特高壓輸電系統(tǒng)過電壓研究及仿真課件

1、高電壓技術(shù)課題小組論文特高壓輸電系統(tǒng)過電壓研究 -工頻過電壓的仿真與幅值比較摘要:隨著我國電力需求的快速增長，建設(shè)特高壓電網(wǎng)已成為解決電網(wǎng)發(fā)展需求的必然選擇。而限制特高壓輸電系統(tǒng)的過電壓水平是特高壓輸電工程建設(shè)的關(guān)鍵課題。本文簡述了國內(nèi)外特高壓交、直流的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r，特高壓輸電過電壓的分類，并結(jié)合PSCAD/EMTDC仿真軟件，對工頻過電壓進(jìn)行了研究討論。關(guān)鍵詞:特高壓電網(wǎng) 直流 交流 比較過電壓 仿真 計(jì)算 一、概述特高壓電網(wǎng)指1000千伏的交流或+800千伏的直流電網(wǎng)。特高壓電網(wǎng)形成和發(fā)展的基本條件是用電負(fù)荷的持續(xù)增長以及大容量、特大容量電廠的建設(shè)和發(fā)展，其突出特點(diǎn)是大容量、遠(yuǎn)距離輸電.

2、 用電負(fù)荷的持續(xù)增長以及大容量、特大容量電廠的建設(shè)和發(fā)展呼喚特高壓電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)。那么，在世界范圍內(nèi)，雖然特高壓輸變電技術(shù)的儲備是足夠的，但取得的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是初步的，還存在風(fēng)險(xiǎn)和困難，有些技術(shù)問題還需要進(jìn)行深入的研究，同時(shí)累積運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。我們小組通過相關(guān)仿真軟件的計(jì)算和仿真，來著重研究特高壓輸電系統(tǒng)內(nèi)的過電壓問題。特高壓交流輸電線路具有輸送容量大、輸電損耗低、節(jié)約線路走廊等優(yōu)點(diǎn)，特高壓電網(wǎng)的建設(shè)可很好地解決超高壓線路輸送能力不足、損耗大、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)線路走廊緊張以及超高壓系統(tǒng)短路容超標(biāo)等問題，在發(fā)電中心向負(fù)荷中心遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸電、超高壓電網(wǎng)互聯(lián)等情況下具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境優(yōu)勢，是我國電網(wǎng)發(fā)展的方向

3、。 大容量、遠(yuǎn)距離的特高壓系統(tǒng)自身的無功功率很大，每100 km的1000 kV線路無功可達(dá)530 Mvar左右，這使得特高壓系統(tǒng)在甩負(fù)荷時(shí)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的工頻過電壓。由于工頻過電壓種類眾多，尤其是同塔雙回線路更多，若計(jì)算所有種類過電壓則工作量巨大。目前過電壓計(jì)算中一般選取幅值較高的幾種過電壓進(jìn)行計(jì)算，但由于對各種過電壓幅值相對大小的認(rèn)識存在差異，已有文獻(xiàn)在計(jì)算中選取的工頻過電壓種類存在差異，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工頻過電壓水平存在一定偏差。 二、特高壓輸電系統(tǒng)的分類特高壓輸電技術(shù)是指在500kV以及750kV交流和500kV直流之上采用更高一級電壓等級的輸電技術(shù)，包括交流特高壓輸電技術(shù)和直流特

4、高壓輸電技術(shù)兩部分,由特高壓骨干網(wǎng)架、超高壓、高壓輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)及高壓直流輸電系統(tǒng)共同構(gòu)成的分層、分區(qū),結(jié)構(gòu)清晰的大電網(wǎng)。特高壓輸電是在超高壓輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展的，其目的仍是繼續(xù)提高輸電能力，實(shí)現(xiàn)大功率的中、遠(yuǎn)距離輸電，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電力系統(tǒng)互聯(lián)，建成聯(lián)合電力系統(tǒng)。其具體分為特高壓直流輸電系統(tǒng)和特高壓交流輸電系統(tǒng)。 1、特高壓直流輸電系統(tǒng)概述目前，特高壓直流輸電技術(shù)在全世界都還沒有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在可行性研究階段不僅需要對電磁環(huán)境影響、絕緣配合和外絕緣特性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，而且還需要結(jié)合特高壓的特點(diǎn)對輸電方案擬定、換流站站址及接地極極址選擇、線路路徑選擇以及系統(tǒng)方案比較等主要技術(shù)原則進(jìn)行充分

