒng)絕緣耐受等級(jí)帶來了較大挑戰(zhàn)，從而間接影響著電力系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

過電壓主要有內(nèi)部過電壓和外部過電壓之分，內(nèi)部過電壓由系統(tǒng)開關(guān)動(dòng)作造成，外部過電壓主要由雷擊引發(fā)，隨著電力系統(tǒng)標(biāo)稱電壓等級(jí)的不斷提高，由開關(guān)動(dòng)作造成的內(nèi)部過電壓逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，因此當(dāng)系統(tǒng)電壓等級(jí)超過300 kV時(shí)將操作過電壓作為設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)絕緣等級(jí)的主要參考因素[1-2]。

1 研究背景及意義

當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，輸電線路會(huì)被繼電保護(hù)動(dòng)作切斷，之后自動(dòng)重合閘系統(tǒng)動(dòng)作并將輸電線重新接入投運(yùn)，上述自動(dòng)投切過程會(huì)產(chǎn)生具有極高峰值和頻率的暫態(tài)過電壓，這些過電壓波便會(huì)危害電力系統(tǒng)絕緣，因此在輸電線路設(shè)計(jì)階段就必須考慮到過電壓問題并且做好分析評(píng)估工作。通常研究者使用EMTP軟件進(jìn)行輸電線路暫態(tài)分析計(jì)算從而求取操作過電壓參數(shù)[3-4]。

研究人員獲得過電壓幅值之后便將其與絕緣子操作沖擊耐受水平相比較，如果過電壓幅值高于操作沖擊耐受水平，就需要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施以限制過電壓峰值。目前用于限制過電壓的技術(shù)中較為有效且應(yīng)用較多的有以下幾種：應(yīng)用預(yù)接入電阻、使用避雷器、使用相控開關(guān)[2]。

工程上通常在線路斷路器中接入一個(gè)電阻以限制操作過電壓峰值。雖然應(yīng)用接入限制電阻的方法可以顯著限制過電壓幅值，但是由于其故障率較高且超過可接受范圍，因此電力設(shè)備制造廠家和電網(wǎng)企業(yè)并不推薦這種方法[5-8]。

在避雷器的應(yīng)用方面，工程上通常在線路兩端安裝避雷器，同時(shí)也會(huì)在線路上適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b一到兩個(gè)避雷器用以限制操作過電壓，從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，這種方法對過電壓幅值的限制作用比較明顯[9-11]。

另一個(gè)較為有效的操作過電壓限制方法是線控開關(guān)控制或者點(diǎn)-波切換控制。這種方法可以有效降低過電壓幅值，并且近年來其受關(guān)注度逐漸提高[12-15]。

2 操作過電壓理論基礎(chǔ)及限制措施

2.1 操作過電壓

一般來說，當(dāng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突然改變時(shí)，例如輸電線路或者電力設(shè)備從系統(tǒng)中切除，這種暫態(tài)現(xiàn)象會(huì)在隨后產(chǎn)生暫態(tài)電壓波。這些電壓波的沖擊周期大概在微秒等級(jí)上，它們會(huì)產(chǎn)生頻率為50 Hz～20 kHz以及快阻尼的暫態(tài)過電壓波，操作過電壓的波形一般以諸如振蕩以及其他周期性重復(fù)的形式出現(xiàn)，過電壓產(chǎn)生的原因各異，例如：切除容性回路、分離感性負(fù)載、投切輸電線路、移除短路回路、輸電線路自動(dòng)重合閘動(dòng)作等等。筆者對快速重合閘動(dòng)作所產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行了分析。

當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，線路斷路器會(huì)第一時(shí)間將故障線路從電網(wǎng)中切除，隨后自動(dòng)重合閘系統(tǒng)向斷路器發(fā)出合閘指令，從而將輸電線路重新投運(yùn)至電網(wǎng)中，該自動(dòng)重合閘過程會(huì)造成具有極高幅值和頻率的暫態(tài)過電壓，并有可能擊穿線路絕緣子。因此，如果操作過電壓幅值超過線路操作沖擊耐受水平，工程中就需要采取別的方法避免系統(tǒng)絕緣被擊穿。

