王圣凱，趙洪峰

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引 言

隨著我國電力系統(tǒng)電壓等級的提高，合閘過電壓已成為決定超、特超壓電網(wǎng)絕緣水平的重要因素[1]。為限制這種過電壓，我國330 kV 和500 kV 線路側(cè)斷路器均已取消合閘電阻[2]。對于750 kV 線路，近年來的研究成果表明：200 km 及以下的同塔雙回線路，理論上具有取消合閘電阻的可能，如果能進一步降低避雷器額定電壓和殘壓，取消合閘電阻的線路長度范圍會進一步擴大[3-6]；但是，對于200 km 以上的長距離線路，通常采用合閘電阻消耗能量以降低合閘過電壓。這種方法雖然行之有效，但是并聯(lián)合閘電阻的斷路器存在造價高、制造難度大等缺點[7-9]；其次，并聯(lián)合閘電阻使得斷路器操縱機構(gòu)復(fù)雜且故障率高[10-15]；再次，若合閘電阻不可靠地投切，則有可能導(dǎo)致合閘電阻爆炸[16-17]；從次，對于電壓等級更高的1 000 kV 特高壓線路，盡管取消合閘電阻相比超高壓線路難度倍增，但是小于100 km 的同塔雙回線路和小于60 km 的單回線路仍有可能[18-20]；最后，隨著金屬氧化物避雷器（下文簡稱MOA）制造技術(shù)的成熟，通過改善MOA 的伏安特性使之更加平坦，能獲得更加優(yōu)良的非線性度并進一步降低殘壓[21-27]，為沿線安裝多組MOA[28-29]替代合閘電阻深度限制[30-37]特高壓線路操作過電壓提供了理論上的可行性。綜上所述，合閘電阻自身存在著諸多弊端，加之MOA 優(yōu)異的保護性能，使得斷路器取消合閘電阻成為大勢所趨。

1 合閘過電壓的理論基礎(chǔ)

超、特高壓系統(tǒng)中，空載線路合閘過電壓是最常見的操作過電壓，合閘空載線路通常分為正常檢修時的計劃性合閘和故障時的自動重合閘。通常情況下，與線路長度、電源容量、合閘相位角、殘余電壓的極性和大小等因素有關(guān)。目前，我國有關(guān)規(guī)程規(guī)定了選擇絕緣時計算所用相對地操作過電壓值，如表1 所示。

表1 不同電壓等級下的相對地操作過電壓倍數(shù)

針對750 kV 長距離線路，目前常用并聯(lián)合閘電阻的方法來消耗斷路器操作時系統(tǒng)中產(chǎn)生的能量，從而限制合閘過電壓，其運行方式如圖1 所示。在操作時，先合輔助觸頭QF2，接入電阻R；經(jīng)過8～15 ms，再合主觸頭QF1，短接電阻R，完成斷路器的合閘動作。開斷線路時，則是先斷開QF1，再斷開QF2。合閘電阻的阻值通常為400～600 Ω。

圖1 帶有合閘電阻的斷路器運行示意圖

根據(jù)近年來電網(wǎng)運行部門的統(tǒng)計，750 kV 線路100%為單相接地故障，且大多為瞬時性的，故廣泛采用單相自動重合閘裝置作為消除瞬時性故障的有效措施，其重合成功率已高達75%，正確動作率[38]已高達100%。故針對750 kV 線路，只研究三相空載合閘過電壓和單相自動重合閘過電壓作用下取消合閘電阻的可行性。

我國目前對取消合閘電阻的判據(jù)沒有成文規(guī)定，通常把最大2%操作過電壓倍數(shù)和絕緣閃絡(luò)率作為取消斷路器合閘電阻的判斷依據(jù)[4-6]。近年來研究成果和運行經(jīng)驗表明：750 kV 線路因操作過電壓引起絕緣閃絡(luò)的概率極低[6]，通常滿足不高于0.03 次/年的標(biāo)準(zhǔn)，故一般情況下只要沿線最大2%操作過電壓倍數(shù)小于1.8 p.u.就有取消合閘電阻的可能。