5、論證，才能為項(xiàng)目業(yè)主和政府主管部門提供可靠的決策依據(jù)。在全世界范圍內(nèi)，其發(fā)展現(xiàn)狀如下：20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)曾動(dòng)工建設(shè)哈薩克斯坦中俄羅斯的長距離直流輸電工程，輸送距離為2400km，電壓等級為750kV，輸電容量為6GW；巴西和巴拉圭兩國共同開發(fā)的伊泰普工程采用了600kV直流和765kV交流的超高壓輸電技術(shù)，第一期工程已于 1984年完成，1990年竣工，運(yùn)行正常；1988-1994 年為了開發(fā)亞馬遜河的水力資源，巴西電力研究中心和ABB組織了包括800kV 特高壓直流輸電的研發(fā)工作，后因工程停止而終止了研究工作。2、 特高壓交流輸電系統(tǒng)概述特高壓交流輸電是指1000千伏及以上的交流輸電，具

6、有輸電容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、占地少等突出優(yōu)勢。特高壓交流輸電線路具有輸送容量大、輸電損耗低、節(jié)約線路走廊等優(yōu)點(diǎn)，特高壓電網(wǎng)的建設(shè)可很好地解決超高壓線路輸送能力不足、損耗大、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)線路走廊緊張以及超高壓系統(tǒng)短路容量超標(biāo)等問題，在發(fā)電中心向負(fù)荷中心遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸電、超高壓電網(wǎng)互聯(lián)等情況下具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境優(yōu)勢，是我國電網(wǎng)發(fā)展的方向。特高壓交流輸電系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：按自然傳輸功率計(jì)算，1條特高壓線路的傳輸功率相當(dāng)于45條500kV超高壓線路的傳輸功率（約40005000MVA），這將節(jié)約寶貴的輸電走廊和大大提升中國電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的能力。技術(shù)的角度看，采用特高壓輸電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)提高電網(wǎng)輸

7、電能力的主要手段之一，還能夠取得減少占用輸電走廊、改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢；從經(jīng)濟(jì)方面的角度看，根據(jù)目前的研究成果，輸送10GW水電條件下，與其它輸電方式相比，特高壓交流輸電有競爭力的輸電范圍能夠達(dá)到10001500公里。如果輸送距離較短、輸送容量較大，特高壓交流的競爭優(yōu)勢更為明顯。特高壓交流輸電的發(fā)展前景：電力系統(tǒng)和輸電規(guī)模的擴(kuò)大，世界高新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了特高壓輸電技術(shù)的研究。從上世紀(jì)60年代開始，前蘇聯(lián)、美 國、日本和意大利等國，先后進(jìn)行基礎(chǔ)性研究、實(shí)用技術(shù)研究和設(shè)備研制，已取得了突破性的研究成果，制造出成套的特高壓輸電設(shè)備。前蘇聯(lián)已建成額定電壓1150kV（最高運(yùn)行l(wèi)200kV）的交流

8、輸電線路1900多公里并有900公里已經(jīng)按設(shè)計(jì)電壓運(yùn)行；日本已建成額定電壓l0OOkV(最高運(yùn)行電壓llOOkV)的同桿雙回輸電線路426公里。百萬伏級交流線路單回的輸送容量超過5000MW，且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性，作為中、遠(yuǎn)距離輸電的基干線路，將在電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展中起重要的作用。三、特高壓輸電系統(tǒng)過電壓的分類特高壓輸電系統(tǒng)中的內(nèi)過電壓形式主要有：操作過電壓，暫時(shí)過電壓（工頻過電壓和諧振過電壓）等。國內(nèi)外對特高壓輸電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的研究主要集中在操作過電壓和工頻過電壓(主要是甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高)。特高壓輸電系統(tǒng)中的外部過電壓主要是雷擊過電壓。 1、工頻過電壓工頻電壓升高主要是由空載

9、線路電容效應(yīng)、不對稱接地故障和甩負(fù)荷等原因引起的，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)及運(yùn)行方式有關(guān)。由于特高壓輸電線路的充電功率大、線路長，所以工頻暫態(tài)過電壓高。輸電線路長線方程如下：在特高壓輸電線路中，相對于線路的電感和電容，線路的電阻R和對地漏電導(dǎo)G非常小，在分析中可以忽略。當(dāng)線路末端開路時(shí)，末端線路電壓與電源電勢的關(guān)系如下：Zs是系統(tǒng)等值阻抗。式(2)表明，線路越長，系統(tǒng)等值阻抗越大，線路末端電壓也越大。限制工頻過電壓的措施主要有：（1）并聯(lián)高壓電抗器。由于并聯(lián)電抗器的電感能夠補(bǔ)償線路的對地電容，減小流經(jīng)線路的容性電流，消弱電容效應(yīng)，所以使用并聯(lián)高壓電抗器，是限制特高壓輸電線工頻過電壓的最主要手段。