2.2 操作過電壓限制措施

近幾年的研究中介紹了各種各樣用以限制操作過電壓的方法，其中最有效的方法包括：接入預(yù)置電阻或合閘電阻、使用避雷器以及相控開關(guān)。本文從下面3個(gè)方面分別介紹這幾種方法。

2.2.1 接入預(yù)置電阻

特高壓輸電線路斷路器的正常自動(dòng)重合閘動(dòng)作會(huì)在系統(tǒng)中引發(fā)高幅值暫態(tài)過電壓，因此輸電線路斷路器中常常會(huì)安裝上預(yù)置電阻，如果該電阻用于限制合閘操作過程中產(chǎn)生的過電壓，則將其稱為合閘電阻。

如圖1所示是合閘電阻的安裝和運(yùn)行方式，不管自動(dòng)重合閘系統(tǒng)何時(shí)發(fā)出合閘指令，輸電線路都將通過一個(gè)串聯(lián)電阻接入電網(wǎng)，合閘電阻與主接頭并聯(lián)，在接到合閘指令8～12 ms之后主接頭閉合。回路中接入了限制電阻之后，由于電阻電壓降以及線路殘余電荷的放電作用，由自動(dòng)重合閘引起的過電壓幅值被削弱了很多，因此，合閘電阻或預(yù)置電阻的使用可以較好地限制操作過電壓，然而與此同時(shí)在斷路器中安裝了合閘電阻之后，不僅增加了其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，而且使斷路器成本和故障率上升。

圖1 斷路器加裝合閘電阻Fig.1 Circuit breaker installing closing resistor

2.2.2 避雷器的使用

避雷器用于防御暫態(tài)過電壓的襲擊，它們可以削弱操作波和雷電波的幅值，避雷器通常與受保護(hù)設(shè)備并聯(lián)安裝。或者是安裝在輸電線路相對地之間，工作原理是在正常工作電壓下保持高阻抗，在過電壓作用時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩梗?dāng)暫態(tài)過電壓到來時(shí)，避雷器將其削弱或者導(dǎo)入地面。

實(shí)際工程中，通常將避雷器分別安裝在輸電線路送電和受電側(cè)，同時(shí)建議在如圖2所示輸電線路的合適位置上加裝一到兩個(gè)避雷器，從而限制了過電壓并且沿線過電壓分布變得更為均勻。

圖2 沿線安裝避雷器Fig.2 Installation of intermediate arresters along the line

2.2.3 相控開關(guān)

電力系統(tǒng)中所使用的斷路器在動(dòng)作時(shí)通常是不考慮動(dòng)作電流和電壓波形的，故而有時(shí)斷路器動(dòng)作會(huì)造成暫態(tài)過電流以及過電壓，開關(guān)動(dòng)作引發(fā)的暫態(tài)震蕩按照特高壓電力系統(tǒng)中不同設(shè)備的電氣絕緣和機(jī)械耐受強(qiáng)度的不同，會(huì)在設(shè)備中造成累積或沖擊損傷。

相控或點(diǎn)-波控制開關(guān)技術(shù)的存在就是為了防御危險(xiǎn)過電壓。它按照時(shí)間控制的方法來執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，當(dāng)開斷或關(guān)合指令發(fā)送給斷路器之后，斷路器觸頭的分離與接合通常會(huì)有一定時(shí)延，因此，在實(shí)際開關(guān)動(dòng)作中，斷路器能夠按照預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)和相位進(jìn)行開斷或關(guān)合動(dòng)作。

電力系統(tǒng)中的許多故障是暫時(shí)且可以自動(dòng)消除的，因此實(shí)際工程上，常用自動(dòng)重合閘斷路器，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，自動(dòng)重合閘斷路器會(huì)動(dòng)作一到兩次直到確認(rèn)短路故障的排除，斷路器動(dòng)作之后，如果故障仍然存在，斷路器會(huì)保持開斷狀態(tài)。輸電線路運(yùn)行時(shí)，突發(fā)性的斷線和掉線是線路兩端產(chǎn)生殘余電荷的主要因素，并且在斷路器觸頭接合的瞬間，殘余電荷會(huì)引發(fā)超過標(biāo)稱電壓兩倍的過電壓，如此一來有可能在線路絕緣子上進(jìn)一步引起峰值高達(dá)標(biāo)稱電壓值3倍的暫態(tài)過電壓[2]。

