输电线路不同操作过电压限制技术研究

王振宇，苏咏梅，易善明

（1.郑州职业技术学院，郑州450121；2.国网河南省电力公司，郑州450018）

输电线路不同操作过电压限制技术研究

王振宇1，苏咏梅1，易善明2

（1.郑州职业技术学院，郑州450121；2.国网河南省电力公司，郑州450018）

对用于输电线路操作过电压限制的多种不同方法分别进行了分析和比较研究，对包含合闸电阻、避雷器、相控开关方法等都进行了仿真和分析，对同时应用多种限制方法的情况也进行了研究，本文的仿真分析基于一条实际运行的500 kV输电线路，通过研究发现，在断路器中加装合闸电阻是限制操作过电压时最为有效的方法，实际工程中，由于合闸电阻加装成本和故障率较高，其应用受到一定限制。本文的研究结果将有助于基础设施建设过程中正确运用操作过电压限制技术。

操作过电压；绝缘配合；合闸电阻；避雷器；相控开关

0 引言

输电线路是电力系统基本组成原件之一，在输电线路设计过程中，需要考虑许多因素以保证电力系统可靠的同时也具有较高经济性，在这些众多因素中非常重要的一项就是输电线路过电压防御问题，过电压为电力系统绝缘耐受等级带来了较大挑战，从而间接影响着电力系统可靠性与经济性。

过电压主要有内部过电压和外部过电压之分，内部过电压由系统开关动作造成，外部过电压主要由雷击引发，随着电力系统标称电压等级的不断提高，由开关动作造成的内部过电压逐渐占据了主导地位，因此当系统电压等级超过300 kV时将操作过电压作为设计电力系统绝缘等级的主要参考因素[1-2]。

1 研究背景及意义

当电力系统中出现短路故障时，输电线路会被继电保护动作切断，之后自动重合闸系统动作并将输电线重新接入投运，上述自动投切过程会产生具有极高峰值和频率的暂态过电压，这些过电压波便会危害电力系统绝缘，因此在输电线路设计阶段就必须考虑到过电压问题并且做好分析评估工作。通常研究者使用EMTP软件进行输电线路暂态分析计算从而求取操作过电压参数[3-4]。

研究人员获得过电压幅值之后便将其与绝缘子操作冲击耐受水平相比较，如果过电压幅值高于操作冲击耐受水平，就需要采取适当的保护措施以限制过电压峰值。目前用于限制过电压的技术中较为有效且应用较多的有以下几种：应用预接入电阻、使用避雷器、使用相控开关[2]。

工程上通常在线路断路器中接入一个电阻以限制操作过电压峰值。虽然应用接入限制电阻的方法可以显著限制过电压幅值，但是由于其故障率较高且超过可接受范围，因此电力设备制造厂家和电网企业并不推荐这种方法[5-8]。

在避雷器的应用方面，工程上通常在线路两端安装避雷器，同时也会在线路上适当的位置安装一到两个避雷器用以限制操作过电压，从实际运行经验来看，这种方法对过电压幅值的限制作用比较明显[9-11]。

另一个较为有效的操作过电压限制方法是线控开关控制或者点-波切换控制。这种方法可以有效降低过电压幅值，并且近年来其受关注度逐渐提高[12-15]。

2 操作过电压理论基础及限制措施

2.1 操作过电压

一般来说，当电力系统结构发生突然改变时，例如输电线路或者电力设备从系统中切除，这种暂态现象会在随后产生暂态电压波。这些电压波的冲击周期大概在微秒等级上，它们会产生频率为50 Hz～20 kHz以及快阻尼的暂态过电压波，操作过电压的波形一般以诸如振荡以及其他周期性重复的形式出现，过电压产生的原因各异，例如：切除容性回路、分离感性负载、投切输电线路、移除短路回路、输电线路自动重合闸动作等等。笔者对快速重合闸动作所产生的过电压进行了分析。

