王晨星， 王 聰， 彭 瓏， 王茂海

(1．華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045；2國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；3．國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部，北京 100053)

0 引言

在華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)中，過(guò)電壓的計(jì)算與防護(hù)是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行工作中至關(guān)重要的一環(huán)[1-3]。為滿足各基建工程投產(chǎn)和運(yùn)行的需要，通常會(huì)考慮系統(tǒng)調(diào)試和投入運(yùn)行后可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式，進(jìn)行工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓等內(nèi)部過(guò)電壓的計(jì)算，并確定相應(yīng)的過(guò)電壓防護(hù)措施[4-10]。在高電壓、遠(yuǎn)距離輸電工程中，由于工頻過(guò)電壓大小將直接影響操作過(guò)電壓幅值，并且其對(duì)設(shè)備運(yùn)行性能等有重大影響，使得工頻過(guò)電壓成為影響和制約系統(tǒng)絕緣水平及輸送能力的重要因素[11-15]。因此，建立完善的工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則，進(jìn)而對(duì)工頻過(guò)電壓的計(jì)算和防護(hù)提供充分且科學(xué)的判據(jù)，對(duì)于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

目前，華北電網(wǎng)過(guò)電壓的計(jì)算與防護(hù)主要以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[16-18]相關(guān)規(guī)定作為依據(jù)，但電源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)發(fā)展對(duì)工頻過(guò)電壓的運(yùn)行規(guī)則提出了更加具體和完善的要求。隨著風(fēng)電等新能源大量替代傳統(tǒng)電源，截止2021年底，華北地區(qū)新能源裝機(jī)預(yù)計(jì)達(dá)到1.83億千瓦，占全部電源裝機(jī)的35.7%。尤其在錫盟交直流配套風(fēng)電大規(guī)模集中式送出背景下，暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}逐日凸顯，成為制約風(fēng)電輸送能力的重要因素[19-21]。以華北電網(wǎng)錫盟地區(qū)風(fēng)電送出系統(tǒng)為例，仿真計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)中均出現(xiàn)了具有高幅值、短時(shí)限(小于100 ms)特征的工頻過(guò)電壓。對(duì)于該類(lèi)過(guò)電壓，目前未有明確運(yùn)行規(guī)定，而如果套用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[16-18]中對(duì)長(zhǎng)時(shí)限工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值的要求，將極大制約制錫盟地區(qū)整體風(fēng)電送出能力。因此，在現(xiàn)行過(guò)電壓規(guī)定基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則作進(jìn)一步地補(bǔ)充和細(xì)化，成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

典型電氣設(shè)備在承受過(guò)電壓能力上具有反時(shí)限特點(diǎn)，從而為系統(tǒng)工頻過(guò)電壓規(guī)則的進(jìn)一步完善在理論上提供了可能。從避雷器、變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備和互感器等設(shè)備性能角度出發(fā)，設(shè)備承受過(guò)電壓的能力通常呈現(xiàn)出耐受電壓大小與持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)的反時(shí)限特征[22-29]。因而在理論上，對(duì)于電力系統(tǒng)中的長(zhǎng)時(shí)限(如持續(xù)數(shù)秒及以上)和短時(shí)限(如持續(xù)時(shí)間小于0.5 s)工頻過(guò)電壓，應(yīng)當(dāng)具有不同的上限要求。鑒于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程已經(jīng)對(duì)于長(zhǎng)時(shí)限工頻過(guò)電壓上限做出了明確規(guī)定，因此補(bǔ)充和細(xì)化短時(shí)限內(nèi)工頻過(guò)電壓運(yùn)行要求是完善電力系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則的研究重點(diǎn)。

