王振宇，蘇詠梅，易善明

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學院，鄭州450121；2.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450018）

輸電線路不同操作過電壓限制技術(shù)研究

王振宇1，蘇詠梅1，易善明2

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學院，鄭州450121；2.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450018）

對用于輸電線路操作過電壓限制的多種不同方法分別進行了分析和比較研究，對包含合閘電阻、避雷器、相控開關(guān)方法等都進行了仿真和分析，對同時應用多種限制方法的情況也進行了研究，本文的仿真分析基于一條實際運行的500 kV輸電線路，通過研究發(fā)現(xiàn)，在斷路器中加裝合閘電阻是限制操作過電壓時最為有效的方法，實際工程中，由于合閘電阻加裝成本和故障率較高，其應用受到一定限制。本文的研究結(jié)果將有助于基礎(chǔ)設施建設過程中正確運用操作過電壓限制技術(shù)。

操作過電壓；絕緣配合；合閘電阻；避雷器；相控開關(guān)

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)基本組成原件之一，在輸電線路設計過程中，需要考慮許多因素以保證電力系統(tǒng)可靠的同時也具有較高經(jīng)濟性，在這些眾多因素中非常重要的一項就是輸電線路過電壓防御問題，過電壓為電力系統(tǒng)絕緣耐受等級帶來了較大挑戰(zhàn)，從而間接影響著電力系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性。

過電壓主要有內(nèi)部過電壓和外部過電壓之分，內(nèi)部過電壓由系統(tǒng)開關(guān)動作造成，外部過電壓主要由雷擊引發(fā)，隨著電力系統(tǒng)標稱電壓等級的不斷提高，由開關(guān)動作造成的內(nèi)部過電壓逐漸占據(jù)了主導地位，因此當系統(tǒng)電壓等級超過300 kV時將操作過電壓作為設計電力系統(tǒng)絕緣等級的主要參考因素[1-2]。

1 研究背景及意義

當電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時，輸電線路會被繼電保護動作切斷，之后自動重合閘系統(tǒng)動作并將輸電線重新接入投運，上述自動投切過程會產(chǎn)生具有極高峰值和頻率的暫態(tài)過電壓，這些過電壓波便會危害電力系統(tǒng)絕緣，因此在輸電線路設計階段就必須考慮到過電壓問題并且做好分析評估工作。通常研究者使用EMTP軟件進行輸電線路暫態(tài)分析計算從而求取操作過電壓參數(shù)[3-4]。

研究人員獲得過電壓幅值之后便將其與絕緣子操作沖擊耐受水平相比較，如果過電壓幅值高于操作沖擊耐受水平，就需要采取適當?shù)谋Ｗo措施以限制過電壓峰值。目前用于限制過電壓的技術(shù)中較為有效且應用較多的有以下幾種：應用預接入電阻、使用避雷器、使用相控開關(guān)[2]。

工程上通常在線路斷路器中接入一個電阻以限制操作過電壓峰值。雖然應用接入限制電阻的方法可以顯著限制過電壓幅值，但是由于其故障率較高且超過可接受范圍，因此電力設備制造廠家和電網(wǎng)企業(yè)并不推薦這種方法[5-8]。

在避雷器的應用方面，工程上通常在線路兩端安裝避雷器，同時也會在線路上適當?shù)奈恢冒惭b一到兩個避雷器用以限制操作過電壓，從實際運行經(jīng)驗來看，這種方法對過電壓幅值的限制作用比較明顯[9-11]。

另一個較為有效的操作過電壓限制方法是線控開關(guān)控制或者點-波切換控制。這種方法可以有效降低過電壓幅值，并且近年來其受關(guān)注度逐漸提高[12-15]。

2 操作過電壓理論基礎(chǔ)及限制措施

2.1 操作過電壓

一般來說，當電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突然改變時，例如輸電線路或者電力設備從系統(tǒng)中切除，這種暫態(tài)現(xiàn)象會在隨后產(chǎn)生暫態(tài)電壓波。這些電壓波的沖擊周期大概在微秒等級上，它們會產(chǎn)生頻率為50 Hz～20 kHz以及快阻尼的暫態(tài)過電壓波，操作過電壓的波形一般以諸如振蕩以及其他周期性重復的形式出現(xiàn)，過電壓產(chǎn)生的原因各異，例如：切除容性回路、分離感性負載、投切輸電線路、移除短路回路、輸電線路自動重合閘動作等等。筆者對快速重合閘動作所產(chǎn)生的過電壓進行了分析。