当电力系统出现故障时，线路断路器会第一时间将故障线路从电网中切除，随后自动重合闸系统向断路器发出合闸指令，从而将输电线路重新投运至电网中，该自动重合闸过程会造成具有极高幅值和频率的暂态过电压，并有可能击穿线路绝缘子。因此，如果操作过电压幅值超过线路操作冲击耐受水平，工程中就需要采取别的方法避免系统绝缘被击穿。

2.2 操作过电压限制措施

近几年的研究中介绍了各种各样用以限制操作过电压的方法，其中最有效的方法包括：接入预置电阻或合闸电阻、使用避雷器以及相控开关。本文从下面3个方面分别介绍这几种方法。

2.2.1 接入预置电阻

特高压输电线路断路器的正常自动重合闸动作会在系统中引发高幅值暂态过电压，因此输电线路断路器中常常会安装上预置电阻，如果该电阻用于限制合闸操作过程中产生的过电压，则将其称为合闸电阻。

如图1所示是合闸电阻的安装和运行方式，不管自动重合闸系统何时发出合闸指令，输电线路都将通过一个串联电阻接入电网，合闸电阻与主接头并联，在接到合闸指令8～12 ms之后主接头闭合。回路中接入了限制电阻之后，由于电阻电压降以及线路残余电荷的放电作用，由自动重合闸引起的过电压幅值被削弱了很多，因此，合闸电阻或预置电阻的使用可以较好地限制操作过电压，然而与此同时在断路器中安装了合闸电阻之后，不仅增加了其结构复杂性，而且使断路器成本和故障率上升。

图1 断路器加装合闸电阻Fig.1 Circuit breaker installing closing resistor

2.2.2 避雷器的使用

避雷器用于防御暂态过电压的袭击，它们可以削弱操作波和雷电波的幅值，避雷器通常与受保护设备并联安装。或者是安装在输电线路相对地之间，工作原理是在正常工作电压下保持高阻抗，在过电压作用时转变为低阻抗，当暂态过电压到来时，避雷器将其削弱或者导入地面。

实际工程中，通常将避雷器分别安装在输电线路送电和受电侧，同时建议在如图2所示输电线路的合适位置上加装一到两个避雷器，从而限制了过电压并且沿线过电压分布变得更为均匀。

图2 沿线安装避雷器Fig.2 Installation of intermediate arresters along the line

2.2.3 相控开关

电力系统中所使用的断路器在动作时通常是不考虑动作电流和电压波形的，故而有时断路器动作会造成暂态过电流以及过电压，开关动作引发的暂态震荡按照特高压电力系统中不同设备的电气绝缘和机械耐受强度的不同，会在设备中造成累积或冲击损伤。

相控或点-波控制开关技术的存在就是为了防御危险过电压。它按照时间控制的方法来执行开关动作，当开断或关合指令发送给断路器之后，断路器触头的分离与接合通常会有一定时延，因此，在实际开关动作中，断路器能够按照预定的时间点和相位进行开断或关合动作。

电力系统中的许多故障是暂时且可以自动消除的，因此实际工程上，常用自动重合闸断路器，当系统发生短路故障时，自动重合闸断路器会动作一到两次直到确认短路故障的排除，断路器动作之后，如果故障仍然存在，断路器会保持开断状态。输电线路运行时，突发性的断线和掉线是线路两端产生残余电荷的主要因素，并且在断路器触头接合的瞬间，残余电荷会引发超过标称电压两倍的过电压，如此一来有可能在线路绝缘子上进一步引起峰值高达标称电压值3倍的暂态过电压[2]。

输电线路切运行之后，残余电荷通过线路绝缘子逐渐放电，0.1～0.5 s之后线路可以完成放电，与此同时残余电荷放电是限制暂态过电压的一种简单高效的方法，根据文献[15]的研究结果，利用感应变压器有助于残余电荷的释放，因此使用感应变压器可以限制系统过电压，但是由于成本较高，感应变压器不适用于超特高压输电线路。