10、選擇適當(dāng)?shù)碾娍蛊魅萘亢桶惭b位置，就可將工頻過電壓限制在允許的范圍內(nèi)。此外，并聯(lián)電抗器還涉及到無功平衡、潛供電流補(bǔ)償?shù)确矫娴膯栴}，因此必須綜合考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式及故障形式等各方面的因素，合理地選取電抗器的補(bǔ)償度和安裝位置。當(dāng)工頻電壓升高超過一定值時(shí)，可在線路上安裝并聯(lián)電抗器，補(bǔ)償線路的對地電容，消弱線路的電容效應(yīng)，抑制線路的電壓升高。電抗器可視需要，安裝在線路的首端、末端或中部。（2）使用可調(diào)節(jié)或可控高抗。重載、長線8090左右的高抗補(bǔ)償度，可能給正常運(yùn)行時(shí)的無功補(bǔ)償和電壓控制造成相當(dāng)大的問題，甚至影響到輸送能力MJ。解決此問題，比較好的方法就是使用可控或可調(diào)節(jié)高抗，即重載

11、時(shí)，運(yùn)行在低補(bǔ)償度，由電源向線路輸送的無功減少，使電源的電動(dòng)勢不至于太高，利于無功的平衡和提高輸送能力；當(dāng)出現(xiàn)工頻過電壓時(shí)，快速控制到高補(bǔ)償度。 （3）使用金屬氧化物避雷器(MOA)。 隨著金屬氧化物避雷器(MOA)性能的提高，使通過MOA來限制短時(shí)高幅值工頻過電壓成為可能，但對MOA的能量也提出了很高的要求。在我國，由于采用了高壓并聯(lián)電抗器，不需要將MOA作為限制工頻過電壓的主要手段，僅在特殊情況下考慮采用。 2、操作過電壓 操作過電壓是決定特高壓系統(tǒng)絕緣水平的最重要依據(jù)。特高壓系統(tǒng)主要考慮3種操作過電壓：合閘(包括單相重合閘)、跳閘和接地短路過電壓。 操作過電壓是特高壓電網(wǎng)絕緣水平的決定性

12、因素。當(dāng)開關(guān)操作或事故狀態(tài)引起系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)中各儲能元件之間的電磁能量相互轉(zhuǎn)換，就會(huì)產(chǎn)生操作過電壓。與工頻過電壓相比，操作過電壓具有幅值高、存在高頻振蕩、強(qiáng)阻尼及持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。由于操作過電壓與系統(tǒng)的額定電壓有關(guān)，所以特高壓輸電系統(tǒng)中的操作過電壓問題就更為突出。在特高壓系統(tǒng)中，常見的操作過電壓有以下幾種：切除空載線路過電壓(即跳閘過電壓)、合閘空載線路過電壓(即合閘過電壓)和接地短路過電壓等。以下介紹幾個(gè)操作過電壓的產(chǎn)生及各自的限制措施。 （1）跳閘過電壓。 切除空載線路是電力系統(tǒng)常見的操作之一。產(chǎn)生過電壓的原因是，斷路器跳閘的過程中發(fā)生電弧的重燃。斷路器切斷的是較小的容性電流

13、，通常為幾十安倍到幾百安倍，比短路電流小得多。但是，能夠切除巨大短路電流的開關(guān)卻不一定能夠不重燃的切斷空載線路。這是因?yàn)樵谔l初期，由于斷路器，特別是油斷路器觸頭間恢復(fù)電壓的上升速度有可能超過介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度，造成電弧的重燃，從而引起電磁振蕩，出現(xiàn)過電壓。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，斷路器的滅弧能力越差，電弧重燃的幾率就越大，過電壓的幅值也就越高。值得說明的是，由于受到一系列復(fù)雜因素的影響，切除空載線路的過電壓不可能無限地增大。當(dāng)過電壓較高時(shí)，線路上就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈現(xiàn)象，電暈損耗將消耗過電壓波的能量，引起過電壓波的衰減，限制過電壓的升高。當(dāng)母線上有幾回出線時(shí)，相當(dāng)于母線電容增大，可以降低線路上初始電