本研究在對(duì)華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)各電壓等級(jí)工頻過(guò)電壓現(xiàn)行規(guī)定進(jìn)行梳理和總結(jié)的基礎(chǔ)上，劃分了系統(tǒng)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行、禁止運(yùn)行和待定3種情況，進(jìn)而提出了完善現(xiàn)行工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則的方法；通過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析各電壓等級(jí)避雷器工頻耐受時(shí)間特性數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)短時(shí)限內(nèi)工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值進(jìn)行了擴(kuò)展，形成了風(fēng)電集中式送出各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則的完善建議。

1 現(xiàn)行工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則

1.1 各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓限值要求

2)110 kV、220 kV系統(tǒng)不應(yīng)大于1.3 p.u.。

3)500 kV、1 000 kV系統(tǒng)母線側(cè)不宜超過(guò)1.3 p.u.，線路側(cè)不宜超過(guò)1.4 p.u.，持續(xù)時(shí)間不應(yīng)大于0.5 s。

按照以上要求，表1給出了華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出35 kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓的運(yùn)行限值。

1.2 工頻過(guò)電壓運(yùn)行“3塊區(qū)域”劃分

由于電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓通常呈現(xiàn)隨時(shí)間不斷衰減直至達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn)，因此表1數(shù)據(jù)實(shí)際上也在時(shí)限層面上對(duì)電力系統(tǒng)工頻過(guò)電壓的運(yùn)行做出了約束(為了便于分析，定義Uz為各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓規(guī)定上限，tz為最大工頻過(guò)電壓的允許持續(xù)時(shí)間)：

1)當(dāng)持續(xù)時(shí)間在tz內(nèi)時(shí)，如果過(guò)電壓大小不超過(guò)Uz，必然能夠滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求。

2)當(dāng)持續(xù)時(shí)間大于tz時(shí)，由于過(guò)電壓具有隨時(shí)間衰減的特點(diǎn)，因此tz之后工頻過(guò)電壓的大小也不應(yīng)超過(guò)表1給出的上限值。

表1 華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓(相對(duì)地)上限要求Table 1 Upper limits of power-frequency overvoltage (phase to ground) in centralized wind power transmission systems of different voltage levels in north China

3)在全時(shí)限范圍內(nèi)，考慮到避雷器對(duì)內(nèi)部過(guò)電壓的限制作用，工頻過(guò)電壓大小不應(yīng)超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)操作過(guò)電壓(持續(xù)時(shí)間一般小于20 ms)的規(guī)定上限[16-17]，如表2所示。

表2 各電壓等級(jí)系統(tǒng)中操作過(guò)電壓(相對(duì)地)上限要求Table 2 Upper limits of switching overvoltage (phase to ground) in power grids of different voltage levels

根據(jù)上述分析，以電力系統(tǒng)是否能夠安全運(yùn)行為標(biāo)準(zhǔn)，可由工頻過(guò)電壓的大小和持續(xù)時(shí)間將系統(tǒng)運(yùn)行情況劃分成3個(gè)區(qū)域，如圖1所示。

1)安全運(yùn)行區(qū)：即過(guò)電壓大小和持續(xù)時(shí)間均低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的區(qū)域。例如：500 kV電壓等級(jí)系統(tǒng)中，工頻過(guò)電壓大小在規(guī)定上限值以下，且持續(xù)時(shí)間在0.5 s以?xún)?nèi)的區(qū)域；以及在全時(shí)限范圍內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)[30]規(guī)定系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓(即系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓乘110%)以下的區(qū)域。

2)禁止運(yùn)行區(qū)：即過(guò)電壓大小和持續(xù)時(shí)間均高于相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定上限的區(qū)域。例如：500 kV電壓等級(jí)系統(tǒng)中，工頻過(guò)電壓大小在表1所示規(guī)定上限以上，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于0.5 s的區(qū)域。

3)待定區(qū)：即位于安全運(yùn)行區(qū)與禁止運(yùn)行區(qū)之間的運(yùn)行區(qū)域，例如：500 kV電壓等級(jí)系統(tǒng)中，過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間低于0.5 s，但大小高于表1所示規(guī)定上限(不超過(guò)表2所示操作過(guò)電壓規(guī)定上限)的區(qū)域；或者過(guò)電壓大小低于表1所示規(guī)定上限，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于0.5 s的區(qū)域。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工頻過(guò)電壓運(yùn)行要求示意圖Fig.1 Diagram of operating requirements of power-frequency overvoltage ruled by standards