当断路器两触头之间的电位差最小时，断路器最容易接合，由此可推知断路器开关动作的最佳时间是系统电压过零点[12]。与此在电压波的许多不同点都可以进行开关动作，具体位置只要不是电压波周期中的峰值点，任意正半波和负半波都可以进行开关操作，虽然在正半波或负半波进行开关操作似乎对过电压峰值的影响不大，但是根据仿真计算结果显示正负半波过电压峰值完全不同。

工程中有些时候需要统一过电压幅值以确定绝缘配合裕度，因此利用式（1）同时考虑正负半波过零点并计算过电压值，这种方法也是现代继电器的工作原理[14]：

式中，U0为过电压统计值，根据式（1）所示，过电压预测峰值低于过电压统计值U0的98%。其中积分上限参数λ1和λ2使用如下两个公式进行计算：

假设过电压为随机变量，η和σ分别为变量偏差平均值和标准值，变量下标1和2分别代表正半波和负半波过零点位置，本文利用MATLAB软件数值积分方法求解式（1）。

文献[13]利用均匀分布和高斯分布函数描述断路器关合时间点，下图3和图4分别是均匀分布和高斯分布函数图像，由图3所示，均匀分布图像所覆盖的范围长度等于

图3 均匀分布函数覆盖范围Fig.3 Covered area in the uniform distribution

图4 高斯分布函数覆盖范围Fig.4 Covered area in the Gaussian distribution

由图4所示，高斯分布所覆盖的范围在数值上是无限的，但是实际上面积域超过±3σ可以直接忽略不计，因此，此处可以假设高斯分布的覆盖范围为6σ。

文献[9]对K值取11.13时，上述条件应用于聚合物表面冲击闪络电压的分析做了验证。笔者选用相同的电离系数以及参数K来研究直流闪络电压特性。

3 仿真计算结果

在这部分中，笔者使用EMTP软件对各种不同情况进行了仿真分析，并且选取一条长度为463 km的500 kV输电线路为例，断路器位于线路的一侧，为了获得沿线过电压分布，将这条线路分为10段，每段长度46.3 km，实际计算时，选用时域JMARTI模型精确计算每段线路的过电压数值，断路器所连接的一端同样适用JMARTI模型。该系统的剩余部分利用戴维南等效模型建模，如图5所示。

图5 EMTP系统仿真图Fig.5 Basic diagram of the simulated system using EMTP

3.1 无过电压限制技术

这部分主要探讨无过电压保护措施时的情况，过电压分布情况见图6，图中每一点的数值代表断路器动作100次之后的过电压统计数值，过电压峰值最大值为标幺值2.723倍，出现在距离电路器185.2 km的位置上。

图6 例1操作过电压分布图Fig.6 Switching overvoltages profile for case 1

3.2 接入预置电阻

在2.2.1小节的基础之上，在断路器中加入合闸电阻，一开始接入电阻值为100 Ω的合闸电阻，假设合闸电阻的接入时间为8 ms。之后换接入阻值为300 Ω的合闸电阻，如图7所示为仿真计算结果，观察图标可以看出，接入合闸电阻可以明显削减操作过电压的峰值，与此同时，提高合闸电阻的阻值之后，过电压幅值下降的更为明显。

3.3 安装线路避雷器

在输电线路的中段位置添加一个避雷器，但断路器处取消合闸电阻。具体位置位于距离断路器231.5 km处的线路中部。接下来分别在距离断路器185.2 km和324.1 km处安装2个避雷器进行仿真。如图8所示是将上述几个例子的曲线放在同一副图中比较分析，从图中可以发现，接入避雷器之后可以限制操作过电压峰值，与此同时接入两个避雷器之后，过电压幅值下降程度更为明显且过电压分布情况更为均匀。

图8 例3操作过电压分布图Fig.8 Switching overvoltages profile for case 3

3.4 使用相控开关

基于2.2.3小节关于相控开关的原理，针对不同使用情况进行了仿真分析研究。

第一步使用均匀分布函数描述合闸动作，仿真分别按照均匀分布覆盖范围86.6%和10%附近的过电压峰值和电压过零点进行。图9所示是仿真计算的结果，图中的缩写分别为如下意思：

