500 kV输电线路高抗和串补对过电压影响分析

侯有韬，杨蕾，向川，肖灿

0前言

异步联网后，云南电网的高电压长距离输电线路增加了很多，而且大部分都配置了线路高抗和串补，高抗和串补的配置极大提高了输电线路的输电能力和电力系统的稳定性，但同时也对电力系统的输电线路的电压特性造成了一定的影响[1-3]。这些线路大多分布在滇西北、滇北以及滇西南等地区，是西电东送的重要送端通道。线路高抗和串补的投退将会使过电压水平发生变化，因此，线路在无高抗的情况下，其过电压水平是否满足要求，线路能否运行，能否恢复通道送电能力就显得尤为重要。云南电网曾发生过多起由于高抗漏油、裂纹、异响等缺陷，从而导致线路被迫长期停运的情况。

文献[4]采用电磁暂态计算程序ATPEM TP，分别对含有串补装置的合闸操作过电压进行分析，得出增加串补装置，能有效的降低过电压。文献[5]搭建更精确的真空断路器电弧模型，提出在站用变和电抗器的电缆末端安装伏安特性曲线较低的避雷针，能有效抑制过电压的现象。文献[6]针对远距离高压交流输电系统的稳定问题，提出串补方案，阐述了串补是提高系统稳定性的一种有效方法，其关注点主要在于串补对稳定性的提升机理，未进行详细的过压、过流校核。文献[7-8]通过对750 kV线路高压电抗器进行分析，得出需要对线路上的闭锁回路进行修改，以便提高电气回路的可靠性。文献[9]分析并抗在输电线路单、双端供电情况下对过电压的抑制作用，提出750 kV 线路保护与并抗之间动作配合的关系，达到了并抗抑制过电压的作用。但文献[7-9]主要从线路或相关装置动作逻辑配合的角度来进行过电压抑制分析。

综上，目前缺少线路高抗和串补综合作用对线路过电压影响的研究。本文以500 kV 博尚-墨江线路为例，在串补、高抗综合不同运行方式下，采用电磁暂态仿真计算软件EMTDC/PSCAD对线路工频过电压、操作过电压、潜供电流进行了仿真分析，针对空载线路充电、不同类型故障、单回线运行还是双回线运行等情况给出了计算结果。本文对实际运行时出现高抗或串补的临时投退的过电压分析具有一定的指导意义。

1仿真模型

1.1系统等值

基于PSD-BPA 软件，建立了2018年丰大方式的静态等值网络模型。模型保留了A-B双线的500 kV 线路，分别在A 母线和B母线上进行系统等值，等值示意图如图1所示。

图1系统静态等值示意图

PSD-BPA 中采用的是Ward 等值，Ward 等值是一种基于Norton 定理的有源线性网络化简的等值方法，它首先列出电网的线性化节点电压方程，然后按照等值要求，消去外部系统的节点集合。这样，保留系统的导纳矩阵以及保持节点注入的电流不变，所消去的外部系统的注入电流化简后集中到边界节点上，形成新的注入电流，消去部分的网络也经过化简后集中到边界节点，形成代替消去网络的等值网络矩阵。多端等值是一种改进的Ward 等值法[10]。先前的仿真分析表明，建立的简化网络的三相以及单相短路容量与原始网络基本一致，可以用于在RTDS和PSCAD等软件中对A-B双线的相关过电压进行仿真分析。

1.2参数确定

1）电源

在仿真计算中，基准电压为525 kV，基准容量为100MVA。电源等值参数如表1所示。

表1电源等值参数

2）线路参数（正序和零序）

线路的总长度为155.3687 km，采用Bergeron 模型，其中A-B线路的正序阻抗的标幺值为0.0001+j0.0122，其中零序阻抗的标幺值为0.001+j0.0748，对地导纳的标幺值为B=2.446，零序对地导纳的标幺值为为B0=1.082。

3）高压并联电抗器和串补电容器

线路两侧均有高抗，三相的高抗容量为180 M var，根据南网企业标准[11]中的规定，单相的额定容量为60 M var，额定电压为550/ √3，额定电抗为1681Ω，额定损耗为120 kW，通过计算可得单相电感值为5.35 H。

A 侧中性点小电抗的电抗值为1213.6欧，电感值为3.86 H，中性点电阻为8欧姆。

A 侧串补的容抗值为-j0.0061，计算得到电容值为189.45 uF。

4）避雷器参数

线路避雷器额定电压设置为444 kV，避雷器的特性如图2所示。

1.3模型搭建

在EMTDC/PSCAD电磁暂态仿真平台搭建500 kV A-B线路输电系统仿真模型，线路采用分布参数模型，结果如图3所示。

图2无间隙金属氧化物避雷器V-A特性曲线

图3 500 kV A-B线路过电压仿真模型

2仿真结果及分析

2.1工频过电压

电力系统在正常或故障运行时可能出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或接近工频的电压升高，这种现象称为工频过电压[12-13]。超高压线路中，工频过电压的大小直接影响操作过电压的幅值，决定了避雷针的额定电压，进而影响系统过电压保护水平，还可能威胁设备以及系统的安全运行。工频过电压一般由空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的正常相电压升高和突然甩负荷等原因引起。过电压的倍数与电网的结构、系统结构、系统容量及参数、中性点接地方式、电网运行接线等因素有关。