當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，線路斷路器會第一時間將故障線路從電網(wǎng)中切除，隨后自動重合閘系統(tǒng)向斷路器發(fā)出合閘指令，從而將輸電線路重新投運至電網(wǎng)中，該自動重合閘過程會造成具有極高幅值和頻率的暫態(tài)過電壓，并有可能擊穿線路絕緣子。因此，如果操作過電壓幅值超過線路操作沖擊耐受水平，工程中就需要采取別的方法避免系統(tǒng)絕緣被擊穿。

2.2 操作過電壓限制措施

近幾年的研究中介紹了各種各樣用以限制操作過電壓的方法，其中最有效的方法包括：接入預置電阻或合閘電阻、使用避雷器以及相控開關(guān)。本文從下面3個方面分別介紹這幾種方法。

2.2.1 接入預置電阻

特高壓輸電線路斷路器的正常自動重合閘動作會在系統(tǒng)中引發(fā)高幅值暫態(tài)過電壓，因此輸電線路斷路器中常常會安裝上預置電阻，如果該電阻用于限制合閘操作過程中產(chǎn)生的過電壓，則將其稱為合閘電阻。

如圖1所示是合閘電阻的安裝和運行方式，不管自動重合閘系統(tǒng)何時發(fā)出合閘指令，輸電線路都將通過一個串聯(lián)電阻接入電網(wǎng)，合閘電阻與主接頭并聯(lián)，在接到合閘指令8～12 ms之后主接頭閉合?；芈分薪尤肓讼拗齐娮柚螅捎陔娮桦妷航狄约熬€路殘余電荷的放電作用，由自動重合閘引起的過電壓幅值被削弱了很多，因此，合閘電阻或預置電阻的使用可以較好地限制操作過電壓，然而與此同時在斷路器中安裝了合閘電阻之后，不僅增加了其結(jié)構(gòu)復雜性，而且使斷路器成本和故障率上升。

圖1 斷路器加裝合閘電阻Fig.1 Circuit breaker installing closing resistor

2.2.2 避雷器的使用

避雷器用于防御暫態(tài)過電壓的襲擊，它們可以削弱操作波和雷電波的幅值，避雷器通常與受保護設備并聯(lián)安裝。或者是安裝在輸電線路相對地之間，工作原理是在正常工作電壓下保持高阻抗，在過電壓作用時轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩?，當暫態(tài)過電壓到來時，避雷器將其削弱或者導入地面。

實際工程中，通常將避雷器分別安裝在輸電線路送電和受電側(cè)，同時建議在如圖2所示輸電線路的合適位置上加裝一到兩個避雷器，從而限制了過電壓并且沿線過電壓分布變得更為均勻。

圖2 沿線安裝避雷器Fig.2 Installation of intermediate arresters along the line

2.2.3 相控開關(guān)

電力系統(tǒng)中所使用的斷路器在動作時通常是不考慮動作電流和電壓波形的，故而有時斷路器動作會造成暫態(tài)過電流以及過電壓，開關(guān)動作引發(fā)的暫態(tài)震蕩按照特高壓電力系統(tǒng)中不同設備的電氣絕緣和機械耐受強度的不同，會在設備中造成累積或沖擊損傷。

相控或點-波控制開關(guān)技術(shù)的存在就是為了防御危險過電壓。它按照時間控制的方法來執(zhí)行開關(guān)動作，當開斷或關(guān)合指令發(fā)送給斷路器之后，斷路器觸頭的分離與接合通常會有一定時延，因此，在實際開關(guān)動作中，斷路器能夠按照預定的時間點和相位進行開斷或關(guān)合動作。

電力系統(tǒng)中的許多故障是暫時且可以自動消除的，因此實際工程上，常用自動重合閘斷路器，當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，自動重合閘斷路器會動作一到兩次直到確認短路故障的排除，斷路器動作之后，如果故障仍然存在，斷路器會保持開斷狀態(tài)。輸電線路運行時，突發(fā)性的斷線和掉線是線路兩端產(chǎn)生殘余電荷的主要因素，并且在斷路器觸頭接合的瞬間，殘余電荷會引發(fā)超過標稱電壓兩倍的過電壓，如此一來有可能在線路絕緣子上進一步引起峰值高達標稱電壓值3倍的暫態(tài)過電壓[2]。

輸電線路切運行之后，殘余電荷通過線路絕緣子逐漸放電，0.1～0.5 s之后線路可以完成放電，與此同時殘余電荷放電是限制暫態(tài)過電壓的一種簡單高效的方法，根據(jù)文獻[15]的研究結(jié)果，利用感應變壓器有助于殘余電荷的釋放，因此使用感應變壓器可以限制系統(tǒng)過電壓，但是由于成本較高，感應變壓器不適用于超特高壓輸電線路。