1.3 現(xiàn)行工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則存在的不足

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上對(duì)各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓的大小和時(shí)限做出了規(guī)定，但仍存在一定不足，主要體現(xiàn)在：

1)如圖1所示，在不同時(shí)限內(nèi)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指出了工頻過(guò)電壓的安全運(yùn)行和禁止運(yùn)行條件，但仍存在運(yùn)行判據(jù)未被明確的“待定區(qū)”。例如：在華北電網(wǎng)中，針對(duì)錫盟地區(qū)風(fēng)電送出能力的仿真計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，500 kV系統(tǒng)出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間約為50 ms、大小約為1.4～1.6 p.u.的工頻過(guò)電壓，該過(guò)電壓即處于圖1中的現(xiàn)行過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則未給出明確規(guī)定的“待定區(qū)”內(nèi)。鑒于工程中要求系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行電壓不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)[30]規(guī)定上限，因此細(xì)化短時(shí)限(tz之內(nèi))過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)定的“待定區(qū)”是研究的關(guān)鍵——從另一個(gè)角度看，相當(dāng)于對(duì)該時(shí)限范圍內(nèi)的安全運(yùn)行條件和禁止運(yùn)行條件作進(jìn)一步擴(kuò)展。

2)不同電壓等級(jí)系統(tǒng)的最大工頻過(guò)電壓允許持續(xù)時(shí)間tz存在差異。對(duì)于500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及工程中過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作要求，取0.5 s；但對(duì)于35 kV、110 kV和220 kV系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未給出明確規(guī)定，并且通過(guò)對(duì)華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在該電壓等級(jí)下工程中未對(duì)tz值設(shè)置相應(yīng)的工頻過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，即220 kV及以下電壓等級(jí)系統(tǒng)最大工頻過(guò)電壓允許持續(xù)時(shí)間有待進(jìn)一步明確。

2 系統(tǒng)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行限值擴(kuò)展方法

系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[16-18]的相關(guān)規(guī)定是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基本前提，除此之外，系統(tǒng)中主要電氣設(shè)備耐受過(guò)電壓性能也是確定系統(tǒng)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行條件的重要考慮因素——后者也正是對(duì)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值進(jìn)行擴(kuò)展的主要依據(jù)。對(duì)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中未給出明確運(yùn)行要求的“待定區(qū)”，細(xì)化該區(qū)域等同于對(duì)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行條件或禁止運(yùn)行條件進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展主要分以下4個(gè)步驟進(jìn)行：

1)第一步，以35 kV～1 000 kV電力系統(tǒng)過(guò)電壓的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為依據(jù)，由工頻過(guò)電壓大小及持續(xù)時(shí)間劃分出安全運(yùn)行區(qū)、禁止運(yùn)行區(qū)和待定區(qū)。

2)第二步，廣泛統(tǒng)計(jì)工程中典型電氣設(shè)備承受工頻過(guò)電壓能力的相關(guān)性能數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的絕緣水平、避雷器的TOV耐受特性、變壓器的過(guò)勵(lì)磁性能等。實(shí)際上，考慮到對(duì)于部分設(shè)備性能，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未提出具體要求和明確規(guī)定，因此有必要對(duì)工程中相關(guān)制造廠家提供的設(shè)備過(guò)電壓運(yùn)行能力數(shù)據(jù)進(jìn)行充分收集和分析。

