特高压输电线过电压及抑制保护控制

河北临漳供电公司 杨志刚

特高压输电线过电压是发展特高压电网所必须研究的课题，它不仅影响到变压器，断路器等电力设备绝缘强度的设计，而且还直接关系到电力系统能否安全可靠的运行。本文对特高压输电线路的工频过电压和操作过电压进行了产生原因进行了理论分析，并给出了一些限制过电压可能采取的措施。

一、过电压的概念及分类

过电压是指电源电压超过其额定值时的电压，特高压输电线过电压可分为外部过电压和内部过电压。

(一)外部过电压

外部过电压是指由于大气环境中的雷云放电而引起的电力系统电压升高，所以也称大气过电压或雷电过电压。显然，外部过电压是由大气环境造成的，具有明显的不可预知性。一般可利用避雷针、避雷线和避雷器来限制电力系统雷电过电压。

(一)内部过电压

内部过电压是指电力系统中由于断路器操作、故障或其它原因使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量的转化或传递而造成的电压升高。内部过电压是指由于电力系统故障或开关操作而引起电网中电磁能量的转，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电升高。内部过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象，它可分为暂时过电压和操作过压两大类。

1.操作过电压

在故障或操作时，瞬时发生的过渡过程过电压称为操作过电压，其持续时一般在几十毫秒之内。在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于0.1秒至数秒甚至数小

2.暂时过电压

在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于0.1秒至数秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压，暂时过电压又可分为工频过电压和谐振过电压。由于特高压系统线路输送容量大、距离可能更长，而自身的无功功率很大，每100公里的1000千伏线路无功功率可达530兆乏左右，使得在甩负荷时可能导致严重的暂时过电压；在正常运行负荷变化时将给无功调节、电压控制以及故障时单相重合闸潜供电流熄灭等造成一系列困难。同时高电压长空气绝缘的饱和、高海拔和电气设备制造等方面的因素，给过电压限制提出更高的要求。

与雷电过电压产生原因单一不同，内部过电压因其产生原因，发展过程，影响因素多样化，而且具有种类繁多，机理各异的特点。就过电压持续时间而言，外部过电压持续时间最短，操作过电压次之，暂时过电压持续时间最长，有些甚至可能长期存在。

二、工频过电压及限制措施

工频过电压的大小不仅直接影响操作过电压的大小，而且还是选择避雷器额定电压的依据，其可能危及设备及系统的安全运行。特高压系统的工频过电压与超高压系统有相似之处，但其输送容量更大，距离更远，线路的充电功率更大。

(一)工频过电压产生的原因

工频过电压产生的原因包括空载长线的电容效应，不对称接地故障引起的正常相电压的升高，甩负荷等，它与系统的结构、容量、参数及运行方式有关，其频率等于或接近于工频。

1.空载线路的电容效应

如果输电线路突然从负荷侧断开，那么线路就进入了开路状态。此时线路上，特别是其末端上，会出现较高的电压升高；在系统并车前，先从电源侧投入线路时，也会导致同样的情况，这些过电压就是由空载线路的电容效应引起的。

2.不对称短路

不对称短路是输电线路最常见的故障形式，短路电流中的零序分量会使健全相上出现工频电压升高(常称为不对称效应)。系统中的不对称短路故障，以单相接地故障最为常见，且引起的工频电压升高也最为严重。

3.线路甩负荷效应

当输电线路重负荷运行时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。此时，影响工频过电压的因素主要有四个：①甩负荷前线路输送的潮流，特别是向线路输送无功潮流的大小，它决定了电源电动势E的大小。一般来讲，甩负荷前，若线路上输送相当大的有功及感性无功功率，电源电势必然高于母线电压。甩负荷后发电机的磁链不能突变，可简单认为电源暂态电动势在短暂时间内维持原来数值，向线路输送功率越大，电源的暂态电动势也越高，计算工频电压所用等值电势越大，工频过电压也就越高；②电源的容量决定了电源的等值阻抗，电源容量越小，等值阻抗就越大，可能出现的工频过电压也就越高；③线路长度，线路越长，充电的容性无功就越大，工频过电压就越高；④发电机组调速器和制动设备的惰性，甩负荷后其不能立即起到应有的调速效果，导致发电机转速加快，电动势及频率上升，从而使空载线路的工频过电压更为严重。

(二)降低工频过电压的措施

在特高压输电系统中，由空载长线的电容效应、不对称短路故障和甩负荷引起的工频过电压是很高的。因此为了降低特高压电气设备的绝缘水平，必须降低工频过电压。

1.并联高压电抗器

由于并联电抗器的电感能够补偿线路的对地电容，减小流经线路的容性电流，消弱电容效应，所以采用并联高压电抗器是限制特高压输电线工频过电压的最主要手段。适当的选择电抗器的容量和安装位置则可将工频过电压限制在允许的范围内。此外，并联电抗器还涉及到无功平衡，潜供电流补偿等方面的问题，因此必须综合考虑系统的结构，参数，可能出现的运行方式及故障形式等各方面的因素，合理的选取电抗器的补偿度和安装位置。