本文针对A-B线空载运行时线路末端发生单相接地故障的工频电压进行仿真计算，基准值取550/√3 kV[14]。计算结果如表2所示。

表2单相接地下工频过电压计算结果

由仿真结果可以看出，不论高抗是否投入，当串补接入线路时，不对称故障的工频过电压都较大，其中双回线运行时更容易产生较高的工频过电压；串补在线路末端产生的工频过电压高于串补在线路首端时产生的；当串补退出时，工频过电压水平明显减小。

串补投入情况下，高抗的投退对线路过电压的影响较小；串补退出情况下，高抗的投退对线路工频过电压的影响较大。

高抗投入情况下，串补的投退对线路过电压的影响较大；高抗退出情况下，串补的投退对线路工频过电压的影响较小。

同时，应注意，在实际运行中，若高抗退出，还需考虑线路复电的过程中，为了保证线路充电时末端电压不超过最高电压550 kV，应保证充电端电压低于530 kV。

2.2潜供电流分析

线路采用单相重合闸时，单相瞬间接地随之单相线路两端开断。单相断后，另两相基本上保持原有的相电压和流过负载电流，通过相间电容和相间互感耦合，故障点弧光通道中仍有一定数值的电流通过，即称为“潜供电流”，电弧电流（潜供电流）通过自然零点灭弧后，断开相上（弧道间）就产生传递过电压，就是“恢复电压”。显然，如果潜供电流和恢复电压太大会使电弧发生重燃而延续灭弧，甚至不能最终灭弧，从而导致单相重合闸失败。

为了采用快速自动重合闸，并确定重合闸的动作时间，需要计算线路的潜供电流和恢复电压的大小。由于故障时串补首先被旁路，因此计算重合闸时间时仅考虑此情况，但此处仍然增加了串补投入时潜供电流和恢复电压的分析用作对比，串补退出和投入时的仿真分析结果见表3和表4所示。

表3串补退出和投入时潜供电流仿真结果

表4串补退出和投入时恢复电压仿真结果

从表3可以看出，最大的潜供电流出现在串补和高抗均退出的情况下，此时最大的潜供电流为55.03 A。

前苏联电力科学研究院根据在500 kV 线路上试验的结果，总结出一个重合闸时间与潜供电流之间的经验公式如式(1)所示。

根据上述公式，计算得重合闸时间约为1.63 s，大于1.0 s的重合闸整定时间，当线路发生单相故障时可能导致重合闸不成功。

对比表3和表4串补退出和投入的数据可得，串补投入和退出时对潜供电流和恢复电压影响较小。高抗投入和退出时对潜供电流和恢复电压影响较大，这主要是高抗带有中性点小电抗的作用。

2.3操作过电压分析

操作过电压[11]主要是指在合空线路或正常方式下重合闸时，电路的状态发生改变，由此电力系统产生操作过电压，而重合闸过电压是过电压中最严重的一种，原因在于这时线路上有一定残余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加剧烈。

本文对500 kV A-B线的空载线路合闸和单相重合闸过电压进行统计分析。由于故障时串补首先被旁路，线路投入时待两侧断路器合闸后串补才投入，这里分析操作过电压均在串补退出的情况下分析，结果如表6所示，其中1 p.u.=√2×550/√3 kV[14]。

表5线路合闸及单重操作相地过电压

线路合闸及单相重合闸相对地2%统计过电压最大值分别为1.73 p.u.和1.99 p.u.，均小于限定值2.0 p.u.，满足规程的要求[15]。

线路合闸及单相重合闸的最大相间2%统计的过电压最大值分别为3.48 p.u.和3.26 p.u.，小于3.9 p.u.，满足相间绝缘的要求[15]。

由表6可知，高抗退出时线路的操作过电压略有增加，这主要是由于操作过电压实际为暂态量与工频过电压量的叠加。

表6线路合闸及单重操作相间过电压

3结束语

不论高抗是否投入，当串补接入线路时，不对称故障的工频过电压都较大，其中双回线运行时更容易产生较高的工频过电压，当串补退出时，工频过电压水平较低。但应注意，高抗退出后线路复电的过程中，需要调整充电端电压，以保证线路充电时末端电压不超过最高电压550 kV。

当高抗退出运行时，不论是单回线运行还是双回线运行，潜供电流最大值均为55.03 A，重合闸的时间至少为1.63 s，大于1.0 s的重合闸整定时间，当线路发生单相故障时可能会导致重合闸不成功。

根据计算后数据分析，可以得出，当高抗退出运行时，线路最高相地操作过电压和最高相间操作过电压均小于限定值，满足规程的要求。

再结合A-B线等带串补和高抗的线路进行分析，可以得出以下一般性结论：

1）串补投入的线路产生相比于串补退出的线路会产生更高的工频过电压，串补在线路末端产生的工频过电压高于串补在线路首端时产生的；

2）串补投退对潜供电流和恢复电压的影响很小；

3）高抗的投入均会降低线路的工频过电压、潜供电流、恢复电压、操作过电压，高抗在线路末端降低工频过电压效果显著。

实际运行中，高抗发生缺陷的概率并不低，特别是在地震多发区、重冰区、气温温差极端地区。当高抗出现缺陷时，如果过电压水平满足要求，线路可不带高抗继续运行，这将会使网架保持完整，保证通道畅通，使输送能力不受影响。文章为这一运行工况提供了分析思路，并对比了串补和高抗投退对各种过电压的影响。对实际带串补和高抗的线路运行具有指导意义。