14、壓的絕對值，并吸收部分振蕩能量，而其有功負(fù)荷又能增強(qiáng)阻尼效應(yīng)，使重燃時(shí)的過電壓相應(yīng)地降低。對于跳閘過電壓，避免斷路器觸頭發(fā)生重燃是限制跳閘過電壓的根本措施。因此，改善斷路器的結(jié)構(gòu)，提高觸頭間介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度和滅弧能力，可有效限制跳閘過電壓。另外，給斷路器并聯(lián)合適阻值的電阻，采用性能優(yōu)良的金屬氧化物避雷器和給線路安裝并聯(lián)電抗器等措施，也可用來限制跳閘空載線路的過電壓。 （2）合閘過電壓。 合閘于空載線路是電力。系統(tǒng)中常見的一種操作，通?？煞譃?種情況：一種是正常、有計(jì)劃的合閘，如線路檢修后投入運(yùn)行，根據(jù)調(diào)度需要對送電線路的合閘操作等，此時(shí)在合閘之前，線路上不存在任何異常，線路上起始電壓為0；合閘后

15、，線路各點(diǎn)電壓由0過渡到考慮電容效應(yīng)后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值，此過渡過程中會(huì)出現(xiàn)合閘過電壓。由于線路具有分布參數(shù)特性，所以振蕩電壓將由工頻穩(wěn)態(tài)分量和無限多個(gè)逐漸衰減的諧波分量疊加組成。另一種合閘操作是運(yùn)行線路發(fā)生單相接地故障，由繼電保護(hù)系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)一短時(shí)間再合閘，即自動(dòng)重合閘操作。 隨著斷路器制造水平和滅弧能力的提高，跳閘過電壓得到了有效的抑制，于是合閘空載線路過電壓就成為特高壓系統(tǒng)絕緣的主要矛盾。尤其是重合閘過電壓，是選擇特高壓輸電線絕緣水平的決定性因素。 限制合閘過電壓的措施很多，首先是限制工頻電壓的升高，可以通過在線路上并聯(lián)電抗器來實(shí)現(xiàn)；對于雙端電源供電的輸電線路，讓電源容量較大的一側(cè)先

16、進(jìn)行合閘操作，電源容量較小的一側(cè)后進(jìn)行合閘操作，也可有效地降低工頻過電壓；再者，消弱合閘前線路的殘余電壓、給斷路器加裝合閘電阻、采用金屬氧化物避雷器等，都是抑制合閘過電壓的有效手段。 表1列出的國外特高壓系統(tǒng)操作過電壓水平多為1.6p.U.。國內(nèi)武漢高壓所對三峽一華東系統(tǒng)的研究也證實(shí)操作過電壓限制到1.6p.U.是可行的。由于我國特高壓輸電線路要裝電抗器，此類過電壓不高，去1.4p.u.是合適的。 并聯(lián)合分閘電阻是限制操作過電壓一個(gè)重要措施，最大過電壓倍數(shù)與并聯(lián)電阻的關(guān)系見圖1所示。 3、雷擊過電壓 雷電過電壓指雷云放電時(shí)，在導(dǎo)線或電氣設(shè)備上形成的過電壓。由于特高壓輸電線路桿塔高度高，導(dǎo)線上工

17、作電壓幅值很大，比較容易產(chǎn)生從導(dǎo)線向上先導(dǎo)，從而引起避雷線屏蔽性能變差。這一點(diǎn)不但可從電氣幾何理論上得到解釋，運(yùn)行情況也提供了佐證。前蘇聯(lián)的特高壓輸電線路采用水平拉線v型桿塔，桿塔高度約為46m，而日本特高壓架空輸電線路采用同塔雙回路、三相導(dǎo)線垂直排列的自立式桿塔，塔高88-148m。前蘇聯(lián)的特高壓架空輸電線路運(yùn)行期間內(nèi)曾多次發(fā)生雷擊跳閘，基本原因是在耐張轉(zhuǎn)角塔處雷電繞擊導(dǎo)線。日本特高壓架空輸電線路在降壓運(yùn)行期間雷擊跳閘率也很高，據(jù)分析是線路遭到側(cè)面雷擊引起了絕緣子閃絡(luò)。 國內(nèi)外對架空輸電線路雷電繞擊進(jìn)行了大量研究工作。我國已對擬建的交流1000kV特高壓輸電線路的四種塔型(M型水平排列、M型

