方建（福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建福州　350001）

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長(zhǎng)距離500kV線(xiàn)路操作過(guò)電壓限制措施選擇與驗(yàn)證

方建
（福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建福州350001）

ABSTRACT：When the switching overvo1tage of the 500 kV transmission 1ine exceeds the sPecified va1ue，ProPer measures must be taken to ensure the safety and re1iabi1ity of the Power suPP1y system. In this PaPer，the 1imiting measures of the switching overvo1tage and the Potentia1 distribution of the MOA are ana1yzed，and based on the actua1 engineering examP1es，the overvo1tage variation and the Parameters of the MOA before and after the MOA measure are taken are a1so ana1yzed，and at the same time whether the insu1ation design of the transmission 1ine meets the requirements without the restriction measures taken is verified. The resu1t suggests that these two oPerating modes in the switching overvo1tage can be used as a so1ution when the switching overvo1tage exceeds the sPecified va1ue.

KEY W0RDS：1ong distance 500 kV transmission 1ine；switching overvo1tage；MOA；Potentia1 distribution

摘要：在500 kV線(xiàn)路的系統(tǒng)操作過(guò)電壓超過(guò)相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求時(shí)，必須對(duì)其采取限制措施以保證供電系統(tǒng)的安全可靠性。分析操作過(guò)電壓的限制措施、氧化性避雷器電位分布，結(jié)合工程實(shí)例分析采取氧化性避雷器限制措施前后的過(guò)電壓變化以及避雷器參數(shù)的取值；同時(shí)驗(yàn)證在不采取限制措施情況下輸電線(xiàn)路絕緣設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求。結(jié)果表明，這2種不同的操作過(guò)電壓處理方式，均可作為解決操作過(guò)電壓水平超過(guò)要求值時(shí)的解決方案。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離500 kV線(xiàn)路；操作過(guò)電壓；氧化性避雷器；電位分布

能否解決好長(zhǎng)距離500 kV線(xiàn)路的操作過(guò)電壓，尤其是三相合空載操作過(guò)電壓，將直接影響輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行與否。本文依托福建省內(nèi)某條500 kV開(kāi)斷線(xiàn)路進(jìn)行分析研究操作過(guò)電壓的限制措施，同時(shí)，驗(yàn)算在不安裝任何保護(hù)措施情況下輸電線(xiàn)路的絕緣設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足操作過(guò)電壓的要求。該500 kV開(kāi)斷線(xiàn)路新建僅8 km，但開(kāi)斷后卻形成了120 km和150 km的2條雙回路線(xiàn)路。由于開(kāi)斷后形成了新的長(zhǎng)線(xiàn)路，因此需要特別注意操作過(guò)電壓倍數(shù)的限制。操作過(guò)電壓倍數(shù)在不同相、不同回路斷開(kāi)、不同回路合閘等情況下的數(shù)值有較大差異。本文取最嚴(yán)重的情況下對(duì)應(yīng)的操作過(guò)電壓倍數(shù)作為研究對(duì)象。

1　操作過(guò)電壓限制措施

空載線(xiàn)路合閘、單相重合閘和成功的三相重合閘（如運(yùn)行中使用時(shí)），在線(xiàn)路上產(chǎn)生的相對(duì)地統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓，對(duì)330 kV和500 kV系統(tǒng)分別為不宜大于2.2 Pu和2.0 Pu[1]。在限制操作過(guò)電壓的措施方面，可用幾種方法來(lái)控制輸電系統(tǒng)上發(fā)生的過(guò)電壓：

1）如發(fā)生過(guò)電壓原因是操作斷路器或其他開(kāi)關(guān)設(shè)備，即可用各種方法來(lái)改變這一操作。

2）在需要保護(hù)的地點(diǎn)安裝避雷器，將過(guò)電壓限制到可接受的水平。

3）改變輸電系統(tǒng)使操作過(guò)電壓減小[2]。

以開(kāi)斷后形成的150 km長(zhǎng)度側(cè)為例，當(dāng)I、II回線(xiàn)路均斷開(kāi)，合II回時(shí)為操作過(guò)電壓超限值最嚴(yán)重的情況，以下所有的操作過(guò)電壓計(jì)算均以這個(gè)情況為條件。經(jīng)計(jì)算，變電側(cè)與沿線(xiàn)的三相合空載操作過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　三相合空載操作過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果Tab. 1 The calculatlon results of three phase comblned no-load operatlon overvoltage　pu