當斷路器兩觸頭之間的電位差最小時，斷路器最容易接合，由此可推知斷路器開關(guān)動作的最佳時間是系統(tǒng)電壓過零點[12]。與此在電壓波的許多不同點都可以進行開關(guān)動作，具體位置只要不是電壓波周期中的峰值點，任意正半波和負半波都可以進行開關(guān)操作，雖然在正半波或負半波進行開關(guān)操作似乎對過電壓峰值的影響不大，但是根據(jù)仿真計算結(jié)果顯示正負半波過電壓峰值完全不同。

工程中有些時候需要統(tǒng)一過電壓幅值以確定絕緣配合裕度，因此利用式（1）同時考慮正負半波過零點并計算過電壓值，這種方法也是現(xiàn)代繼電器的工作原理[14]：

式中，U0為過電壓統(tǒng)計值，根據(jù)式（1）所示，過電壓預測峰值低于過電壓統(tǒng)計值U0的98%。其中積分上限參數(shù)λ1和λ2使用如下兩個公式進行計算：

假設過電壓為隨機變量，η和σ分別為變量偏差平均值和標準值，變量下標1和2分別代表正半波和負半波過零點位置，本文利用MATLAB軟件數(shù)值積分方法求解式（1）。

文獻[13]利用均勻分布和高斯分布函數(shù)描述斷路器關(guān)合時間點，下圖3和圖4分別是均勻分布和高斯分布函數(shù)圖像，由圖3所示，均勻分布圖像所覆蓋的范圍長度等于

圖3 均勻分布函數(shù)覆蓋范圍Fig.3 Covered area in the uniform distribution

圖4 高斯分布函數(shù)覆蓋范圍Fig.4 Covered area in the Gaussian distribution

由圖4所示，高斯分布所覆蓋的范圍在數(shù)值上是無限的，但是實際上面積域超過±3σ可以直接忽略不計，因此，此處可以假設高斯分布的覆蓋范圍為6σ。

文獻[9]對K值取11.13時，上述條件應用于聚合物表面沖擊閃絡電壓的分析做了驗證。筆者選用相同的電離系數(shù)以及參數(shù)K來研究直流閃絡電壓特性。

3 仿真計算結(jié)果

在這部分中，筆者使用EMTP軟件對各種不同情況進行了仿真分析，并且選取一條長度為463 km的500 kV輸電線路為例，斷路器位于線路的一側(cè)，為了獲得沿線過電壓分布，將這條線路分為10段，每段長度46.3 km，實際計算時，選用時域JMARTI模型精確計算每段線路的過電壓數(shù)值，斷路器所連接的一端同樣適用JMARTI模型。該系統(tǒng)的剩余部分利用戴維南等效模型建模，如圖5所示。

圖5 EMTP系統(tǒng)仿真圖Fig.5 Basic diagram of the simulated system using EMTP

3.1 無過電壓限制技術(shù)

這部分主要探討無過電壓保護措施時的情況，過電壓分布情況見圖6，圖中每一點的數(shù)值代表斷路器動作100次之后的過電壓統(tǒng)計數(shù)值，過電壓峰值最大值為標幺值2.723倍，出現(xiàn)在距離電路器185.2 km的位置上。

圖6 例1操作過電壓分布圖Fig.6 Switching overvoltages profile for case 1

3.2 接入預置電阻

在2.2.1小節(jié)的基礎(chǔ)之上，在斷路器中加入合閘電阻，一開始接入電阻值為100 Ω的合閘電阻，假設合閘電阻的接入時間為8 ms。之后換接入阻值為300 Ω的合閘電阻，如圖7所示為仿真計算結(jié)果，觀察圖標可以看出，接入合閘電阻可以明顯削減操作過電壓的峰值，與此同時，提高合閘電阻的阻值之后，過電壓幅值下降的更為明顯。

3.3 安裝線路避雷器

在輸電線路的中段位置添加一個避雷器，但斷路器處取消合閘電阻。具體位置位于距離斷路器231.5 km處的線路中部。接下來分別在距離斷路器185.2 km和324.1 km處安裝2個避雷器進行仿真。如圖8所示是將上述幾個例子的曲線放在同一副圖中比較分析，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，接入避雷器之后可以限制操作過電壓峰值，與此同時接入兩個避雷器之后，過電壓幅值下降程度更為明顯且過電壓分布情況更為均勻。

圖8 例3操作過電壓分布圖Fig.8 Switching overvoltages profile for case 3

3.4 使用相控開關(guān)

