超高压架空线—电缆混合线路合闸过电压特性仿真分析

石逸雯，徐 星，屠幼萍，陈向荣，裘立峰，周文俊

(1.浙江大学电气工程学院(浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室)，浙江 杭州 310027；2.华北电力大学高电压技术与电磁兼容北京市重点实验室， 北京 102206；3.浙江华云电力工程设计咨询有限公司 浙江 杭州 310000)

随着城市建设的快速发展，架空线的数量呈指数式增长，电力电缆凭借其占地面积少、维护工作量小和可靠性高等优点而被广泛应用。因此，为减轻城市线路通道的压力，输电系统需向架空线—电缆混合线路转变[1-5]。

空载线路合闸是在电力系统中比较常见的操作，合闸过电压在超高压及特高压系统中，已经成为决定电网绝缘水平主要依据。架空线和电缆两者在阻抗参数上有着显著的区别，由于架空线波阻抗远大于电缆线路，架空线和电缆接口处波阻抗不连续，导致过电压波在传播过程中会产生复杂的折反射现象[6]。因此，为保证系统安全、稳定的运行，有必要对架空线—电缆混合线路的过电压特性展开研究。

国内外学者对合闸过电压展开了广泛地研究。文献[7]利用ATP/EMTP仿真软件对某地区220 kV电缆进行合闸仿真，得出合闸过电压的分布规律并研究了合闸相位对合闸过电压的影响；文献[8]等采用电磁暂态仿真软件ATP/EMTP,对合闸空载线路时，高压单芯电缆护套的过电压进行了仿真计算,得出电缆导体上的2%统计过电压倍数为1.50, 金属护套上的2%统计过电压倍数为0.20；文献[9]运用ATP/EMTP仿真软件研究了330 kV架空线空载合闸时，合闸电阻大小对限制空载线路合闸过电压的影响，得到系统过电压幅值与合闸电阻大小呈反比关系。但实际情况下，断路器三相之间存在一定程度的不同期性，文献[10]利用PSCAD仿真软件中的Multiple Run组件，分析了某500 kV超高压交流系统合闸过电压与合闸同期性之间的关系。目前国内外对合闸过电压研究多为单一种类线路，而对于架空线—电缆混合线路合闸过电压特性的研究较少。

本文利用PSCAD仿真软件，搭建220 kV超高压架空线—电缆混合线路仿真模型，分别对该混合线路架空线同期与非同期合闸操作过电压进行仿真分析，研究合闸电阻与合闸相角对合闸过电压幅值的影响。

1 合闸过电压

1.1 合闸过电压形成

合闸过电压发生的根本原因是系统初始状态和稳态的电压幅值存在差异。断路器合闸前，一端为电源电压，另一端空载线路初始电压为零；断路器合闸后，线路电压不变，维持初始零值，此时在断路器两侧存在电压差，进而产生过电压振荡[11-12]。

但实际工程中，断路器合闸时会存在一定程度的三相不同期，当一相或两相先合闸，三相电路不对称运行，通过电容耦合使各相架空线电压发生变化。具体分析如图1所示。

图1 三相不同期合闸电容耦合电路Figure 1 Three-phase non-synchronous closing capacitive coupling circuit

若A相先合闸，达到稳态后其电压满足U1=EA。通过相间电容耦合，使未合闸的B相与C相感应出同极性电压，此时B相电压U2与C相电压U3为

(1)

若B、C两相分别在电压达到峰值EB、EC时合闸，过电压幅值等于稳态幅值与振荡幅值之和，B相过电压幅值和C相过电压幅值为

(2)

若B、C相在合闸时的稳态电压EB、EC的极性与感应电压U2、U3的极性相反时，过电压倍数增大。

在架空线—电缆系统中，当电压行波由架空线向电缆传播时，由于架空线与电缆的波阻抗不同，会发生折反射现象。如图2所示，AB为架空线部分，Z0为波阻抗，BC为电缆部分，波阻抗为Zc。

图2 架空线—电缆系统折反射Figure 2 Overhead line-cable system refraction and reflection diagram

在电缆首端，电压波由架空线传入电缆时，得到折反射电压为

(3)

电缆线路波阻抗小于架空线路波阻抗，因此在连接点B处，电压折射波与反射波幅值减小，均小于入射波幅值，且折射波极性与入射波相同，而反射波极性与入射波相反[13]。

在电缆末端，电缆电压行波一部分传至架空线，一部分反射回电缆线。根据上述原理，可得到电缆传至架空线时，折反射电压为

(4)