由表1可知，變電側(cè)的相對(duì)地統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓倍數(shù)在規(guī)定值2.0 Pu以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求，無(wú)需安裝合閘電阻等措施來(lái)限制操作過(guò)電壓。而線(xiàn)路的沿線(xiàn)操作過(guò)電壓超過(guò)相關(guān)要求，對(duì)于整個(gè)龐大的輸電網(wǎng)架來(lái)講，一般以負(fù)荷需求為導(dǎo)向開(kāi)展電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，采用改變輸電系統(tǒng)使操作過(guò)電壓減小可能性極小，唯一合理可行的方案就是在需要保護(hù)的地點(diǎn)安裝避雷器。另外，國(guó)內(nèi)外超高壓系統(tǒng)使用斷路器很普遍，和合閘電阻有關(guān)的事故和故障已不少，近年來(lái)對(duì)于取消合閘電阻的研究也很多，我國(guó)西北部分330 kV及國(guó)外部分500 kV線(xiàn)路[3-4]已經(jīng)取消合閘電阻運(yùn)行，合理利用線(xiàn)路2端的氧化鋅避雷器，并積累了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[5]，將過(guò)電壓限制到可接受的水平，同時(shí)保證避雷器電位能夠合理分布。

2　氧化鋅避雷器電位分布

為了更好了解氧化性避雷器的特性，以下簡(jiǎn)要分析其特性，有助于更好地選用。

氧化鋅避雷器保護(hù)特性好，能量吸收能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，可以限制超高壓輸電線(xiàn)路的各種暫態(tài)過(guò)電壓[5]。

無(wú)間隙避雷器采用具有優(yōu)異非線(xiàn)性伏安特性、大通流能力的氧化鋅電阻片組裝而成，由于沒(méi)有空氣間隔，其放電特性離散性小，可同時(shí)滿(mǎn)足防護(hù)雷電過(guò)電壓及操作過(guò)電壓的雙重要求。因此，線(xiàn)路常采用無(wú)間隙型的氧化鋅避雷器作為操作過(guò)電壓過(guò)高的保護(hù)措施。

在理想情況下，避雷器的電壓呈線(xiàn)性分布，但由于避雷器雜散電容的存在使得電位分布不可能為理想狀態(tài)。以無(wú)間隙復(fù)合外套金屬氧化物避雷器的電場(chǎng)分布為例，常常需要進(jìn)行三維有限元計(jì)算和均壓環(huán)、電極優(yōu)化配置計(jì)算，設(shè)計(jì)無(wú)間隙避雷器的均壓結(jié)構(gòu)，形成盡可能均勻的場(chǎng)強(qiáng)和電位分布，圖1、圖2為雜散電容分布狀態(tài)以及均壓優(yōu)化前后的點(diǎn)位分布。為了更好地理解電位分布，圖3為某廠(chǎng)家避雷器在某電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算的典型500 kV輸電線(xiàn)路用無(wú)間隙避雷器電位分布圖，該圖可直觀(guān)地了解電位的空間分布。不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品會(huì)有不同的差異，選用時(shí)可適當(dāng)提出設(shè)計(jì)要求以保證電位分布合理性。

圖1　雜散電容的分布狀態(tài)Flg. 1 The dlstrlbutlon of the stray capacltance

圖2　均壓優(yōu)化前后的電位分布示意Flg. 2 The schematlc dlagram of the potentlal dlstrlbutlon before and after the mean pressure optlmlzatlon

3　裝設(shè)氧化鋅避雷器方案對(duì)操作過(guò)電壓的影響分析

沿線(xiàn)的操作過(guò)電壓分布情況以2側(cè)的變電站作為起點(diǎn)與終點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，在未采取任何保護(hù)措施情況下，其操作過(guò)電壓分布如圖4所示。由圖4可知，線(xiàn)路的起點(diǎn)段與終點(diǎn)段均滿(mǎn)足要求，主要是線(xiàn)路的中部相對(duì)地統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓超過(guò)了規(guī)定的2.0 Pu。

圖3　500 kV輸電線(xiàn)路用無(wú)間隙避雷器電位分布（單位：V）Flg. 3 The potentlal dlstrlbutlon of non-gap arrester for the 500 kV transmlsslon llne（unlte：V）