18、三角排列、3V型水平排列和3V型三角排列)的避雷線屏蔽性能進(jìn)行初步研究。 通過對各種塔型在不同保護(hù)角情況下的雷擊跳閘率分析比較表明，特高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因是避雷線屏蔽失效，雷電繞擊導(dǎo)線造成的。在工程設(shè)計(jì)中要充分關(guān)注雷電繞擊防護(hù)的重要性，特別是對耐張塔和轉(zhuǎn)角塔也要專門研究、精心設(shè)計(jì)、務(wù)必使其也具有較小的保護(hù)角。采用良好的避雷線屏蔽設(shè)計(jì)，是提高特高壓輸電線路耐雷性能的主要措施。對于山區(qū)、因地形影響(山坡、峽谷)，避雷線也可能要取負(fù)保護(hù)角。四、特高壓輸電系統(tǒng)工頻過電壓的計(jì)算及仿真 1、仿真軟件 為了研究電力系統(tǒng)暫態(tài)和動(dòng)態(tài)現(xiàn)象對電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬是必須

19、的。用于電力系統(tǒng)分析的仿真工具有3類：(1)混合仿真器(如IREQ和CEPRI的仿真器)；(2)離線數(shù)字仿真軟件包(如EMTP及其派生的軟件)；(3)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(如魁北克水電局的HYPERSIM和盯DS公司的RTDS)。對仿真技術(shù)要求應(yīng)包括如下所有項(xiàng)目：(1)模型的精確度和可信度；(2)模型的功能和靈活性；(3)完成一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的速度和系統(tǒng)規(guī)模；(4)實(shí)時(shí)狀態(tài)下的重復(fù)性仿真模式。由于離線數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，目前的數(shù)字仿真軟件已經(jīng)被應(yīng)用于許多研究中，下面就分別介紹數(shù)字仿真軟件中的機(jī)電暫態(tài)仿真軟件和電磁暫態(tài)仿真軟件。 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序常見的有各種版本的E)ATP程序，以及由加拿大Man

20、itoba直流輸電研究中心開發(fā)的PSCADEMTDC程序和由西門子公司開發(fā)的NETOMAE程序等。電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序的主要特點(diǎn)是： (1)考慮系統(tǒng)某一局部的詳細(xì)動(dòng)態(tài)過程，而將待研究之外的系統(tǒng)做一定的等值，傳統(tǒng)上只用于研究持續(xù)時(shí)間短的過程，如大氣過電壓和操作過電壓問題(過程持續(xù)的時(shí)間在幾十毫秒內(nèi))，HVDC輸電和FACTS等電力電子裝置問題以及次同步振蕩電磁諧振等問題上。 數(shù)學(xué)模型上，根據(jù)研究過程的不同，發(fā)電機(jī)模型可以是相當(dāng)簡化的等效電源模型，也可以是詳細(xì)的park方程模型，甚至是考慮轉(zhuǎn)子多剛體結(jié)構(gòu)的模型，電力網(wǎng)絡(luò)采用相坐標(biāo)系統(tǒng)，即采用a、b、c三相模型，且必須用微分方程描述，系統(tǒng)中的物理

21、量是瞬時(shí)值，而不是相量。 PSCADEMTDC的主庫包括如下元件： (1)網(wǎng)絡(luò)元件：無源RLC元件、帶飽和特性的變壓器。參數(shù)隨頻率變化的輸電線路和電纜、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)、斷路器、避雷器、電源； (2)控制模塊：微分環(huán)節(jié)、延遲環(huán)節(jié)、差分延遲環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)、復(fù)數(shù)極點(diǎn)、實(shí)數(shù)極點(diǎn)、超前滯后環(huán)節(jié)、阻尼環(huán)節(jié)、計(jì)時(shí)環(huán)節(jié)； (3)電力電子器件：晶閘管，二極管和GTO、6或12脈動(dòng)HVDC換流橋、SVC、STATCOM； (4)側(cè)量表計(jì)：電壓電流有效值表(單相或者三相)、有功和無功表、峰值測量表、相角測量表、頻率測量表。除上面已列出的元件之外，程序中還有很多電動(dòng)機(jī)模型、新的控制函數(shù)、輸電線路以及變壓

22、器模型等。 2、工頻過電壓仿真與比較 2.1、工頻過電壓的仿真計(jì)算條件 采用PSCAD/EMTDC 仿真軟件，建立特高壓交流工頻過電壓計(jì)算模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。1 000 kV 特高壓交流線路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中：Xm、Xn 分別為m 端和n 端電源的等值阻抗；Em、En 分別為兩端電源的等值電勢，計(jì)算中通過調(diào)節(jié)Em、En 保持母線電壓為1 100 kV；Lp 為高抗，總補(bǔ)償度為85%。由于我國特高壓線路一般較長，規(guī)劃中線路長度半數(shù)在300500 km 范圍內(nèi)，本文以400 km 的線路為例進(jìn)行計(jì)算，線路按照規(guī)程進(jìn)行2次全循環(huán)換位?？紤]特高壓系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種極端情況，特高壓線路電源阻抗變化范