3)第三步，從典型設(shè)備耐受工頻過(guò)電壓能力數(shù)據(jù)中，總結(jié)規(guī)律并篩選出最劣性能，并以之作為擴(kuò)展系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則的依據(jù)。根據(jù)“木桶原理”，電力系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行要求在原則上應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中設(shè)備的最劣過(guò)電壓耐受特性?！白盍印钡暮x包括兩個(gè)：一是比較各廠家設(shè)備工頻耐受性能數(shù)據(jù)，耐受電壓最小、允許持續(xù)時(shí)間最短者為最劣；二是將篩選出的最劣性能點(diǎn)作為該類(lèi)設(shè)備過(guò)電壓耐受能力的上限，即一旦過(guò)電壓大小或時(shí)間超過(guò)該數(shù)值，設(shè)備即發(fā)生故障。

4)第四步，結(jié)合系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、設(shè)備過(guò)電壓耐受能力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、設(shè)備過(guò)電壓耐受能力廠家數(shù)據(jù)3個(gè)方面的依據(jù)，細(xì)化系統(tǒng)過(guò)電壓的安全運(yùn)行和禁止運(yùn)行條件，擴(kuò)展不同時(shí)限內(nèi)工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值，形成具有反時(shí)限特性的系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則。原則上，系統(tǒng)過(guò)電壓禁止運(yùn)行區(qū)應(yīng)為由各類(lèi)設(shè)備性能得到的禁止運(yùn)行區(qū)的“并集”，即其為各類(lèi)電氣設(shè)備過(guò)電壓禁止運(yùn)行條件的加和；而系統(tǒng)過(guò)電壓安全運(yùn)行區(qū)應(yīng)為各類(lèi)設(shè)備安全運(yùn)行區(qū)的“交集”，即在該區(qū)域需滿足各類(lèi)設(shè)備均能夠安全運(yùn)行。

3 基于避雷器特性擴(kuò)展過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則

3.1 由避雷器擴(kuò)展工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值可行性

與常規(guī)電氣設(shè)備相比，避雷器對(duì)于電力系統(tǒng)過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則的確定具有特殊意義，其原因在于避雷器不僅要承受過(guò)電壓作用，還要對(duì)其他設(shè)備提供過(guò)電壓保護(hù)。避雷器的伏安特性是決定其過(guò)電壓保護(hù)作用的關(guān)鍵性能，以500 kV系統(tǒng)變電站側(cè)避雷器(型號(hào)：Y20W-420/1046)為例，其典型伏安特性曲線如圖2所示。圖2中，UNmA為避雷器起始動(dòng)作電壓，即拐點(diǎn)電壓，拐點(diǎn)處有電流為毫安級(jí)(NmA)的殘壓值，通常N=1，即1 mA直流電流通過(guò)避雷器內(nèi)部電阻元件時(shí)，在其兩端所測(cè)得的直流電壓值。在拐點(diǎn)電壓以下，避雷器近乎關(guān)斷而處于“不動(dòng)作區(qū)”，可認(rèn)為其不對(duì)設(shè)備提供過(guò)電壓保護(hù)；當(dāng)系統(tǒng)電壓高于避雷器拐點(diǎn)電壓時(shí)，避雷器導(dǎo)通電流隨電壓增加而驟增，處于動(dòng)作區(qū)的避雷器由于呈現(xiàn)低阻值狀態(tài)而將被保護(hù)設(shè)備兩端電壓限制在一定水平——此時(shí)，只要避雷器能夠承受該過(guò)電壓，則被保護(hù)設(shè)備必然能夠得到有效的過(guò)電壓保護(hù)。

圖2 500 kV系統(tǒng)避雷器(變電站側(cè))典型伏安特性曲線Fig.2 Typical volt-ampere characteristics of arresters (substation side) in 500 kV systems