圖4　線(xiàn)路沿線(xiàn)操作過(guò)電壓分布圖Flg. 4 Swltchlng overvoltage dlstrlbutlon along the transmlsslon llne

結(jié)合其分布特點(diǎn)，分別采用1處安裝和2處安裝無(wú)間隙氧化鋅避雷器的方案，分析其操作過(guò)電壓限制情況以及避雷器最大放電能量，并推薦采用解決方案。

方案1采用1處安裝無(wú)間隙氧化鋅避雷器，根據(jù)操作過(guò)電壓的分布情況，選擇安裝在線(xiàn)路的中點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，如表2所示，三相合空載操作過(guò)電壓剛好為2.0 Pu，滿(mǎn)足要求，但剛好位于臨界狀態(tài)。

表2　三相合空載操作過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果（裝1處避雷器情況下）Tab. 2 The calculatlon results of three phase comblned no-load operatlon overvoltage（under the condltlon of one arrester）

方案2采用2處安裝無(wú)間隙氧化鋅避雷器，原則上分別安裝在3等分處，分別位于離線(xiàn)路起點(diǎn)50 km、100 km處，具體塔位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況取合適塔位就近安裝，經(jīng)計(jì)算，如表3所示，三相合空載操作過(guò)電壓剛好為1.95 Pu，滿(mǎn)足要求。

表3　三相合空載操作過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果（沿線(xiàn)裝設(shè)2組線(xiàn)路避雷器）Tab. 3 The Calculatlon results of three phase comblned no-load operatlon over voltage（under the condltlon of two arresters）

從以上計(jì)算結(jié)果可知，2種氧化鋅避雷器的安裝方案均能較好限制操作過(guò)電壓的倍數(shù)以保證滿(mǎn)足不超過(guò)規(guī)定值2.0 Pu。

方案1剛好滿(mǎn)足不超過(guò)規(guī)定值2.0 Pu的要求，而方案2則較好地滿(mǎn)足要求。因此，類(lèi)似的工程可根據(jù)具體線(xiàn)路的重要性以及運(yùn)檢各方的要求確定方案。

對(duì)于無(wú)間隙氧化鋅避雷器的相關(guān)參數(shù)除了需要滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求外，還需要滿(mǎn)足根據(jù)具體線(xiàn)路的條件模擬計(jì)算的避雷器特性參數(shù)。根據(jù)該依托工程的計(jì)算條件模擬計(jì)算采用的線(xiàn)路避雷器特性如表4所示。

表4　操作過(guò)電壓模擬計(jì)算采用的線(xiàn)路避雷器特性Tab. 4 The characterlstlcs of the arrester used ln the calculatlon of operatlng overvoltage

無(wú)間隙氧化鋅避雷器可直接安裝在耐張轉(zhuǎn)角塔跳線(xiàn)處。以單跳線(xiàn)為例，避雷器的組裝圖及安裝方式可分別參照?qǐng)D5、圖6，雙跳線(xiàn)時(shí)則可將其中一跳線(xiàn)串直接換成無(wú)間隙氧化鋅避雷器。

4　未采取保護(hù)措施下的操作過(guò)電壓對(duì)應(yīng)的絕緣設(shè)計(jì)驗(yàn)證

從實(shí)際工程出發(fā)，并不是只要沿線(xiàn)的操作過(guò)電壓倍數(shù)超過(guò)規(guī)定值就必須進(jìn)行采取保護(hù)措施，可具體根據(jù)實(shí)際情況對(duì)線(xiàn)路的絕緣設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，如滿(mǎn)足要求，則可不采取氧化鋅避雷器等保護(hù)措施。

沿線(xiàn)“相對(duì)地2%概率操作過(guò)電壓”最大為2.06 Pu，沿線(xiàn)“相間最大操作操作過(guò)電壓”最大為3.62 Pu。本文根據(jù)對(duì)應(yīng)的操作過(guò)電壓數(shù)值對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證。

1）相間最大操作過(guò)電壓校驗(yàn)。由于采用非“緊湊型”鐵塔，相間距離均大于11 m，而根據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》表7.0.11規(guī)定500 kV線(xiàn)路塔頭相間最小間隙為5.2 m，因此相間最大操作過(guò)電壓不作為控制條件，能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

圖5　避雷器的組裝圖（單位：mm）Flg. 5 Assembly dlagram of the arrester（ulte：mm）

圖6　無(wú)間隙氧化鋅避雷器安裝示意圖Flg. 6 The schematlc dlagram of the lnstallatlon of non-gap zlnc oxlde llghtnlng arrester