輸電線路切運(yùn)行之后，殘余電荷通過線路絕緣子逐漸放電，0.1～0.5 s之后線路可以完成放電，與此同時(shí)殘余電荷放電是限制暫態(tài)過電壓的一種簡單高效的方法，根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果，利用感應(yīng)變壓器有助于殘余電荷的釋放，因此使用感應(yīng)變壓器可以限制系統(tǒng)過電壓，但是由于成本較高，感應(yīng)變壓器不適用于超特高壓輸電線路。

當(dāng)斷路器兩觸頭之間的電位差最小時(shí)，斷路器最容易接合，由此可推知斷路器開關(guān)動(dòng)作的最佳時(shí)間是系統(tǒng)電壓過零點(diǎn)[12]。與此在電壓波的許多不同點(diǎn)都可以進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，具體位置只要不是電壓波周期中的峰值點(diǎn)，任意正半波和負(fù)半波都可以進(jìn)行開關(guān)操作，雖然在正半波或負(fù)半波進(jìn)行開關(guān)操作似乎對過電壓峰值的影響不大，但是根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果顯示正負(fù)半波過電壓峰值完全不同。

工程中有些時(shí)候需要統(tǒng)一過電壓幅值以確定絕緣配合裕度，因此利用式（1）同時(shí)考慮正負(fù)半波過零點(diǎn)并計(jì)算過電壓值，這種方法也是現(xiàn)代繼電器的工作原理[14]：

式中，U0為過電壓統(tǒng)計(jì)值，根據(jù)式（1）所示，過電壓預(yù)測峰值低于過電壓統(tǒng)計(jì)值U0的98%。其中積分上限參數(shù)λ1和λ2使用如下兩個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算：

假設(shè)過電壓為隨機(jī)變量，η和σ分別為變量偏差平均值和標(biāo)準(zhǔn)值，變量下標(biāo)1和2分別代表正半波和負(fù)半波過零點(diǎn)位置，本文利用MATLAB軟件數(shù)值積分方法求解式（1）。

文獻(xiàn)[13]利用均勻分布和高斯分布函數(shù)描述斷路器關(guān)合時(shí)間點(diǎn)，下圖3和圖4分別是均勻分布和高斯分布函數(shù)圖像，由圖3所示，均勻分布圖像所覆蓋的范圍長度等于

圖3 均勻分布函數(shù)覆蓋范圍Fig.3 Covered area in the uniform distribution

圖4 高斯分布函數(shù)覆蓋范圍Fig.4 Covered area in the Gaussian distribution

由圖4所示，高斯分布所覆蓋的范圍在數(shù)值上是無限的，但是實(shí)際上面積域超過±3σ可以直接忽略不計(jì)，因此，此處可以假設(shè)高斯分布的覆蓋范圍為6σ。

文獻(xiàn)[9]對K值取11.13時(shí)，上述條件應(yīng)用于聚合物表面沖擊閃絡(luò)電壓的分析做了驗(yàn)證。筆者選用相同的電離系數(shù)以及參數(shù)K來研究直流閃絡(luò)電壓特性。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

在這部分中，筆者使用EMTP軟件對各種不同情況進(jìn)行了仿真分析，并且選取一條長度為463 km的500 kV輸電線路為例，斷路器位于線路的一側(cè)，為了獲得沿線過電壓分布，將這條線路分為10段，每段長度46.3 km，實(shí)際計(jì)算時(shí)，選用時(shí)域JMARTI模型精確計(jì)算每段線路的過電壓數(shù)值，斷路器所連接的一端同樣適用JMARTI模型。該系統(tǒng)的剩余部分利用戴維南等效模型建模，如圖5所示。

圖5 EMTP系統(tǒng)仿真圖Fig.5 Basic diagram of the simulated system using EMTP

3.1 無過電壓限制技術(shù)