2 仿真分析

2.1 建模與參數(shù)選擇

2.1.1 模型建立

合閘過電壓的幅值受線路長度影響，線路越長，過電壓幅值越高[1]。故本文以新疆電網(wǎng)距離最長的750 kV 線路（吐魯番—天山線路，下文簡稱吐天線）為研究對象，利用PSCAD 搭建該線路的bergeron 模型，并用EMTDC 程序計算出取消合閘電阻后，沿線安裝不同組數(shù)的避雷器對單相重合閘過電壓、三相空載合閘過電壓的限制作用。另外，設(shè)置隨機合閘200 次，計算求得最大2%合閘過電壓倍數(shù)，從而判斷新疆電網(wǎng)全網(wǎng)范圍內(nèi)750 kV 線路側(cè)斷路器取消合閘電阻是否可行。

系統(tǒng)接線圖如圖2 所示。該線路為同塔雙回線路，每回線路長度均為396 km，系統(tǒng)額定電壓為750 kV。假定吐魯番側(cè)為送電端，天山側(cè)為受電端，吐魯番側(cè)變電站有2 臺主變，每臺容量為1 500 MVA，額定電壓為220 kV/750 kV；天山側(cè)變電站有4 臺主變，每臺容量為2 100 MVA，額定電壓為750 kV/220 kV。

圖2 系統(tǒng)接線圖

2.1.2 參數(shù)選擇

750 kV 輸電線路參數(shù)如表2 所示。線路兩側(cè)裝有420 MVar并聯(lián)電抗器，補償度為78.84%，且不可退出運行。

表2 750 kV 輸電線路各序參數(shù)

2.2 三相空載合閘過電壓仿真研究

2.2.1 仿真與計算條件

以750 kV 吐天線為研究對象，給出以下條件：

1）在PSACD/EMTDC 的bergeron 等效模型里，線路長度近似等效成400 km，平均分為8 段。

2）三相斷路器采用不同期合閘（不同期時間小于5 ms），合閘時間為一個工頻周期內(nèi)的隨機分布時間，符合正態(tài)分布規(guī)律。

3）MOA 的額定電壓為600 kV，標(biāo)稱放電電流為20 kA，根據(jù)避雷器廠家提供的數(shù)據(jù)最大流通容量允許值為10 MJ。

4）相對地的基值電壓為：800 kV × 2 ÷ 3=653.197 kV。

5）沿線MOA 的布置方式采用以下4 種方案：

方案1：線路首、末兩端安裝MOA；

方案2：在線路首、末兩端安裝MOA 的基礎(chǔ)上，在線路中間（在全線約3 4 處）安裝1 組MOA；

方案3：在線路首、末兩端安裝MOA 的基礎(chǔ)上，在線路中間（在全線約1 2 和3 4 處）安裝2 組MOA；

方案4：在線路首、末兩端安裝MOA 的基礎(chǔ)上，沿線（在全線約1 4、1 2 和3 4 處）安裝3 組MOA。

2.2.2 三相空載合閘過電壓的沿線分布情況

沿線最大2%統(tǒng)計合閘過電壓的大小與電源容量、線路長度、線路補償度等因素有關(guān)，隨機合閘200 次，仿真得到的最大2%過電壓倍數(shù)如表3 所示，沿線最大2%三相空載合閘過電壓倍數(shù)隨線路首端距離的變化曲線如圖3 所示。

圖3 三相空載合閘最大2%過電壓倍數(shù)變化曲線

表3 三相空載合閘最大2%過電壓倍數(shù)