2）相對(duì)地操作過(guò)電壓校驗(yàn)。線(xiàn)路“操作過(guò)電壓工況”間隙采用的相對(duì)地操作過(guò)電壓為2%概率（對(duì)應(yīng)間隙要求為2.7 m），而在未采取保護(hù)措施下的系統(tǒng)相對(duì)地操作過(guò)電壓相應(yīng)間隙約2.781 m，因此按照2.781 m驗(yàn)證實(shí)際絕緣子串情況下的鐵塔間隙。經(jīng)對(duì)沿線(xiàn)的塔身對(duì)應(yīng)間隙校驗(yàn)分析，該500 kV線(xiàn)路操作過(guò)電壓下的相對(duì)地最小間隙達(dá)到2.9 m，大于系統(tǒng)相對(duì)地操作過(guò)電壓相應(yīng)間隙，能滿(mǎn)足系統(tǒng)相對(duì)操作過(guò)電壓要求。

3）操作過(guò)電壓對(duì)應(yīng)絕緣子長(zhǎng)度校驗(yàn)。省內(nèi)的500 kV線(xiàn)路絕緣子的“絕緣長(zhǎng)度”均為工頻污閃電壓控制，按操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓校驗(yàn)絕緣長(zhǎng)度，《110 kV～750 kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的2.0 Pu操作過(guò)電壓對(duì)應(yīng)絕緣子長(zhǎng)度為25片×155 mm/片＝3 875 mm，2.06 Pu操作過(guò)電壓要求對(duì)應(yīng)的絕緣子長(zhǎng)度為3 992 mm，而實(shí)際工程中使用的最短懸式絕緣子長(zhǎng)度4 380 mm，實(shí)際工程中使用的復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)高度為4 450 mm且其最小電弧距離為4 000 mm，因此全線(xiàn)絕緣子均能滿(mǎn)足操作過(guò)電壓要求。

通過(guò)以上的驗(yàn)證表明，實(shí)際工程的絕緣設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足沿線(xiàn)“相對(duì)地2%概率操作過(guò)電壓”2.06 Pu以及“相間最大操作操作過(guò)電壓”3.62 Pu的要求，能夠滿(mǎn)足運(yùn)行要求，無(wú)需另外安裝氧化鋅避雷器等保護(hù)措施。

5　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)500 kV線(xiàn)路相對(duì)地統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)限制措施進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要介紹線(xiàn)路部分常用的無(wú)間隙氧化鋅避雷器電位分布，并重點(diǎn)針對(duì)是否采取的保護(hù)方案分析，建議如下：

1）500 kV等長(zhǎng)距離的超高壓線(xiàn)路應(yīng)注意操作過(guò)電壓影響，尤其是對(duì)于開(kāi)斷后形成的長(zhǎng)距離線(xiàn)路比較容易疏忽，應(yīng)特別注意。

2）如采用氧化鋅避雷器的方案，可結(jié)合實(shí)際情況比較多方案的避雷器裝設(shè)以保證操作過(guò)電壓的倍數(shù)滿(mǎn)足要求，且不同情況下應(yīng)注意避雷器參數(shù)的取值不同，既要滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的取值，也得符合工程實(shí)際。

3）由于近幾年新建的大部分線(xiàn)路都已采用高絕緣配置，可通過(guò)驗(yàn)證其絕緣設(shè)計(jì)的間隙能否滿(mǎn)足未采取保護(hù)措施下操作過(guò)電壓倍數(shù)對(duì)應(yīng)的間隙，如果滿(mǎn)足要求，則不需要采取其他保護(hù)措施。

4）對(duì)于是否采取保護(hù)措施以及采取何種方案的保護(hù)措施，應(yīng)堅(jiān)持技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全可靠的原則。

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方建（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事架空線(xiàn)及電纜設(shè)計(jì)工作。

（編輯董小兵）

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-08-23。

文章編號(hào)：1674-3814（2016）01-0032-04
Selectlon and Verlflcatlon of the Llmltlng Measures About Swltchlng 0vervoltage for Long Dlstance 500 kV Transmlsslon Llne
FANG Jian（Fujian E1etcric Power Survey & Design Institute，F(xiàn)uzhou 350001，F(xiàn)ujian，China）

中圖分類(lèi)號(hào)：TM757

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A