电缆线路波阻抗小于架空线路波阻抗，因此在连接点B处，电压折射波幅值大于入射波幅值，折射波与反射波的极性规律与电缆首端相同。

2 220 kV架空线—电缆系统模型建立

2.1 架空线与电缆参数

该架空线—电缆系统依托浙江省洛迦—鱼东220 kV线路工程，具体线路拓扑结构如图3所示。其中，220 kV架空线总长为11.8 km，采用二分裂LGJ-630/45钢芯铝绞线，接地导线采用 LGJ-120/25钢芯铝绞线。电缆长为6.58 km，采用型号为YJLW-127/220 1×630的交联聚乙烯绝缘电缆。

图3 线路拓扑结构Figure 3 Line topology

在PSCAD仿真软件中，架空线和电缆选取与频率相关且能反映过电压波过程的J.Marti模型[13]。架空线结构如图4所示。电缆部分采用三相水平排布的单芯同轴电缆，每相电缆之间间隔为0.35 m，电缆结构如图5所示。

图4 架空线排布Figure 4 Overhead line layout diagram

图5 单芯同轴电缆结构Figure 5 Single-core coaxial bridge cable structure

为限制金属护套层感应电压、减少中间接头数量, 电缆往往采用交叉互联接地[14]。本工程中，与架空线相连的电缆部分，首尾段采用护套单端接地，中间部分采用护套交叉互联的连接方式，交叉互联接地段长为1.8 km，单端接地端长为0.59 km，采用一端直接接地，另一端经护层保护器接地的连接方式。通常在交叉互联接头处过电压幅值较大[15]，因此本文在电缆交叉互联处选取6个测量点，分别距离电缆首端和末端1.19、1.79、2.39 km，如图6所示。

图6 电缆连接Figure 6 Cable connection

2.2 护层保护器参数

电力行业标准DL/T 401—2002《高压电力电缆选用导则》中指出电缆经护层保护器接地，可减小过电压对电缆护套的危害，从而保护电缆。该工程采用起始动作电压为4 kV的LHQ-220型号的护层保护器。其伏安特性曲线如图7所示。

图7 护层保护器的伏安特性Figure 7 Sheath protector V-I characteristics

2.3 合闸过电压仿真模型

由于操作过电压的幅值服从概率分布，且操作过电压的幅值具有一定的随机性，若按照操作过电压的最大值来确定设备的绝缘，会导致设备绝缘水平设置过高，故可用2%统计过电压来确定绝缘。通常运用蒙特卡洛法对随机变量进行统计，计算所得的2%统计过电压，即置信概率水平在98%内的过电压值，满足P(U>U2%=0.02)[16]。

tj=t0+Δtj，j=A,B,C

(5)

式中t0为三相触头合闸的平均时间，由断路器的性能参数而决定；Δtj为在区间(-Δtm，Δtm)内服从正态分布的三相不同期时间；tj为各相触头的实际合闸时间。

在PSCAD软件中使用Multiple Run组件来模拟多次合闸操作，如图8所示。

图8 Multiple Run组件Figure 8 Multiple Run component

该组件工作原理如图9所示。T、a、b、c均是通过Multiple Run组件输出，其中，T为服从均匀分布的时间序列，a、b、c为在-0.001 5～0.001 5 s区间内服从正态分布的时间序列；a1、b1、c1信号为断路器三相合闸的时间命令，在T信号的基础上，分别加上了a、b、c的时间偏移。

图9 Multiple Run模拟三相不同期合闸Figure 9 Multiple Run simulation of three-phase non-synchronous closing

3 合闸过电压仿真分析

3.1 合闸同期性对合闸过电压的影响

在实际应用中计算合空载线路的统计过电压时，过电压服从正态分布，按照工程规定，抽样次数应大于120次[16]。

在合闸时间和测量位置固定的情况下，得到A相架空线在不同计算次数下过电压变化情况，如表1所示。由表1可知，不同计算次数对同一仿真算例的合闸过电压U2%影响较小，合闸过电压变化波动不足0.1%，因此可知计算次数对操作过电压的性质和变化规律上没有本质的影响。

表1 计算次数对架空线合闸过电压的影响Table 1 The influence of calculation times on the closing overvoltage of overhead lines