這部分主要探討無過電壓保護(hù)措施時(shí)的情況，過電壓分布情況見圖6，圖中每一點(diǎn)的數(shù)值代表斷路器動(dòng)作100次之后的過電壓統(tǒng)計(jì)數(shù)值，過電壓峰值最大值為標(biāo)幺值2.723倍，出現(xiàn)在距離電路器185.2 km的位置上。

圖6 例1操作過電壓分布圖Fig.6 Switching overvoltages profile for case 1

3.2 接入預(yù)置電阻

在2.2.1小節(jié)的基礎(chǔ)之上，在斷路器中加入合閘電阻，一開始接入電阻值為100 Ω的合閘電阻，假設(shè)合閘電阻的接入時(shí)間為8 ms。之后換接入阻值為300 Ω的合閘電阻，如圖7所示為仿真計(jì)算結(jié)果，觀察圖標(biāo)可以看出，接入合閘電阻可以明顯削減操作過電壓的峰值，與此同時(shí)，提高合閘電阻的阻值之后，過電壓幅值下降的更為明顯。

3.3 安裝線路避雷器

在輸電線路的中段位置添加一個(gè)避雷器，但斷路器處取消合閘電阻。具體位置位于距離斷路器231.5 km處的線路中部。接下來分別在距離斷路器185.2 km和324.1 km處安裝2個(gè)避雷器進(jìn)行仿真。如圖8所示是將上述幾個(gè)例子的曲線放在同一副圖中比較分析，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，接入避雷器之后可以限制操作過電壓峰值，與此同時(shí)接入兩個(gè)避雷器之后，過電壓幅值下降程度更為明顯且過電壓分布情況更為均勻。

圖8 例3操作過電壓分布圖Fig.8 Switching overvoltages profile for case 3

3.4 使用相控開關(guān)

基于2.2.3小節(jié)關(guān)于相控開關(guān)的原理，針對不同使用情況進(jìn)行了仿真分析研究。

第一步使用均勻分布函數(shù)描述合閘動(dòng)作，仿真分別按照均勻分布覆蓋范圍86.6%和10%附近的過電壓峰值和電壓過零點(diǎn)進(jìn)行。圖9所示是仿真計(jì)算的結(jié)果，圖中的縮寫分別為如下意思：

86.6%CP和10%CP：隨機(jī)時(shí)間條件下100次斷路器開斷動(dòng)作，隨機(jī)時(shí)間分布范圍為電壓峰值信號(hào)點(diǎn)86.6%和10%位置周圍。

86.6%CZ和10%CZ：隨機(jī)時(shí)間條件下100次斷路器開斷動(dòng)作，隨機(jī)時(shí)間分布范圍為電壓過零信號(hào)點(diǎn)86.6%和10%位置周圍，本節(jié)選取負(fù)半波的過零點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖9 例4操作過電壓分布圖（第一步）Fig.9 Switching overvoltages profile for case 4 stage 1

根據(jù)圖9所示的結(jié)果過電壓削減程度最大的情況是10%CZ。之后選取高斯分布描述合閘操作時(shí)間，進(jìn)行與之前相同的仿真分析，結(jié)果如圖10所示，同樣在10%CZ的情況下過電壓削減程度最大。

第三步，由上文分析可知過電壓削減程度最大的是10%CZ的情況，接下來對正極性電壓過零點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖11所示，該圖中同時(shí)展示了負(fù)極性半波的仿真結(jié)果用于比較分析，此處下標(biāo)UD、GD、和R分別代表均勻分布、高斯分布和電壓過零點(diǎn)處的半波斜率（即正半波或負(fù)半波）

圖10 例4操作過電壓分布圖（第二步）Fig.10 Switching overvoltages profile for case 4 stage 2

圖11 例4操作過電壓分布圖（第三步）Fig.11 Switching overvoltages profile for case 4 stage 3

3.5 混合兩種過電壓限制技術(shù)