23、圍取40180 ，零正序阻抗比變化范圍0.42.6。由于甩負(fù)荷類過電壓在其他條件相同的情況下，輸送功率越大則過電壓越大，為得出各種過電壓可能出現(xiàn)的最大值從而對其進(jìn)行比較，本文在計(jì)算中單、雙回線路均輸送最大功率，即將送、受端功角差調(diào)至最大?？紤]30%的靜穩(wěn)定裕度，單、雙回運(yùn)行方式下功角差均取44。此時(shí)，電源阻抗越大，功率越小。在阻抗為40 時(shí)，單、雙回線路功率分別可達(dá)5 000 MW 和23 500 MW；在阻抗為180 時(shí)，線路功率可達(dá)3 000 MW 和21 700 MW。仿真采用平原地區(qū)特高壓桿塔，單、雙回線路桿塔分別采用貓頭塔和鼓形塔，如圖2 所示。單回線路導(dǎo)線選用鋼芯鋁絞線8LGJ50

24、0/35，雙回線路導(dǎo)線為8LGJ630/45，分裂間距均為400 mm。 2.2、工頻過電壓種類 導(dǎo)致特高壓線路出現(xiàn)工頻過電壓的原因主要有容升效應(yīng)、甩負(fù)荷效應(yīng)和不對稱接地故障，且特高壓工頻過電壓往往由幾種因素相互組合、共同作用產(chǎn)生；因此，其工頻過電壓種類繁多。特高壓線路由于輸送容量大、甩負(fù)荷效應(yīng)強(qiáng)，其與甩負(fù)荷相關(guān)的工頻過電壓最為嚴(yán)重。規(guī)程規(guī)定，特高壓線路主要考慮線路無故障甩負(fù)荷和在線路有接地故障情況下甩負(fù)荷這2 類故障時(shí)的工頻過電壓。單、雙回特高壓線路工頻過電壓的具體種類如圖3所示。（1）單回特高壓線路工頻過電壓主要考慮無故障甩負(fù)荷和單相接地甩負(fù)荷2 種。由于兩相接地引起線路一端三相分閘故障發(fā)

25、生概率很小，通常只酌情考慮。（2）同塔雙回特高壓線路需分單回運(yùn)行和雙回運(yùn)行2 種工況進(jìn)行研究。同塔雙回線路單回運(yùn)行時(shí)的工頻過電壓主要包括運(yùn)行回路無故障甩負(fù)荷和單相、兩相接地甩負(fù)荷過電壓。雙回運(yùn)行時(shí)包括1 回甩負(fù)荷和2 回甩負(fù)荷2 種情況下的工頻過電壓。其中，1 回甩負(fù)荷包括1 回?zé)o故障甩負(fù)荷、1 回單相接地甩負(fù)荷和1 回兩相接地甩負(fù)荷；2 回甩負(fù)荷包括2回?zé)o故障甩負(fù)荷和接地故障后2 回甩負(fù)荷，其中接地故障后2 回甩負(fù)荷根據(jù)接地故障相不同又分為同名相接地甩負(fù)荷和異名相接地甩負(fù)荷。由于同塔雙回線路1 回兩相接地、同名相和異名相接地故障出現(xiàn)概率很小，通常只需要予以酌情考慮即可。工頻過電壓由于種類繁多

26、，導(dǎo)致計(jì)算量大，故有必要對不同種類工頻過電壓的幅值進(jìn)行比較，得出幅值較高的工頻過電壓種類，在研究計(jì)算中對其進(jìn)行重點(diǎn)考慮，使工頻過電壓計(jì)算簡化。 3 、不同種類工頻過電壓幅值比較 3.1 單回特高壓線路的工頻過電壓 無故障甩負(fù)荷主要由誤操作及繼電器誤動(dòng)所致，有一定出現(xiàn)概率；單相接地故障則較為常見，占線路故障總數(shù)的80%以上。兩相接地甩負(fù)荷過電壓僅由雷電反擊造成，在反擊耐雷水平為175 kA的500 kV 系統(tǒng)從未出現(xiàn)過反擊造成兩相接地的故障；計(jì)算表明1 000 kV 系統(tǒng)反擊耐雷水平超過250 kA，更不可能出現(xiàn)反擊造成的兩相接地故障，因此可認(rèn)為兩相接地故障幾乎不會(huì)發(fā)生，不應(yīng)作為研究重點(diǎn)。因此，