在实际合闸过程中，合闸的不同期时间的大小也会对合闸过电压产生影响。因此可选取A相电压过零时合闸，统计次数均为120次，探究不同期时间对合闸过电压的影响。根据国标规定，当各相的同期性未作特殊规定时，分、合闸不同期不应大于5 ms，因此本文选取0.001 5、±0.003 0、±0.005 0 s作为三相不同期时间，测量线路首端过电压情况，如表2所示。由表2可知，随着不同期时间增大，合闸过电压值略有增加。

表2 不同期时间对架空线合闸过电压的影响Table 2 The influence of different periods of time on the closing overvoltage of overhead lines

3.2 合闸电阻对合闸过电压的影响

合闸可分为2个阶段，第1阶段辅助触头接通，使并联合闸电阻串入阻尼回路；合闸第2阶段，主触头闭合，并联合闸电阻被短接，电路如图10所示。

图10 合闸电路Figure 10 Closing circuit diagram

2个合闸阶段对并联合闸电阻的要求不一致，为兼顾两阶段，R通常取300～600 Ω[16]。

里奇是基于传统摄影底片照片的保存中可能存在的损伤老旧，从而暗示人们亘古以来的艺术品膜拜和商品拜物教观念将在数码时代的摄影中被荡平。因为数码摄影是以马赛克形式存在，副本与原作没有区别，追求“原作”行为在数码摄影中毫无意义，从而为论证数码摄影的优势、社会性使用以及与赛博格的联姻打下基础。认识到这一点尤为重要，正是人们对摄影的复制性、灵活性和融合性等的科学认识和技术开发，摄影才能够与任何媒介交互关联，成为“融媒介”和“超摄影”，发挥政治的、商业的、社会的、科学的和文化的功用，而不仅仅囿于艺术的窠臼。

合闸第1阶段，线路直接投入合闸电阻时，分别选取合闸电阻为300、400、500 Ω，在A相电压过零点(t=0.1 s)合闸，测量点位于线路末端，得到架空线电压数据如表3所示。对比可知：接入合闸电阻后，合闸过电压值较无合闸电阻时有明显下降，过电压幅值约减小3倍，且过电压幅值与合闸电阻呈反比关系。

表3 合闸电阻限制架空线合闸过电压的作用Table 3 The function of closing resistance to limit the closing overvoltage of overhead line

电缆线路在如图6所示的6个测量点时，不同合闸电阻下，电缆护套过电压的情况如图11所示。合闸电阻的大小并不影响电缆护套过电压变化趋势，即测量点4处均为护套过电压第一个明显的峰值点；过电压波在传播过程中，幅值会有所衰减，中等长度的电缆，在电缆末端过电压波发生反射，因此合闸过电压传至电缆末端时会升高。设置合闸电阻可以有效地限制合闸过电压侵入电缆，合闸电阻越大，对电缆护套过电压限制效果越明显；未设置合闸电阻时，末端过电压幅值小于第1个明显峰值点，即电缆末端测量点6为第2个峰值点，而随着合闸电阻的增加，末端反射作用愈发明显，此时电缆末端为护套过电压最大值。

图11 不同合闸电阻下电缆护套过电压Figure 11 Overvoltage of cable sheath under different closing resistance

在PSCAD中通过对断路器进行时间上的配合操作，实现2个阶段合闸的配合，即多级合闸。除传统的单级并联电阻外，还可采用多级并联电阻的方法进行过电压的限制[17]。

以本工程中的B相为例，采用多级并联电阻，其中BRK22控制第1级400 Ω合闸电阻接入，BRK21控制第2级100 Ω合闸电阻接入，BRK2为主触头，多级并联合闸电阻的电路如图12所示。

图12 多级合闸电路Figure 12 Multi-level closing circuit diagram

不同合闸配合下架空线过电压情况如表4所示。由表4可知，多级合闸可减小对线路冲击减小，使系统原本残留的能量得到一次释放，进而减小了冲击电压的幅值。采用多级并联合闸电阻比单级并联合闸电阻更有效地限制操作过电压倍数。

表4 不同合闸配合下架空线过电压情况Table 4 Overvoltage situation of overhead lines under different closing coordination

合闸过电压侵入到电缆部分，得到电缆护套过电压幅值变化，如图13所示。随着合闸电阻级数的增加，过电压幅值有所减小。以电缆首端测量点1处的护套过电压幅为例，采用多级合闸电阻，电缆护套过电压最大值减小至1.95 kV，与单级合闸电阻首端护套过电压3.02 kV相比，减小54%。