2.2.3 仿真結(jié)果及分析

針對2.2.1 節(jié)提出的4 種不同方案，對三相空載合閘過電壓的限制效果進行分析，結(jié)果如表4 所示，方案1～方案4 最大2%三相空載合閘過電壓倍數(shù)如圖4 所示。由此可知：取消合閘電阻后，沿線安裝3 組避雷器（方案2）時，最大2%三相空載合閘過電壓倍數(shù)小于1.8 p.u.；隨著沿線安裝避雷器組數(shù)的增加，最大2%三相空載合閘過電壓倍數(shù)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，而且單相避雷器吸收的能量遠不及避雷器的最大允許流通容量。

圖4 四種不同方案下的最大2%三相空載合閘過電壓倍數(shù)

表4 四種不同方案對三相空載合閘過電壓的限制效果

2.3 單相自動重合閘過電壓仿真研究

2.3.1 仿真條件

與2.2.1 節(jié)中計算條件完全相同，另外設(shè)定單相重合閘的時序為：t=1 ms 時，線路發(fā)生單相接地故障，此時故障三相斷路器雙側(cè)跳開，經(jīng)過0.6 s 后兩側(cè)斷路器重合閘。只允許重合一次，若重合不成功，也不再重合，跳開雙側(cè)三相斷路器。

2.3.2 單相自動重合閘過電壓的沿線分布情況

利用2.2.2 節(jié)中的原理和計算方法，仿真得到單相自動重合閘最大2%過電壓倍數(shù)，如表5 所示。沿線最大2%單相自動重合閘過電壓倍數(shù)隨線路首端距離的變化曲線如圖5 所示。

圖5 單相自動重合閘最大2%過電壓倍數(shù)變化曲線

表5 單相自動重合閘最大2%過電壓倍數(shù)

2.3.3 仿真結(jié)果及分析

針對2.2.1 節(jié)提出的4 種不同方案，對單相自動重合閘過電壓的限制效果進行分析，結(jié)果如表6 所示。方案1～方案4 最大2%單相自動重合閘過電壓倍數(shù)如圖6所示。由此可見，取消合閘電阻后，沿線安裝4 組避雷器（方案3）時，最大2%單相自動重合閘過電壓倍數(shù)小于1.8 p.u.；隨著沿線安裝避雷器組數(shù)的增加，最大2%單相自動重合閘過電壓倍數(shù)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，而且單相避雷器吸收的能量遠小于避雷器最大允許流通容量。

圖6 四種不同方案下的最大2%單相自動重合閘過電壓倍數(shù)

表6 四種不同的方案對單相自動重合閘過電壓的限制效果

3 結(jié) 論

本文以新疆電網(wǎng)吐天線為研究對象，仿真分析了在并聯(lián)電抗器不退出運行的前提下，取消合閘電阻后在沿線不同位置安裝不同組數(shù)的避雷器，得出以下結(jié)論：

1）帶有合閘電阻的斷路器，從電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性、可靠性的角度考慮，其弊端正在日益凸顯。所以，斷路器逐步取消合閘電阻是未來超、特高壓電網(wǎng)發(fā)展所面臨的且不可回避的問題，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢。

2）能否取消合閘電阻，關(guān)鍵就在于金屬氧化物避雷器對操作過電壓的限制能力?；诂F(xiàn)代先進的避雷器制造技術(shù)，低殘壓、低額定電壓、高荷電率MOA 的生產(chǎn)問世，也為超、特高壓斷路器取消合閘電阻創(chuàng)造了有利條件。

3）隨著沿線避雷器組數(shù)的增加，過電壓倍數(shù)呈下降趨勢，且遠沒有超過避雷器最大允許流通容量，此方法在理論上對新疆電網(wǎng)全網(wǎng)范圍內(nèi)所有200 km 以上750 kV 長距離線路取消合閘電阻是十分有利的。

4）關(guān)于取消合閘電阻的可行性研究，筆者僅限于仿真分析，沒有充分考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)不同運行方式、電網(wǎng)未來發(fā)展規(guī)劃等一系列工程實際問題，需要進行更加深入的研究。

注：本文通訊作者為趙洪峰。