河北臨漳供電公司 楊志剛

特高壓輸電線過電壓是發(fā)展特高壓電網(wǎng)所必須研究的課題，它不僅影響到變壓器，斷路器等電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，而且還直接關(guān)系到電力系統(tǒng)能否安全可靠的運(yùn)行。本文對特高壓輸電線路的工頻過電壓和操作過電壓進(jìn)行了產(chǎn)生原因進(jìn)行了理論分析，并給出了一些限制過電壓可能采取的措施。

一、過電壓的概念及分類

過電壓是指電源電壓超過其額定值時的電壓，特高壓輸電線過電壓可分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。

(一)外部過電壓

外部過電壓是指由于大氣環(huán)境中的雷云放電而引起的電力系統(tǒng)電壓升高，所以也稱大氣過電壓或雷電過電壓。顯然，外部過電壓是由大氣環(huán)境造成的，具有明顯的不可預(yù)知性。一般可利用避雷針、避雷線和避雷器來限制電力系統(tǒng)雷電過電壓。

(一)內(nèi)部過電壓

內(nèi)部過電壓是指電力系統(tǒng)中由于斷路器操作、故障或其它原因使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)內(nèi)部電磁能量的轉(zhuǎn)化或傳遞而造成的電壓升高。內(nèi)部過電壓是指由于電力系統(tǒng)故障或開關(guān)操作而引起電網(wǎng)中電磁能量的轉(zhuǎn)，從而造成瞬時或持續(xù)時間較長的高于電網(wǎng)額定允許電壓并對電氣裝置可能造成威脅的電升高。內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)中的一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，它可分為暫時過電壓和操作過壓兩大類。

1.操作過電壓

在故障或操作時，瞬時發(fā)生的過渡過程過電壓稱為操作過電壓，其持續(xù)時一般在幾十毫秒之內(nèi)。在暫態(tài)過渡過程結(jié)束以后出現(xiàn)持續(xù)時間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小

2.暫時過電壓

在暫態(tài)過渡過程結(jié)束以后出現(xiàn)持續(xù)時間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小時的持續(xù)性過電壓稱為暫時過電壓，暫時過電壓又可分為工頻過電壓和諧振過電壓。由于特高壓系統(tǒng)線路輸送容量大、距離可能更長，而自身的無功功率很大，每100公里的1000千伏線路無功功率可達(dá)530兆乏左右，使得在甩負(fù)荷時可能導(dǎo)致嚴(yán)重的暫時過電壓；在正常運(yùn)行負(fù)荷變化時將給無功調(diào)節(jié)、電壓控制以及故障時單相重合閘潛供電流熄滅等造成一系列困難。同時高電壓長空氣絕緣的飽和、高海拔和電氣設(shè)備制造等方面的因素，給過電壓限制提出更高的要求。

與雷電過電壓產(chǎn)生原因單一不同，內(nèi)部過電壓因其產(chǎn)生原因，發(fā)展過程，影響因素多樣化，而且具有種類繁多，機(jī)理各異的特點(diǎn)。就過電壓持續(xù)時間而言，外部過電壓持續(xù)時間最短，操作過電壓次之，暫時過電壓持續(xù)時間最長，有些甚至可能長期存在。

二、工頻過電壓及限制措施

工頻過電壓的大小不僅直接影響操作過電壓的大小，而且還是選擇避雷器額定電壓的依據(jù)，其可能危及設(shè)備及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。特高壓系統(tǒng)的工頻過電壓與超高壓系統(tǒng)有相似之處，但其輸送容量更大，距離更遠(yuǎn)，線路的充電功率更大。

(一)工頻過電壓產(chǎn)生的原因

工頻過電壓產(chǎn)生的原因包括空載長線的電容效應(yīng)，不對稱接地故障引起的正常相電壓的升高，甩負(fù)荷等，它與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)及運(yùn)行方式有關(guān)，其頻率等于或接近于工頻。

1.空載線路的電容效應(yīng)

如果輸電線路突然從負(fù)荷側(cè)斷開，那么線路就進(jìn)入了開路狀態(tài)。此時線路上，特別是其末端上，會出現(xiàn)較高的電壓升高；在系統(tǒng)并車前，先從電源側(cè)投入線路時，也會導(dǎo)致同樣的情況，這些過電壓就是由空載線路的電容效應(yīng)引起的。

2.不對稱短路

不對稱短路是輸電線路最常見的故障形式，短路電流中的零序分量會使健全相上出現(xiàn)工頻電壓升高(常稱為不對稱效應(yīng))。系統(tǒng)中的不對稱短路故障，以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升高也最為嚴(yán)重。

3.線路甩負(fù)荷效應(yīng)