图13 单级与多级合闸电阻时电缆护套过电压Figure 13 Overvoltage of cable sheath in single-stage and multi-stage closing resistors

3.3 合闸相角对合闸过电压的影响

合闸时，电源电压的相位对过电压有直接影响，因此，应选取具有代表性的相位进行合闸模拟[9]。在无合闸电阻的情况下，设置不同期时间为±0.001 5 s，选取0.095 s(电源电压为负峰值)、0.1 s(电源电压为零)和0.085 s(电源电压为正峰值)这3个不同的合闸时刻，测量A相架空线第一分档处合闸过电压。合闸时间影响了合闸相位，进而对架空线合闸过电压产生影响。当合闸相角为0°时，合闸过电压最小，产生1.47倍过电压；当合闸相角为±90°时，合闸过电压最大，产生1.94倍过电压。因此，在电源电压过零时合闸，可降低合闸过电压，利于系统稳定。

当理想情况下，三相之间不存在不同期性，在上述3个合闸时间同时合闸，计算A相架空线第一分档处合闸过电压，对比三相同期与不同期合闸时架空线过电压的影响，如表5所示数据。通过对比三相同期与不同期合闸情况下的统计过电压可知，由于三相之间存在电感和电容的相互耦合，在未合闸相上感应出与已合闸线路相同极性的电压，叠加后使过电压幅值增大。考虑三相不同期性时，统计过电压比不考虑时幅度增加10%～20%。

表5 同期性与架空线过电压的关系Table 5 Relationship between synchronization and overhead line overvoltage

电缆护套过电压同样也受到合闸时间的影响，6个测量点处过电压幅值变化趋势如图14所示。这2个合闸时刻，电缆首端与末端护套过电压均呈现合闸相角为0°时小于合闸相角为±90°。但不同合闸时刻，测量点4处的电压却呈现不同的变化趋势，这是由于波的传递过程，0.1 s合闸滞后于0.095 s合闸1/4个周期，因此合闸过电压波经过每个测量点，在电缆护套上产生的过电压变化趋势也整体滞后。合闸相角为±90°时电缆首端和末端的护套过电压幅值均较合闸相角为0°时有增加，这是因为系统在电源峰值时合闸，用于产生过电压的电磁能量越大，因而有架空线传输至电缆的过电压幅值有所增加。

图14 电缆护套过电压与合闸时间的关系Figure 14 Relationship between cable sheath overvoltage and closing time

因此，为避开合闸相角φ0=±90°造成的过电压，选相投切技术得到广泛地应用，即断路器的 A、B、C 三相可以实现非同期合闸，根据选相合闸策略，选取最佳合闸相位，即各相电压过零点时合闸，可以达到抑制线路过电压的目的，减小过电压对设备的冲击，有利于系统的稳定。

4 结语

本文利用PSCAD仿真软件对某地区220 kV超高压架空线—电缆混合线路的合闸过电压进行仿真计算，分析了架空线合闸操作时产生的合闸过电压特性以及合闸过电压传输至电缆处，电缆护套过电压的变化，得到如下结论。

1)由于架空线和电缆接口处波阻抗不连续，电压波在传播过程中会产生复杂的折反射现象，因此电缆护套处的过电压幅值呈现周期性波动，电缆中间部分的护套过电压幅值最大，且反射波的叠加作用将进一步增加电缆末端的过电压幅值。

2)架空线合闸过电压幅值与合闸电阻大小呈反比关系，采用多级合闸电阻，能够使能量逐级释放，可更有效地限制操作过电压。过电压波传输至电缆，电缆护套过电压值呈现波动变化，但随着合闸电阻的增加，线路末端的反射作用愈加明显，电缆末端护套过电压成为最大值。

3)三相之间存在电感和电容的相互耦合，在未合闸相上感应出与已合闸线路相同极性的电压，叠加后使过电压幅值增大。考虑三相不同期性，合闸过电压幅值增加10%～20%。

4)根据选相合闸策略，在电源电压过零时合闸，可以有效地降低架空线处的合闸过电压，进而降低侵入电缆的过电压幅值，有利于系统稳定运行。电缆护套上产生的过电压变化趋势与合闸时间密切相关，合闸相角为±90°时，电缆首末端的护套过电压较0°时合闸增加约1 kV。