實(shí)際上，工程中避雷器的拐點(diǎn)電壓近似等于系統(tǒng)暫時(shí)過(guò)電壓(峰值)規(guī)定上限(如表1所示)，因此當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓高于暫時(shí)過(guò)電壓上限時(shí)，避雷器即處于動(dòng)作狀態(tài)以對(duì)變壓器等設(shè)備提供過(guò)電壓保護(hù)。由圖1可知，在長(zhǎng)時(shí)限(>0.5 s)區(qū)域，系統(tǒng)過(guò)電壓應(yīng)低于暫時(shí)過(guò)電壓上限，因而此時(shí)避雷器處于不動(dòng)作狀態(tài)；而在短時(shí)限(<0.5 s)區(qū)域，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓超過(guò)暫時(shí)過(guò)電壓規(guī)定上限時(shí)，避雷器處于動(dòng)作狀態(tài)，此時(shí)避雷器對(duì)設(shè)備提供過(guò)電壓保護(hù)。

避雷器能夠?qū)υO(shè)備提供有效過(guò)電壓保護(hù)的原理在于二者的伏秒特性配合，圖3給出了避雷器與被保護(hù)設(shè)備伏秒特性配合的典型示意圖。由圖3可以看出，相比于被保護(hù)設(shè)備，避雷器的伏秒特性曲線位置較低、較為平坦，使得在相同過(guò)電壓作用下避雷器能夠先于設(shè)備放電，對(duì)過(guò)電壓能力進(jìn)行吸收，從而防止設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，形成對(duì)設(shè)備的有效保護(hù)。

圖3 避雷器與被保護(hù)設(shè)備伏秒特性配合示意圖Fig.3 Diagram of voltage-time characteristics coordination of arresters and protected equipment

顯然，在短時(shí)限(<0.5 s)內(nèi)，只有當(dāng)動(dòng)作狀態(tài)避雷器耐受過(guò)電壓低于被保護(hù)設(shè)備時(shí)，避雷器才能提供有效的過(guò)電壓保護(hù)。實(shí)際上，對(duì)于不同類(lèi)型過(guò)電壓，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備耐受水平與避雷器保護(hù)水平間存在一定安全裕度，并將二者之比定義為配合系數(shù)[16]。因此，從過(guò)電壓運(yùn)行角度，只需將系統(tǒng)中過(guò)電壓限制在避雷器耐受電壓以下，就能確保其他各類(lèi)被保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.2 避雷器工頻耐受時(shí)間特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

避雷器耐受暫時(shí)過(guò)電壓(TOV)的能力是決定其能否對(duì)被保護(hù)電氣設(shè)備正常發(fā)揮過(guò)電壓保護(hù)作用的關(guān)鍵性能，該性能通常由避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性表征。避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性是表明避雷器在運(yùn)行中，吸收了規(guī)定的過(guò)電壓能量以后耐受暫時(shí)過(guò)電壓的能力，其在理論上是指在規(guī)定條件下對(duì)避雷器施加不同的工頻電壓后，避雷器不發(fā)生熱崩潰時(shí)所的電壓與最大持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

工程中，避雷器TOV耐受特性主要以制造廠家提供的數(shù)據(jù)作為參考。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[22]，廠家應(yīng)進(jìn)行避雷器工頻耐受時(shí)間特性型式試驗(yàn)，列出從TOV曲線中得到的對(duì)應(yīng)于時(shí)間點(diǎn)0.1 s、1 s、10 s、100 s和1 000 s的耐受值，并應(yīng)包括有預(yù)負(fù)載和無(wú)預(yù)負(fù)載的數(shù)據(jù)，應(yīng)注明公布的曲線和列表適用避雷器額定值的范圍。對(duì)于標(biāo)稱(chēng)放電電流In≥5 kA的避雷器，避雷器制造廠家應(yīng)公布0.1～1 s、1～10 s、10～100 s和101～3 600 s 4個(gè)時(shí)間段內(nèi)在有預(yù)負(fù)載情況下的工頻電壓耐受時(shí)間特性數(shù)據(jù)。