27、從出現(xiàn)概率角度出發(fā)，應(yīng)主要考慮無故障甩負(fù)荷過電壓和單相接地甩負(fù)荷過電壓。無故障甩負(fù)荷與接地甩負(fù)荷過電壓的區(qū)別由接地故障造成。接地故障使健全相電壓發(fā)生變化，單相和兩相接地前后健全相工頻電壓之比可表示為 由式(1)可以看出，從故障點(diǎn)向系統(tǒng)看過去的零/正序阻抗比若大于1，則接地故障會(huì)使健全相電壓升高。從故障點(diǎn)向系統(tǒng)看過去，首先是線路，然后才是電源，可見從故障點(diǎn)向系統(tǒng)看過去的零/正序阻抗比主要受線路阻抗影響。特高壓線路零/正序阻抗比約為2.6，遠(yuǎn)大于1，因此從故障點(diǎn)向系統(tǒng)看過去的零/正序阻抗比一般也大于1，從而使接地甩負(fù)荷過電壓幅值高于無故障甩負(fù)荷過電壓。因此從過電壓幅值角度考慮，單回特高壓線路應(yīng)重點(diǎn)

28、考慮接地故障后甩負(fù)荷過電壓。對長度為400 km 的單回線路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 可以看出，接地甩負(fù)荷過電壓均高于無故障甩負(fù)荷過電壓幅值。因此，單相接地甩負(fù)荷過電壓是單回線路工頻過電壓的最主要計(jì)算對象。 3.2 同塔雙回特高壓線路的工頻過電壓 與單回線路類似，同塔雙回線路上1 回兩相接地故障和同名相、異名相接地故障也只可能由雷電反擊造成，1 000 kV 系統(tǒng)反擊耐雷水平超過250 kA，雷電反擊導(dǎo)致這3 種故障發(fā)生的概率極低，故規(guī)程認(rèn)為酌情考慮上述3 種故障引起的甩負(fù)荷過電壓即可。因此，在實(shí)際工頻過電壓計(jì)算中不應(yīng)將1 回兩相接地和1 回甩負(fù)荷過電壓、同名相及異名相接地甩負(fù)荷引

29、起的過電壓作為研究重點(diǎn)。從出現(xiàn)概率的角度排除上述幾種過電壓之后，同塔雙回線路工頻過電壓還有以下5 種：單回運(yùn)行方式下的1 回?zé)o故障甩負(fù)荷和單相接地1 回甩負(fù)荷，雙回運(yùn)行方式下的1 回?zé)o故障甩負(fù)荷、單相接地1 回甩負(fù)荷以及2 回?zé)o故障甩負(fù)荷，如表1 所示。表1 特高壓雙回線路上出現(xiàn)概率較大的工頻過電壓種類 表1 中各種過電壓可按故障種類或運(yùn)行方式分為幾類，本文以同一類過電壓的比較為切入點(diǎn)，對表1 中各種工頻過電壓進(jìn)行分類比較。 （1）相同運(yùn)行方式下不同種類工頻過電壓的比較。從原理上考慮，與單回線路類似，不對稱接地對健全相電壓的提升作用會(huì)造成同塔雙回線路單相接地甩負(fù)荷過電壓的幅值高于相同運(yùn)行方式下

30、無故障甩負(fù)荷過電壓，幅值比較如圖5 所示。 以長度為400 km 的雙回線路為例進(jìn)行仿真。計(jì)算3 種無故障甩負(fù)荷過電壓幅值，計(jì)算中考慮電源正序阻抗及零/正序阻抗比的變化，結(jié)果如圖6 所示。 由式(1)可知，單相接地甩負(fù)荷過電壓隨系統(tǒng)零/正序阻抗比的增大而增大。系統(tǒng)零/正序阻抗比由線路和電源2 部分決定，由于線路零/正序阻抗比一般不變，系統(tǒng)零/正序阻抗比主要受電源零/正序阻抗比的影響。電源零/正序阻抗比越小，則系統(tǒng)零/正序阻抗比越小，過電壓越低?？紤]極端情況，電源零/正序阻抗比最小為0.4，此時(shí)單相接地甩負(fù)荷過電壓最小。由圖6 曲線可知，即使電源零/正序阻抗比低至0.4 時(shí)，單相接地甩負(fù)荷過電壓