對不同情況下同時(shí)使用兩種過電壓限制技術(shù)的方法進(jìn)行仿真分析。

首先使用斷路器預(yù)置電阻和線路避雷器，預(yù)置電阻的阻值參數(shù)為300 Ω，避雷器位于輸電線路中段，距離斷路器231.5 km，之后使用相同的仿真方法對避雷器安裝在416.7 km的情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖12所示，對比圖12與圖7的結(jié)果可得過電壓抑制程度并沒有明顯變化，圖中R，MA和EA分別代表電阻、線路中部避雷器和線路終端避雷器。

圖12 例5操作過電壓分布圖（第一步）Fig.12 Switching overvoltages profile for case 5 stage 1

第二步是對同時(shí)使用避雷器和相控開關(guān)的情況進(jìn)行分析。首先本文對3.4小節(jié)介紹的10%CZ且避雷器位于線路中部的情況進(jìn)行了仿真分析，之后對避雷器放置于沿線185.2 km和324.1 km兩個(gè)位置的情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖13所示。將圖13結(jié)果與圖9-圖11結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)過電壓限制的變化并不明顯，不過過電壓的分布情況變得更為均勻，其中下標(biāo)R，CS，MA和EA分別代表合閘電阻、相控開關(guān)、線路中部避雷器和線路終端避雷器。

圖13 例5操作過電壓分布圖（第二步）Fig.13 Switching overvoltages profile for case 5 stage 2

3.6 混合3種過電壓限制技術(shù)

對4種不同情況分別進(jìn)行了研究，首先正常進(jìn)行開關(guān)操作而不施加任何過電壓限制手段，之后依次加入前節(jié)所述的3種過電壓限制手段，按照以下順序進(jìn)行：接入300 Ω的預(yù)置電阻，沿線185.2 km和324.1 km的位置接入避雷器，最后接入10%CZ相控開關(guān)，仿真分析過程分開進(jìn)行，并且由圖14的結(jié)果可以看出，上述3種方法均可有效限制過電壓幅值。

圖14 例6操作過電壓分布圖Fig.14 Switching overvoltages profile for case 6

4 結(jié)論

根據(jù)前節(jié)的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）長距離特高壓輸電線路操作過電壓幅值非常高，可達(dá)系統(tǒng)電壓標(biāo)幺值的2.73倍，并損壞線路絕緣子。

2）斷路器加裝預(yù)置電阻可以有效限制過電壓幅值并將操作過電壓幅值降低到系統(tǒng)電壓標(biāo)幺值的1.97倍，下降了29%。

3）使用避雷器可將過電壓幅值下降到系統(tǒng)標(biāo)幺電壓的2.35倍，下降了14%。

4）使用相控開關(guān)技術(shù)可以將過電壓限制到系統(tǒng)標(biāo)幺電壓值的2.27倍，下降了18%。

5）任意組合兩種過電壓限制技術(shù)，其限制效果并不明顯。

6）研究顯示：接入合閘電阻是限制操作過電壓最為有效的方法，但是鑒于合閘電阻成本較高且故障率偏高，實(shí)際工程中不建議使用這種方法。

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Study on Limitation Techniques for Different Switching Overvoltage of Transmission Line

WANG Zhenyu1，SU Yongmei1，YI Shanming2
（1.Zhengzhou Technical College，Zhengzhou 450121，China；2.State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China）

In this paper performance of several transmission line switching overvoltage limitation techniques are analyzed and compared with each other.Application of closing resistors，intermediate surge arresters and controlled switching methods are simulated and analyzed.The effects of simultaneous application of the mentioned techniques are also investigated.Simulations and analysis are based on a re?al 500 kV transmission line.According to the results of simulations，application of closing resistor has the most significant effect on the overvoltage，although，due to the reliability and economic constraints，this method is not applied any more.The results of this comprehensive study will be helpful for the utili?ties to properly select the suitable switching overvoltage limitation technique.

switching overvoltage；insulation coordination；closing resistor；surge arrestor；con?trolled switching

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.007

2017-03-03

王振宇（1972—），男，副教授，研究方向:電力自動(dòng)化、電子控制應(yīng)用。

2016年度河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目應(yīng)用研計(jì)劃（編號(hào)：16B413007）。