華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)中，由于不同制造廠家避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性可能存在差異，為此廣泛收集了主流避雷器廠家(在華北地區(qū)風(fēng)電送出35 kV及以上系統(tǒng)避雷器市場(chǎng)份額占比高于70%)TOV耐受特性數(shù)據(jù)，被統(tǒng)計(jì)避雷器的主要參數(shù)如表3所示。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，同一電壓等級(jí)下，不同廠家避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性差異不大，尤其對(duì)于避雷器0.1s的TOV值，各廠家數(shù)據(jù)具有較高的一致性。從系統(tǒng)過(guò)電壓最嚴(yán)格運(yùn)行條件角度出發(fā)，由各廠家避雷器數(shù)據(jù)得到的最劣工頻電壓耐受時(shí)間特性統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 各電壓等級(jí)交流系統(tǒng)被統(tǒng)計(jì)避雷器(變電站側(cè))的典型參數(shù)Table 3 Typical parameters of arresters (substation side) in AC power grids of different voltage levels

表4 華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出各電壓等級(jí)系統(tǒng)避雷器(變電站側(cè))最劣TOV耐受特性(相對(duì)地)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of worst TOV withstand characteristic (phase to ground) of arresters (substation side) in centralized wind powertransmission systems of different voltage levels in north China

圖4 由避雷器TOV耐受特性擴(kuò)展500千伏系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則示意圖Fig.4 Diagram of extension of power-frequency overvoltage operating rules based on TOV characteristics of arresters

可以看出，圖4在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(見(jiàn)圖1)基礎(chǔ)上對(duì)各時(shí)限范圍內(nèi)待定區(qū)的工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行了細(xì)化和完善：

1)運(yùn)行時(shí)限在0.1 s以?xún)?nèi)：由避雷器TOV耐受特性，將安全運(yùn)行區(qū)由不超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[16-18]規(guī)定工頻過(guò)電壓上限1.3 p.u.擴(kuò)展至不超過(guò)避雷器在0.1 s的工頻耐受電壓1.6 p.u.。

2)0.1 s～0.5 s運(yùn)行時(shí)限范圍內(nèi)，將安全運(yùn)行區(qū)由不超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工頻過(guò)電壓上限1.3 p.u.擴(kuò)展至不超過(guò)避雷器在1.0 s的工頻耐受電壓1.45 p.u.；將禁止運(yùn)行區(qū)由操作過(guò)電壓上限2.0 p.u.之上擴(kuò)展至避雷器在0.1 s的工頻耐受電壓1.6 p.u.之上。

3)0.5 s以上運(yùn)行時(shí)限，將0.5 s～10 s、10 s～1 200 s的安全運(yùn)行區(qū)由不超過(guò)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行最高電壓1.0 p.u.分別擴(kuò)展至不超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限1.3 p.u.和不超過(guò)避雷器在1 200 s的工頻耐受電壓1.2 p.u.；將1 200 s之后禁止運(yùn)行區(qū)由現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工頻過(guò)電壓上限1.3 p.u.之上擴(kuò)展至避雷器在1 200 s的工頻耐受電壓1.2 p.u.之上。

需要注意的是，圖4中由避雷器TOV耐受特性得到的禁止運(yùn)行區(qū)可直接在現(xiàn)行規(guī)定禁止運(yùn)行條件基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展；而對(duì)于由避雷器TOV特性得到的安全運(yùn)行區(qū)，理論上還需由其他電氣設(shè)備的工頻過(guò)電壓耐受性能進(jìn)行校驗(yàn)。

3.3 0.1 s短時(shí)限內(nèi)工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值擴(kuò)展

雖然系統(tǒng)過(guò)電壓安全運(yùn)行條件需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)各類(lèi)電氣設(shè)備承受過(guò)電壓的能力，但在0.1 s短時(shí)限內(nèi)可完全以避雷器TOV特性作為擴(kuò)展系統(tǒng)過(guò)電壓安全運(yùn)行規(guī)則的依據(jù)，理由如下：