基于2.2.3小節(jié)關(guān)于相控開關(guān)的原理，針對不同使用情況進行了仿真分析研究。

第一步使用均勻分布函數(shù)描述合閘動作，仿真分別按照均勻分布覆蓋范圍86.6%和10%附近的過電壓峰值和電壓過零點進行。圖9所示是仿真計算的結(jié)果，圖中的縮寫分別為如下意思：

86.6%CP和10%CP：隨機時間條件下100次斷路器開斷動作，隨機時間分布范圍為電壓峰值信號點86.6%和10%位置周圍。

86.6%CZ和10%CZ：隨機時間條件下100次斷路器開斷動作，隨機時間分布范圍為電壓過零信號點86.6%和10%位置周圍，本節(jié)選取負半波的過零點進行分析。

圖9 例4操作過電壓分布圖（第一步）Fig.9 Switching overvoltages profile for case 4 stage 1

根據(jù)圖9所示的結(jié)果過電壓削減程度最大的情況是10%CZ。之后選取高斯分布描述合閘操作時間，進行與之前相同的仿真分析，結(jié)果如圖10所示，同樣在10%CZ的情況下過電壓削減程度最大。

第三步，由上文分析可知過電壓削減程度最大的是10%CZ的情況，接下來對正極性電壓過零點進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖11所示，該圖中同時展示了負極性半波的仿真結(jié)果用于比較分析，此處下標UD、GD、和R分別代表均勻分布、高斯分布和電壓過零點處的半波斜率（即正半波或負半波）

圖10 例4操作過電壓分布圖（第二步）Fig.10 Switching overvoltages profile for case 4 stage 2

圖11 例4操作過電壓分布圖（第三步）Fig.11 Switching overvoltages profile for case 4 stage 3

3.5 混合兩種過電壓限制技術(shù)

對不同情況下同時使用兩種過電壓限制技術(shù)的方法進行仿真分析。

首先使用斷路器預置電阻和線路避雷器，預置電阻的阻值參數(shù)為300 Ω，避雷器位于輸電線路中段，距離斷路器231.5 km，之后使用相同的仿真方法對避雷器安裝在416.7 km的情況進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖12所示，對比圖12與圖7的結(jié)果可得過電壓抑制程度并沒有明顯變化，圖中R，MA和EA分別代表電阻、線路中部避雷器和線路終端避雷器。

圖12 例5操作過電壓分布圖（第一步）Fig.12 Switching overvoltages profile for case 5 stage 1

第二步是對同時使用避雷器和相控開關(guān)的情況進行分析。首先本文對3.4小節(jié)介紹的10%CZ且避雷器位于線路中部的情況進行了仿真分析，之后對避雷器放置于沿線185.2 km和324.1 km兩個位置的情況進行了仿真分析，結(jié)果如圖13所示。將圖13結(jié)果與圖9-圖11結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)過電壓限制的變化并不明顯，不過過電壓的分布情況變得更為均勻，其中下標R，CS，MA和EA分別代表合閘電阻、相控開關(guān)、線路中部避雷器和線路終端避雷器。

圖13 例5操作過電壓分布圖（第二步）Fig.13 Switching overvoltages profile for case 5 stage 2

3.6 混合3種過電壓限制技術(shù)

對4種不同情況分別進行了研究，首先正常進行開關(guān)操作而不施加任何過電壓限制手段，之后依次加入前節(jié)所述的3種過電壓限制手段，按照以下順序進行：接入300 Ω的預置電阻，沿線185.2 km和324.1 km的位置接入避雷器，最后接入10%CZ相控開關(guān)，仿真分析過程分開進行，并且由圖14的結(jié)果可以看出，上述3種方法均可有效限制過電壓幅值。

圖14 例6操作過電壓分布圖Fig.14 Switching overvoltages profile for case 6

4 結(jié)論

根據(jù)前節(jié)的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）長距離特高壓輸電線路操作過電壓幅值非常高，可達系統(tǒng)電壓標幺值的2.73倍，并損壞線路絕緣子。

2）斷路器加裝預置電阻可以有效限制過電壓幅值并將操作過電壓幅值降低到系統(tǒng)電壓標幺值的1.97倍，下降了29%。

3）使用避雷器可將過電壓幅值下降到系統(tǒng)標幺電壓的2.35倍，下降了14%。

4）使用相控開關(guān)技術(shù)可以將過電壓限制到系統(tǒng)標幺電壓值的2.27倍，下降了18%。

5）任意組合兩種過電壓限制技術(shù)，其限制效果并不明顯。

6）研究顯示：接入合閘電阻是限制操作過電壓最為有效的方法，但是鑒于合閘電阻成本較高且故障率偏高，實際工程中不建議使用這種方法。

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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:電力自動化、電子控制應用。

2016年度河南省高等學校重點科研項目應用研計劃（編號：16B413007）。