交流特高压输电线路的工频过电压及其抑制

尹中发

（菏泽供电公司，山东菏泽274000）

交流特高压输电线路的工频过电压及其抑制

尹中发

（菏泽供电公司，山东菏泽274000）

随着传输距离的进一步增加和传输容量的增大，特高压工频过电压问题更加严重，抑制措施较难实施。对特高压工频过电压进行简要分析并介绍其影响因素。提出采用快速励磁式磁控电抗器抑制特高压工频过电压的方法，并对快速励磁式磁控电抗器的结构进行介绍。指出采用固定电抗和快速磁控电抗器串联的方式来对特高压系统进行补偿，并对补偿效果进行了全面数值仿真计算，结果表明特高压系统的工频过电压能够限制在一个较稳定水平。此外，通过动态调节其无功容量还可以非常有效地稳定线路电压，在特高压系统中的应用前景广阔。

特高压交流输电；工频过电压；磁控电抗器

0 引言

输电线路的输电能力受系统静态稳定极限的限制，且大致与输电线路电压的平方成正比，而我国正加紧研究和建设的1 000 kV特高压线路的输电能力大致为500 kV超高压线路输电能力的4倍以上。但随着电压的进一步提升，在传输更大容量和跨越更长距离的同时，特高压线路工频过电压问题也给设备绝缘和系统动、静态稳定提出了新的更高的要求［1-3］。

对于我国超高压电力系统来说，其工频过电压水平有明确规定：线路断路器的变电站侧不应大于1.3 pu；线路断路器的线路侧不应大于1.4 pu。但目前还没有明确的特高压线路工频过电压的限制标准，经反复比较计算和吸取国外经验，我国特高压工频过电压标准暂定为：线路断路器的变电站侧的工频过电压限制在1.3 pu以下，个别情况下线路侧可短时允许在1.4 pu以下［1］。

特高压线路单位长度的容性充电功率大（约为500 kV超高压线路的5倍）、输送功率的变化大，加之我国单段特高压线路的长度比较长，工频过电压问题相当严重，一旦措施采取不当，其幅值可能远远超过限制标准，严重影响特高压系统和设备的安全运行［4-6］。因此，研究特高压输电长线的工频过电压情况并制定明确的限制标准显得十分迫切。

1 特高压工频过电压

1.1 工频过电压及其影响

工频过电压的频率为工频或接近工频，是一种稳态性质的工频电压升高，具有稳态的性质但实际上却是短时产生或者说不允许长期存在的，因而属于暂时过电压的范畴［7］。它产生的主要原因包括空载输电长线的电容效应、不对称接地故障和系统负荷的突然变化等。工频过电压的持续时间相对较长，并且随着电压等级的升高其对系统设备绝缘水平的决定作用也越来越明显，因此，工频过电压对特高压系统有非常重要的影响。操作过电压是在工频过电压基础上产生的，它的大小直接影响操作过电压的幅值。工频过电压是选择避雷器的重要依据，而避雷器又决定了系统的过电压保护水平。工频过电压水平直接决定系统和设备是否能够安全运行。

1.2 影响工频过电压的因素

空载输电长线的电容效应及系统阻抗。根据输电线的分布式参数模型可知特高压长输电线路可看作由无穷多个电感电容串联的链形回路，且容抗大于感抗。当末端空载或轻载时，线路的入口阻抗为容性。因此容性电流在感抗上的压降与电源电压同相叠加抬高了容抗上的压降，使得线路上各点电压高于电源电压，而且沿线电压呈余弦规律分布。图1给出了计及电源漏抗Xs（曲线a）和未计及Xs（曲线b）时空载长线路的沿线电压分布情况。

图1 输电线路的沿线电压分布曲线

由图1看出，电源漏抗的存在使线路首端电压高于电源电动势E，这犹如增加了线路的等效长度，进一步加剧了空载长线末端的电压升高。因此，对于双端电源特高压输电线路在合闸时应先合电源短路容量较大的一侧，线路切除时则相反，应先切除短路容量小的一侧。这样即可降低由电容效应引起的工频过电压所造成的危害［7］。

线路不对称故障。对于中性点不接地系统来说，当发生单相接地故障时，非故障相的对地电压将升高为线电压，这对超／特高压输电系统来说是绝对不允许的。因此，超／特高压系统采用中性点非常有效接地的运行方式以降低由单相接地故障引起的工频电压升高。尽管如此，当特高压输电长线发生不对称接地故障时，短路电流的零序电流分量仍会使非故障相出现工频电压升高现象，并且其大小取决于接地系数

线路故障甩负荷效应。当输电线路传输重负荷时，线路末端断路器突然跳闸甩去负荷也是造成工频电压升高的重要原因，它比单纯空载输电长线的容升过电压更加严重。由于甩负荷后发电机的磁链不能突变，将保持甩负荷前的暂态电势E′d，它就决定了甩负荷过电压的幅值。假设甩负荷前线路输送功率为P+jQ，则甩负荷瞬间的暂态电势