1)0.1 s短時(shí)限內(nèi)，避雷器的工頻耐受電壓全面低于其他被保護(hù)設(shè)備，即避雷器是系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行的“短板”設(shè)備。受到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)際過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作約束，持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定時(shí)限的工頻過(guò)電壓不得高于規(guī)定上限——例如對(duì)于500 kV系統(tǒng)，0.5 s時(shí)限以上的工頻過(guò)電壓不得高于1.3 p.u.，此時(shí)避雷器處于近乎關(guān)斷的狀態(tài)而不對(duì)設(shè)備提供過(guò)電壓保護(hù)。但在0.1 s之內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定暫時(shí)過(guò)電壓上限時(shí)，設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)主要由避雷器實(shí)現(xiàn)。由圖3可知，動(dòng)作狀態(tài)下避雷器的伏秒特性低于被保護(hù)設(shè)備，即相同時(shí)限下避雷器的工頻電壓耐受值一定低于被保護(hù)設(shè)備。

2)避雷器0.1 s時(shí)限耐受工頻電壓是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及工程規(guī)定明確提出需要由制造廠家公布的重要參數(shù)，因而可以作為系統(tǒng)短時(shí)限內(nèi)過(guò)電壓安全運(yùn)行的可靠依據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[22]，避雷器制造廠家應(yīng)用表格形式列出從曲線中得到的對(duì)應(yīng)于時(shí)間點(diǎn)0.1 s、1 s、10 s、100 s和1 000 s的TOV耐受值。通過(guò)對(duì)華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)各電壓等級(jí)避雷器TOV耐受數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，得到同電壓等級(jí)下不同廠家避雷器0.1 s工頻耐受電壓基本一致，各電壓等級(jí)避雷器(變電站側(cè))0.1 s耐受工頻電壓如表5所示。

表5 華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出各電壓等級(jí)系統(tǒng)避雷器(變電站側(cè))0.1 s工頻耐受電壓Table 5 Power-frequency withstand voltages of arresters (substation side) in 0.1 second in wind powertransmission systems of different voltage levels in north China

4 風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則完善建議

4.1 工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行條件的擴(kuò)展原則

基于上文分析，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)定基礎(chǔ)上，可由避雷器TOV耐受特性對(duì)短時(shí)限內(nèi)的工頻過(guò)電壓的安全運(yùn)行條件進(jìn)行擴(kuò)展。不同時(shí)限工頻過(guò)電壓的運(yùn)行規(guī)則如下：

1)過(guò)電壓時(shí)限在0.1 s之內(nèi)時(shí)，以避雷器TOV耐受值作為工頻過(guò)電壓上限。例如500 kV系統(tǒng)，將安全運(yùn)行區(qū)由不超過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定工頻過(guò)電壓上限1.3 p.u.擴(kuò)展至不超過(guò)避雷器在0.1 s的工頻耐受電壓1.6 p.u.。

2)過(guò)電壓時(shí)限在0.1 s至最大工頻過(guò)電壓允許持續(xù)時(shí)間時(shí)，以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及工程要求最大工頻過(guò)電壓作為上限。關(guān)于工頻過(guò)電壓的大小，各電壓等級(jí)系統(tǒng)的工頻過(guò)電壓上限要求如表1所示。關(guān)于最大工頻過(guò)電壓的允許持續(xù)時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[16-18]，結(jié)合對(duì)華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)的工程調(diào)研：對(duì)于500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及工程過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作都有明確要求，為0.5 s；對(duì)于35 kV、110 kV和220 kV系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未給出明確規(guī)定，工程中也通常不會(huì)對(duì)該值設(shè)置工頻過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。然而，考慮到35 kV、110 kV和220 kV電壓等級(jí)交流系統(tǒng)中電氣設(shè)備在絕緣裕度上通常大于500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，同時(shí)又由于避雷器在最大工頻過(guò)電壓下的耐受時(shí)間遠(yuǎn)高于0.5 s(按照標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定，不應(yīng)小于10 s)，因此參照500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，將0.5 s之內(nèi)工頻過(guò)電壓限制在規(guī)定上限以下，應(yīng)能滿足220 kV及以下電壓等級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行的要求。因此，對(duì)于35 kV～1 000 kV電壓等級(jí)系統(tǒng)，當(dāng)過(guò)電壓時(shí)限在0.1 s至0.5 s時(shí)，以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及工程要求最大工頻過(guò)電壓作為上限。