31、仍大于無故障甩負(fù)荷過電壓。事實(shí)上，電源零/正序阻抗比很低至0.4，對于電源零/正序阻抗比很小的點(diǎn)對點(diǎn)線路，其等值電源零/正序阻抗比一般也在1 左右，此時(shí)，單相接地單回甩負(fù)荷過電壓更高于單回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓。（2）不同運(yùn)行方式下同類工頻過電壓的比較。 2 種方式甩負(fù)荷前后線路結(jié)構(gòu)的差異決定了2種過電壓幅值的相對大小。如圖7(a)所示，單回運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行的回路在甩負(fù)荷后僅與首端電源連在一起。但雙回運(yùn)行時(shí)(如圖7(b)所示)，甩負(fù)荷的回路不僅與首端電源相連，還通過另一回線路與末端電源相連，相當(dāng)于2 個(gè)并聯(lián)的電源與甩負(fù)荷后的空載線路相連，其電源的等值阻抗小于單回運(yùn)行方式，故雙回運(yùn)行方式下單回甩負(fù)荷考慮

32、電源阻抗的電容效應(yīng)也較弱。同時(shí)，對于單相接地1 回甩負(fù)荷，由于電源阻抗較小，雙回運(yùn)行方式下不對稱接地故障對健全相電壓的抬升幅度不如單回運(yùn)行方式，導(dǎo)致其過電壓偏低。其工頻過電壓的相對大小關(guān)系如圖8 所示。計(jì)算不同電源正序阻抗時(shí)，不同運(yùn)行方式下1回?zé)o故障甩負(fù)荷和單相接地1 回甩負(fù)荷引起的工頻過電壓幅值，仿真結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可以看出，對于1 回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓和單相接地1 回甩負(fù)荷過電壓，雙回運(yùn)行方式時(shí)的幅值均小于單回運(yùn)行方式。 （3）3 種無故障甩負(fù)荷過電壓的比較。3 種無故障甩負(fù)荷時(shí)甩掉容量的差別造成其過電壓存在差異。一般情況下，甩掉容量越大，產(chǎn)生的過電壓越嚴(yán)重。由于雙回運(yùn)行方式下1

33、 回線路傳輸容量小于單回運(yùn)行方式下的線路傳輸容量，而單回運(yùn)行方式下線路傳輸容量又小于雙回運(yùn)行時(shí)的總?cè)萘?，因此雙回運(yùn)行方式下1 回?zé)o故障甩負(fù)荷、單回運(yùn)行時(shí)無故障甩負(fù)荷以及2 回?zé)o故障甩負(fù)荷這3 種故障情況下的工頻過電壓幅值依次遞增，三者關(guān)系如圖10 所示。 以長度為400 km 的雙回線路為例計(jì)算3 種無故障甩負(fù)荷過電壓幅值。由于無故障甩負(fù)荷與零/正序阻抗比無關(guān)，但受正序阻抗影響，計(jì)算中僅考慮電源正序阻抗變化的影響，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 的仿真曲線可以得出，在3 種無故障甩負(fù)荷過電壓中，幅值從高到低的順序依次為：2回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓單回運(yùn)行方式下無故障甩負(fù)荷過電壓雙回運(yùn)行方式下單回?zé)o故

34、障甩負(fù)荷過電壓。綜合以上分析可知，單回運(yùn)行方式下1 回?zé)o故障甩負(fù)荷和單相接地1 回甩負(fù)荷、雙回運(yùn)行方式下的1 回?zé)o故障甩負(fù)荷和單相接地1 回甩負(fù)荷這4 過電壓中，單回運(yùn)行方式下單相接地1 回甩負(fù)荷過電壓最大。在雙回特高壓線路的5 種工頻過電壓中，只有2 回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓可能超過單回運(yùn)行方式下單相接地1 回甩負(fù)荷過電壓。下文將對其做進(jìn)一步比較，以確定幅值最高的工頻過電壓種類。（4）單回運(yùn)行方式下單相接地甩負(fù)荷過電壓與兩回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓的比較分析。比較單相接地甩負(fù)荷過電壓與2 回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓，計(jì)算中主要考慮電源正序阻抗的影響。由于電源零/正序阻抗比會(huì)對單相接地甩負(fù)荷過電壓造成影響，計(jì)算時(shí)也對其進(jìn)行考慮。仿真結(jié)果圖12 所示。由圖12 的仿真曲線可以得出，2 回?zé)o故障甩負(fù)荷過電壓隨著電源正序阻抗的增大而增大；單回行方式下單相接地甩負(fù)荷過電壓同時(shí)受電源正序阻抗和電源零/正序阻抗比的影響，