由式（2）可知，当输电线路和发电机参数一定的情况下，甩负荷瞬间的发电机暂态电势与此前输送的功率大小有关，输送功率越大，甩负荷瞬间的发电机暂态电势也越高，由此产生的工频过电压也越严重。此外，考虑到甩负荷后发电机的机电暂态过程和原动机调速器和制动设备的惰性，甩负荷后发电机的转速将增加，会造成电势和频率的上升，这也会进一步加重工频电压的升高。

2 特高压磁控电抗器

2.1 特高压磁控电抗器结构

特高压磁控电抗器由于容量大、承受电压高，因此体积庞大，做成三相式可能会给运输和安装带来相当大的困难，因此，特高压磁控电抗器宜采用单相式结构。同时为了实现特高压磁控电抗器低电压控制高电压和小功率控制大功率的目的，控制绕组和工作绕组宜采用隔离的结构形式。图2给出了适于特高压磁控电抗器的一种结构形式［8-10］，图中G1、G2为交流工作绕组，直接与1 000 kV交流特高压电网相联，要承受1 000 kV及以上的高电压。K1、K2为直流控制绕组，与晶闸管整流装置相联，通过控制系统对晶闸管的触发控制来实现主铁心的直流偏磁注入。为了使特高压磁控电抗器具有更好的控制特性，使其谐波特性得到改善，电抗器的主铁心采用特殊磁阀式结构。即在主铁心上均匀开设小窗形成若干等效小截面，以减小边缘效应所造成的影响，使磁控电抗器具有更好的控制特性。当磁控电抗器达到额定容量时，主铁心将整体进入饱和状态。因此，这种结构的磁控电抗器的容量与单磁阀式可控电抗器相比可以做得相对较大。

图2 特高压磁控电抗器结构

2.2 工作原理

图3给出了磁控电抗器组的接线原理图。3个单相磁控电抗器的2个高压工作绕组分别并联后接成星形联结方式，中性点经小电抗接地以补偿单相接地故障时的潜供电流。控制绕组接成三角形联结，以减小交流工作绕组中电流的谐波含量。控制绕组由晶闸管整流装置供电，并且晶闸管交流侧与380 V三相交流站用电源相联。根据特高压输电线路输送功率的变化实时地改变晶闸管触发角调节直流控制绕组中的电流大小，使两主铁心柱的等效小截面段逐渐进入磁饱和区。此时，两主铁心柱将分别工作于正向饱和和负向饱和状态，使交流等效电抗值得以连续平滑调节，从而动态补偿线路的无功功率。

图3 电气接线图

3 磁控电抗器限制工频过电压

根据今后特高压输电网的实际发展情况，设某发电基地的发电机组通过特高压输电线路与另一地区的500 kV骨干网相联，向该地区电网供电。系统接线图如图4所示，发电基地有8台600 MW发电机组，并且每台机组都采用发电机变压器单元接线接入500 kV超高压汇流母线Bus1，汇流母线将每台发电机发出的电能汇集起来，然后经特高压变压器T3二次升压，并最终通过一条长600 km的双回1 000 kV特高压输电线路送往某负荷中心的大区500 kV电网，并且中间设立开关站，受端500 kV超高压电网以等值发电机进行等值。特高压输电线的母线出口处接有高压电抗器以补偿线路的充电功率，并且电抗补偿采用固定电抗补偿和可控电抗补偿两种补偿方式，两种补偿方式所占比例的变化会对补偿性能和补偿配置的经济性有显著影响。固定部分容量和可控部分容量需要根据线路长度和线路实际输送功率的变化情况来确定。

图4 特高压输电系统接线

对于图4所示系统进行的数值仿真计算分析结果表明，当不用高压电抗器对特高压输电线路进行补偿，仅对特高压线路进行加压试验（线路没有有功功率传输）时，送端母线Bus2、中间开关站母线Bus3及受端母线Bus4的运行电压分别达到了1.13 pu、1.15pu和1.07pu。显然，没有高压电抗进行补偿时，特高压线路的沿线电压将明显超出线路的最高允许运行电压1 100 kV。由于沿线电压的升高，使得线路容性充电无功比正常运行时大得多，平均每100 km特高压线路的充电无功此时可以达到650 Mvar。一旦线路故障引起三相甩负荷跳闸，线路将产生严重的工频过电压，例如当受端一回线路发生无故障三相甩负荷跳闸时，Bus4处的工频电压升高可以达到1.34 pu。并且还可以发现，由于发电厂的发电机组是通过两次升压后才接入特高压线路的，这使得发电厂出口处短路电流减小，系统阻抗增加，因此母线Bus2的电压升高明显大于母线Bus4的电压升高，这也就要求，在用高压电抗器进行补偿时，母线Bus2处的高抗补偿容量比受端母线Bus4处要相应大些。下面就只采用固定电抗的传统补偿方式和采用固定电抗加可控电抗的混合补偿方式的补偿效果分别进行数值计算分析。