3)長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)限(>0.5 s)下，以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[23]規(guī)定系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓作為電壓上限。

4.2 各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行限值

以500 kV系統(tǒng)為例，工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行條件如圖5(a)所示，圖中713 kV、653 kV、594 kV、534 kV分別為持續(xù)時(shí)間為0.1 s、1 s、10 s、1 200 s避雷器(變電站側(cè))工頻耐受電壓(峰值)。圖5(a)中，時(shí)限在0.1 s以?xún)?nèi)的系統(tǒng)工頻過(guò)電壓以避雷器0.1 s工頻耐受電壓713 kV為上限；0.1 s至0.5 s時(shí)限內(nèi)，仍以標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定最大工頻過(guò)電壓585 kV作為上限(即1.3 p.u.)；0.5 s以上時(shí)限內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)[23]規(guī)定系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓449 kV作為上限。同理可以得到1 000 kV、220 kV、110 kV和35 kV系統(tǒng)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行條件，分別如圖5(b)～(e)所示。

圖5 風(fēng)電集中式送出各電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓(相對(duì)地)安全運(yùn)行條件擴(kuò)展示意圖Fig.5 Diagram of extension of safe operating requirements of power-frequency overvoltage (phase to ground) in centralized wind power transmission systems of different voltage levels

實(shí)際上，將0.1 s內(nèi)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓上限峰值由現(xiàn)行規(guī)定限值擴(kuò)展至避雷器0.1 s的TOV耐受值，對(duì)于華北地區(qū)風(fēng)電送出能力的提升效果是十分顯著的。以華北電網(wǎng)錫盟地區(qū)風(fēng)電集中式送出500 kV系統(tǒng)為例，如果按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將0.5 s內(nèi)的工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值設(shè)置為1.3 p.u.(峰值為585 kV)，錫盟地區(qū)整體風(fēng)電送出能力約為150萬(wàn)千瓦；而如果依據(jù)避雷器工頻電壓耐受時(shí)間特性，將系統(tǒng)0.1 s內(nèi)的工頻過(guò)電壓限值由1.3 p.u.擴(kuò)展至避雷器0.1 s的TOV耐受值1.6 p.u.(峰值713 kV)，則錫盟地區(qū)整體風(fēng)電送出能力將提升至約350萬(wàn)千瓦，為前者的2.3倍以上。在本研究基礎(chǔ)上，后續(xù)將在實(shí)際工程中進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)工頻過(guò)電壓運(yùn)行限值擴(kuò)展規(guī)則的可行性，以降低過(guò)電壓?jiǎn)栴}對(duì)風(fēng)電送出的制約。

5 結(jié)語(yǔ)

華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出35 kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓計(jì)算和防護(hù)的現(xiàn)有判據(jù)存有空白亟待補(bǔ)充和完善。本研究梳理總結(jié)了35 kV、110 kV、220 kV、500 kV和1 000 kV電壓等級(jí)電力系統(tǒng)工頻過(guò)電壓現(xiàn)行規(guī)定，提出了擴(kuò)展過(guò)電壓運(yùn)行規(guī)則的原則和方法，基于華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)避雷器工頻耐受時(shí)間特性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)短時(shí)限內(nèi)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行了擴(kuò)展，提出將0.1 s短時(shí)限內(nèi)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行上限由現(xiàn)有規(guī)定限值擴(kuò)展至避雷器0.1 s工頻耐受電壓值，進(jìn)而形成了完善華北電網(wǎng)35 kV～1 000 kV各電壓等級(jí)系統(tǒng)不同時(shí)限內(nèi)工頻過(guò)電壓安全運(yùn)行的建議。