当工频电压升高超过一定值时，可在线路上安装并联电抗器来补偿线路的对地电容，消弱线路的电容效应，抑制线路的电压升高。电抗器视需要可以安装在线路的首端，末端或中部。

2.使用可调节或可控高抗

重载长线80%一90%左右的高抗补偿度，可能给正常运行时的无功补偿和电压控制造成相当大的问题，甚至影响到输送能力。解决此问题比较好的方法就是使用可控或可调节高抗:重载时运行在低补偿度，这样由电源向线路输送的无功减少，使电源的电动势不至于太高，还有利于无功平衡和提高输送能力，当出现工频过电压时，快速控制到高补偿度。

3.使用金属氧化物避雷器

随着金属氧化物避雷器(MOA)性能的提高，使用MOA限制短时高幅值工频过电压成为可能，但这会对MOA能量提出很高要求，在中国由于采用了高压并联电抗器，不需要将MOA作为限制工频过电压的主要手段，仅在特殊情况下考虑采用。

4.继电保护

还可采用继电保护方案缩短工频过电压的持续时间，改变保护的操作方式，使用良导体架空地线或光纤复合架空地线等措施来降低工频过电压。

三、操作过电压及限制措施

操作过电压是特高压电网绝缘水平的决定性因素。当开关操作或事故状态引起系统拓扑结构发生改变时，系统中各储能元件之间的电磁能量相互转换就会产生操作过电压。与工频过电压相比，操作过电压具有幅值高，存在高频振荡，强阻尼及持续时间短等特点。由于操作过电压与系统的额定电压有关，所以特高压输电系统中的操作过电压问题就更为突出。在特高压系统中常见的操作过电压有以下几种:切除空载线路过电压(即跳闸过电压)，合闸空载线路过电压(即合闸过电压)和接地短路过电压等。下面介绍几个操作过电压的产生及各自的限制措施：

1.跳闸过电压

切除空载线路是电力系统常见的操作之一，产生过电压的原因是断路器跳闸的过程中发生电弧的重燃。断路器切断的是较小的容性电流，通常为几十安到几百安，比短路电流小的多。但能够切除巨大短路电流的开关却不一定能够不重燃的切断空载线路。这是因为在跳闸初期，由于断路器，特别是油断路器，触头间恢复电压的上升速度有可能超过介质恢复强度的上升速度造成电弧的重燃，从而引起电磁振荡出现过电压。运行经验表明，断路器的灭弧能力越差，电弧重燃的几率就越大，过电压的幅值也就越高。

值得说明的是，由于受到一系列复杂因素的影响，切除空载线路的过电压不可能无限的增大。当过电压较高时，线路上就会产生强烈的电晕现象，电晕损耗将消耗过电压波的能量，引起过电压波的衰减，限制了过电压的升高。当母线上有几回出线时，相当于母线电容增大，可以降低线路上初始电压的绝对值并吸收部分振荡能量，而其有功负荷又能增强阻尼效应，使重燃时的过电压相应的降低。

对于跳闸过电压，避免断路器触头发生重燃是限制跳闸过电压的根本措施。因此，改善断路器的结构，提高触头间介质的恢复强度和灭弧能力可有效限制跳闸过电压。另外，给断路器并联合适阻值的电阻，采用性能优良的金属氧化物避雷器和给线路安装并联电抗器等措施也可用来限制跳闸空载线路过电压。

2.合闸过电压

合闸于空载线路是电力系统中常见的一种操作，通常可分为两种情况:一种是正常有计划的合闸，如线路检修后投入运行，根据调度需要对送电线路的合闸操作等。这种情况下，在合闸之前，线路上不存在任何异常，线路上起始电压为零。合闸后，线路各点电压由零值过渡到考虑电容效应后的工频稳态电压值，在此过渡过程中会出现合闸过电压。由于线路具有分布参数特性，所以振荡电压将由工频稳态分量和无限多个逐渐衰减的谐波分量叠加组成。另一种合闸操作是运行线路发生单相接地故障，由继电保护系统控制跳闸后，经一短促时间再合闸，即自动重合闸操作。

随着断路器制造水平和灭弧能力的提高，跳闸过电压得到了有效的抑制，于是合闸空载线路过电压就成为特高压系统绝缘的主要矛盾。尤其是重合闸过电压，它是选择特高压输电线绝缘水平的决定性因素。

限制合闸过电压的措施很多，首先是限制工频电压的升高，可以通过在线路上并联电抗器来实现，对于双端电源供电的输电线路，让电源容量较大的一侧先进行合闸操作，电源容量较小的一侧后进行合闸操作也可有效地降低工频过电压；再者，消弱合闸前线路的残余电压，给断路器加装合闸电阻，采用金属氧化物避雷器等都是抑制合闸过电压的有效手段。

四、结论

随着我国经济的持续发展,电力需求急剧增长。为了满足大容量长距离输电和全国联网的需要,同时保障系统的稳定运行,我国必须加强骨干网架的建设。加强骨干网架经济而有效的途径是建设特高压输电线。特高压输电可以加强电网结构，提高输电线路输送能力，实现资源的优化配置，但一旦发生过电压而造成绝缘的损坏时，其经济损失是非常巨大的。因此进行相关研究是完全必要的。在特高压研究中,过电压的研究是其它研究课题的前提和基础,是能否采用特高压输电的关键之一。它不仅影响到变压器、断路器、输电线等电力设备绝缘强度的设计,而且还直接关系到电力系统是否能够安全稳定的运行。

考虑到特高压输电线所允许的电压升高的数值与所加电压的持续时间等因素直接相关，因此通过特高压输电线继电保护、重合闸的配置与相关自动装置的动作配合来限制过电压是可行的。