當(dāng)輸電線路重負(fù)荷運(yùn)行時，由于某種原因線路末端斷路器突然跳閘甩掉負(fù)荷，也是造成工頻電壓升高的原因之一，通常稱為甩負(fù)荷效應(yīng)。此時，影響工頻過電壓的因素主要有四個：①甩負(fù)荷前線路輸送的潮流，特別是向線路輸送無功潮流的大小，它決定了電源電動勢E的大小。一般來講，甩負(fù)荷前，若線路上輸送相當(dāng)大的有功及感性無功功率，電源電勢必然高于母線電壓。甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)的磁鏈不能突變，可簡單認(rèn)為電源暫態(tài)電動勢在短暫時間內(nèi)維持原來數(shù)值，向線路輸送功率越大，電源的暫態(tài)電動勢也越高，計(jì)算工頻電壓所用等值電勢越大，工頻過電壓也就越高；②電源的容量決定了電源的等值阻抗，電源容量越小，等值阻抗就越大，可能出現(xiàn)的工頻過電壓也就越高；③線路長度，線路越長，充電的容性無功就越大，工頻過電壓就越高；④發(fā)電機(jī)組調(diào)速器和制動設(shè)備的惰性，甩負(fù)荷后其不能立即起到應(yīng)有的調(diào)速效果，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，電動勢及頻率上升，從而使空載線路的工頻過電壓更為嚴(yán)重。

(二)降低工頻過電壓的措施

在特高壓輸電系統(tǒng)中，由空載長線的電容效應(yīng)、不對稱短路故障和甩負(fù)荷引起的工頻過電壓是很高的。因此為了降低特高壓電氣設(shè)備的絕緣水平，必須降低工頻過電壓。

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)，所以采用并聯(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。適當(dāng)?shù)倪x擇電抗器的容量和安裝位置則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，合理的選取電抗器的補(bǔ)償度和安裝位置。

當(dāng)工頻電壓升高超過一定值時，可在線路上安裝并聯(lián)電抗器來補(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。電抗器視需要可以安裝在線路的首端，末端或中部。

2.使用可調(diào)節(jié)或可控高抗

重載長線80%一90%左右的高抗補(bǔ)償度，可能給正常運(yùn)行時的無功補(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。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:重載時運(yùn)行在低補(bǔ)償度，這樣由電源向線路輸送的無功減少，使電源的電動勢不至于太高，還有利于無功平衡和提高輸送能力，當(dāng)出現(xiàn)工頻過電壓時，快速控制到高補(bǔ)償度。

3.使用金屬氧化物避雷器

隨著金屬氧化物避雷器(MOA)性能的提高，使用MOA限制短時高幅值工頻過電壓成為可能，但這會對MOA能量提出很高要求，在中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。

4.繼電保護(hù)

還可采用繼電保護(hù)方案縮短工頻過電壓的持續(xù)時間，改變保護(hù)的操作方式，使用良導(dǎo)體架空地線或光纖復(fù)合架空地線等措施來降低工頻過電壓。

三、操作過電壓及限制措施

操作過電壓是特高壓電網(wǎng)絕緣水平的決定性因素。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，系統(tǒng)中各儲能元件之間的電磁能量相互轉(zhuǎn)換就會產(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。下面介紹幾個操作過電壓的產(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，通常為幾十安到幾百安，比短路電流小的多。但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的增大。當(dāng)過電壓較高時，線路上就會產(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，限制了過電壓的升高。當(dāng)母線上有幾回出線時，相當(dāng)于母線電容增大，可以降低線路上初始電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)，使重燃時的過電壓相應(yīng)的降低。

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?？煞譃閮煞N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。這種情況下，在合閘之前，線路上不存在任何異常，線路上起始電壓為零。合閘后，線路各點(diǎn)電壓由零值過渡到考慮電容效應(yīng)后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值，在此過渡過程中會出現(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)一短促時間再合閘，即自動重合閘操作。

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，它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。

四、結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,電力需求急劇增長。為了滿足大容量長距離輸電和全國聯(lián)網(wǎng)的需要,同時保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,我國必須加強(qiáng)骨干網(wǎng)架的建設(shè)。加強(qiáng)骨干網(wǎng)架經(jīng)濟(jì)而有效的途徑是建設(shè)特高壓輸電線。特高壓輸電可以加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高輸電線路輸送能力，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，但一旦發(fā)生過電壓而造成絕緣的損壞時，其經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的。因此進(jìn)行相關(guān)研究是完全必要的。在特高壓研究中,過電壓的研究是其它研究課題的前提和基礎(chǔ),是能否采用特高壓輸電的關(guān)鍵之一。它不僅影響到變壓器、斷路器、輸電線等電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度的設(shè)計(jì),而且還直接關(guān)系到電力系統(tǒng)是否能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

考慮到特高壓輸電線所允許的電壓升高的數(shù)值與所加電壓的持續(xù)時間等因素直接相關(guān)，因此通過特高壓輸電線繼電保護(hù)、重合閘的配置與相關(guān)自動裝置的動作配合來限制過電壓是可行的。