86.6%CP和10%CP：随机时间条件下100次断路器开断动作，随机时间分布范围为电压峰值信号点86.6%和10%位置周围。

86.6%CZ和10%CZ：随机时间条件下100次断路器开断动作，随机时间分布范围为电压过零信号点86.6%和10%位置周围，本节选取负半波的过零点进行分析。

图9 例4操作过电压分布图（第一步）Fig.9 Switching overvoltages profile for case 4 stage 1

根据图9所示的结果过电压削减程度最大的情况是10%CZ。之后选取高斯分布描述合闸操作时间，进行与之前相同的仿真分析，结果如图10所示，同样在10%CZ的情况下过电压削减程度最大。

第三步，由上文分析可知过电压削减程度最大的是10%CZ的情况，接下来对正极性电压过零点进行仿真分析，仿真结果如图11所示，该图中同时展示了负极性半波的仿真结果用于比较分析，此处下标UD、GD、和R分别代表均匀分布、高斯分布和电压过零点处的半波斜率（即正半波或负半波）

图10 例4操作过电压分布图（第二步）Fig.10 Switching overvoltages profile for case 4 stage 2

图11 例4操作过电压分布图（第三步）Fig.11 Switching overvoltages profile for case 4 stage 3

3.5 混合两种过电压限制技术

对不同情况下同时使用两种过电压限制技术的方法进行仿真分析。

首先使用断路器预置电阻和线路避雷器，预置电阻的阻值参数为300 Ω，避雷器位于输电线路中段，距离断路器231.5 km，之后使用相同的仿真方法对避雷器安装在416.7 km的情况进行仿真分析，仿真结果如图12所示，对比图12与图7的结果可得过电压抑制程度并没有明显变化，图中R，MA和EA分别代表电阻、线路中部避雷器和线路终端避雷器。

图12 例5操作过电压分布图（第一步）Fig.12 Switching overvoltages profile for case 5 stage 1

第二步是对同时使用避雷器和相控开关的情况进行分析。首先本文对3.4小节介绍的10%CZ且避雷器位于线路中部的情况进行了仿真分析，之后对避雷器放置于沿线185.2 km和324.1 km两个位置的情况进行了仿真分析，结果如图13所示。将图13结果与图9-图11结果进行比较，发现过电压限制的变化并不明显，不过过电压的分布情况变得更为均匀，其中下标R，CS，MA和EA分别代表合闸电阻、相控开关、线路中部避雷器和线路终端避雷器。

图13 例5操作过电压分布图（第二步）Fig.13 Switching overvoltages profile for case 5 stage 2

3.6 混合3种过电压限制技术

对4种不同情况分别进行了研究，首先正常进行开关操作而不施加任何过电压限制手段，之后依次加入前节所述的3种过电压限制手段，按照以下顺序进行：接入300 Ω的预置电阻，沿线185.2 km和324.1 km的位置接入避雷器，最后接入10%CZ相控开关，仿真分析过程分开进行，并且由图14的结果可以看出，上述3种方法均可有效限制过电压幅值。

图14 例6操作过电压分布图Fig.14 Switching overvoltages profile for case 6

4 结论

根据前节的分析结果，可以得出以下结论：

1）长距离特高压输电线路操作过电压幅值非常高，可达系统电压标幺值的2.73倍，并损坏线路绝缘子。

2）断路器加装预置电阻可以有效限制过电压幅值并将操作过电压幅值降低到系统电压标幺值的1.97倍，下降了29%。

3）使用避雷器可将过电压幅值下降到系统标幺电压的2.35倍，下降了14%。

4）使用相控开关技术可以将过电压限制到系统标幺电压值的2.27倍，下降了18%。

5）任意组合两种过电压限制技术，其限制效果并不明显。

6）研究显示：接入合闸电阻是限制操作过电压最为有效的方法，但是鉴于合闸电阻成本较高且故障率偏高，实际工程中不建议使用这种方法。

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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:电力自动化、电子控制应用。

2016年度河南省高等学校重点科研项目应用研计划（编号：16B413007）。