3.1 固定电抗补偿

当采用固定电抗对特高压线路进行补偿时，并联电抗器的补偿容量应根据线路输送容量的变化范围来定。并且考虑到输电线路静态稳定和暂态稳定的限制，特高压输电线路两端的等值电源电动势的功角一般不应超过45°，再加上特高压输电线路一般会对线路最小输送容量有所限制［11］。因此，通过对图4所示特高压输电线路的潮流分析计算，最终确定在每回线路上的Bus2和Bus4处的高抗补偿容量分别为590 MVar和560 MVar，中间开关站母线Bus3的两侧高抗的补偿容量均为490 MVar。当线路输送不同容量有功功率时，沿线电压及线路的有功损耗情况见表1；Bus4处发生无故障三相甩负荷（状态1）和单相接地三相甩负荷（状态2）两种状态下的工频电压升高情况见表2。

表1 沿线电压及线路有功损耗（固定补偿）

表2 三相甩负荷过电压（固定补偿）

由上面的分析可知，在采用固定电抗进行补偿的情况下，线路的工频过电压可以得到限制，但如果线路输送的功率接近或超过线路自然功率时，线路和补偿电抗的无功就不能实现自我平衡，这时线路要吸收大量的无功功率且会随线路输送有功的变化而变化，使得特高压线路有功损耗增加，电压控制的难度也大大增加，甚至会影响线路的输送能力。但如果采用可控电抗补偿代替固定电抗补偿，将能兼顾无功平衡与线路工频过电压限制这两个方面的问题，大大提高特高压线路的运行稳定性和输电效率。

3.2 混合补偿

如果完全采用可控电抗对特高压线路进行补偿，并联电抗器的调节范围是得不到充分利用的，这种补偿方式是不经济的，也是完全没有必要的。补偿电抗中固定部分和可控部分的补偿容量各占多大比例则要由特高压线路输送功率的变化范围来确定。通过对图4所示的特高压输电线路进行潮流计算分析可知，当功角在20°～45°范围内变化时，补偿电抗中的可控部分容量与固定部分容量的比例可以定为1∶5。采用这种固定电抗加可控电抗的混合补偿方式后，不同功角下线路的输送功率及沿线的电压分布如表3所示。

表3 沿线电压及线路有功损耗（混合补偿）

通过表1与表3的对比分析可以看出，当采用了固定电抗加可控电抗的混合补偿方式后，在同样的功角下，线路输送的有功功率明显增加，并且由于可控电抗可以随线路输送功率的变化而自动调节，改善了线路的无功平衡，因此特高压线路的沿线电压可基本保持稳定。此外，与只有固定电抗补偿时相比，线路的有功损耗也得到了显著降低。

当采用了固定电抗加可控电抗的混合补偿方式后，在抑制特高压线路工频过电压方面的效果也是不比单独采用固定电抗时差的，表4给出了在采用混合补偿方式后的无故障三相甩负荷过电压（状态1）与单相接地三相甩负荷过电压（状态2）的情况。与只采用固定电抗补偿时相比，混合补偿方式通过对可控电抗的调节可将这两种工频过电压均匀地限制在限定水平以下。

表4 三相甩负荷过电压（混合补偿）

4 结语

特高压线路的工频过电压是操作过电压的基础，且是选择避雷器的重要依据。空载输电长线的电容效应及系统阻抗，线路不对称故障以及线路的甩负荷效应都会影响特高压线路的工频过电压的大小。给出了一种适用于特高压线路的磁控电抗器结构，它的控制特性和谐波特性都较好。对固定电抗补偿和混合补偿两种不同补偿方式的特高压线路进行的仿真分析结果表明，有可控电抗器的混合补偿方式能够将线路的工频过电压限制在较稳定水平，可控电抗器的动态调节还可以平衡线路无功，稳定线路电压，化解特高压线路在过电压抑制与无功平衡方面的矛盾。

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Power Frequency Overvoltage Suppression of UHV AC Transmission Line

The power frequency over-voltage of ultra-high voltage（UHV）is more serious along with the increase of the transmission distance and transmission capacity，and the over-voltage suppression methods are more difficult to be implemented.The power frequency overvoltage of UHV is briefly introduced and its influencing factors are analyzed in this paper.The magnetic controllable reactor in suppressing power frequency overvoltage is recommended，and the structure of the reactor is introduced.Then，we compensate for UHV system by using fixed reactors and fast magnetic controllable reactor in series，and simulate the compensation effect，and prove that the power frequency overvoltage could limit at a stable level.The voltage of the transmission line can be stabilized through dynamically modulating the compensation capacity of the reactor.The magnetic controllable reactor can be applied widely in UHV system.

UHV AC transmission；power frequency over-voltage；magnetic controllable reactor

TM477

：B

：1007－9904（2014）04－0024－05

2014-04-28

尹中发（1970—），男，主要从事电网调度运行、变电站运行维护工作。