特高压输电线路合闸空载过电压的仿真分析

闫莎莎

【摘 要】文章以晋南荆特高压线路为研究对象，使用Matlab/Simulink建立了输电线路等效模型，对合闸过电压进行仿真，并分别分析使用一级合闸电阻、二级合闸电阻、三级合闸电阻和金属氧化物避雷器4种限制措施的限制效果，同时对仿真结果进行对比分析。

【关键词】特高压；空载线路；MATLAB；合闸过电压

【中图分类号】TM723 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）12-0040-03

0 引言

当今世界主要的发电厂依然是火电厂，我国亦然，火电厂占的比重是最大的，因此煤炭资源是发电所需的主要能源。但是，我国的煤炭主要分布于“雄鸡”背部，而用电区域又主要分布在“雄鸡”的腹部，如果用传统的方法进行西电东送，就会产生巨大的损耗，因此特高压输电的发展是尤为重要的[1]。输电线路开关的操作会在输电线路及与其连接的设备上产生较高的过电压，如何限制特高压输电线路的操作过电压倍数，是发展特高压电网所要解决的重大问题[2]。

本文基于特高压输电线路的特点，对输电线路简化分析并建模仿真，研究其过电压的大小，为限制过电压的措施提供理论依据。

1 合闸过电压理论分析

合闸于空载线路是电力系统中常见的一种操作，通常可分为2种情况：一种是正常有计划的合闸，如线路检修后投入运行，根据调度需要对送电线路的合闸操作等[3-4]；另一种是自动重合闸。用集中参数等值电路暂态的方法分析过电压，并按单相电路进行分相分析，合空线过电压时的集中参数等值电路如图1所示。

空载线路使用T等值线路代替，RT、LT、CT分别是其等值电阻、电感和电容，u为电源相电压，R0和L0分别为电源的电阻和电感，定性分析时还可以忽略电源电阻和线路电阻的作用，其等值电路可简化为如图2所示的简单振荡回路，其中电感L=L0+LT /2。

若取合闸瞬间为起点，此时t=0，电源电压的表达式如下：

u（t）=Uφcosωt（1）

在正常合闸时，线路上没有残余电荷，初始电压为0，图2的回路方程如下：

L■+uc=u（t）（2）

因为i=CT■，代入式（2）可以得到：

LCT■+uC=u（t）（3）

如果合闸时电源电压恰到幅值，此时过电压是最大的，由于回路振荡频率很高，可认为合闸到直流电源，式（3）可写为

LCT■+uC=Uφ（4）

解为

uC=Uφ+Asinω0 t+Bcosω0 t（5）

式（5）中，ω0为振荡角频率；A、B为积分常数。

t=0作为初始条件，則：

uC（0）=0（6）

i=CT ■=0（7）

解得A、B代入式（5）得：

uC=Uφ（1-cosω0 t）（8）

当t=■时，cosω0 t=-1，uC达到最大值，即

UC=2Uφ（9）

由于回路中有损耗，所以振荡是衰减的，一般以衰减系数δ来表示，式（8）变成

uC=Uφ（1-e-δtcosω0 t）（10）

式中，衰减系数δ和图2的总电阻成正比，最大值UC将略小于2Uφ。但是实际情况下的电源电压是交流的，uC（t）将写为

uC=Uφ（cosωt-e-δtcosω0 t）（11）

如果按照分布参数等值电路的波过程来处理，由于电压波会在开路末端发生全反射，电压会大于2Uφ。

分析完正常合闸的情况，现在分析重合闸的情况，由于重合闸时，线路上存在残余电压，所以过电压将更大。

如图3所示，A相发生接地故障，QF2先跳闸，紧接着QF1跳闸，B、C两相的电压绝对值一样，但极性可能不同，断路器自动重合，如果此时这两相存在残余电压，重合闸时又恰好是电源电压最大时，这时候会出现最大过电压[5-6]。最大过电压的值用下式求解：

UC=2UW-uC（0）=2Uφ-（-Uφ）=3Uφ（12）

式中，UW为稳态电压。

2 特高压线路参数

晋南荆线路是我国首个使用单回路八分裂设计的输电线路，其导线型号是8×LGJ-500/35的钢筋铝绞线，分裂间距为400 mm，地线型号是LBGJ-150-20AC。输电线路有关参数见表1。

3 合闸过电压仿真

3.1 无限制措施过电压仿真

图4为晋南荆线路合闸空载过电压的仿真波形。

从图4可以看出，合闸瞬间线路末端将产生过电压1 841 kV，约为电源电压的2倍，超过线路允许值，如果不加限制措施将对电力系统造成很大的影响。

3.2 采用合闸电阻限制过电压

3.2.1 单级合闸电阻

采用单级合闸电阻的仿真波形如图5所示。

从图5可以看出，过电压问题得到缓解，并且电压波形较未加合闸电阻时平滑，过电压的数值是1 350 kV。与未采取限制措施时合闸空载线路的过电压相比较，其过电压降低了约500 kV，远在允许值1.6 p.u.以下，可见限制效果是很明显的。

3.2.2 二级合闸电阻

采用二级合闸电阻的仿真波形如图6所示。

从图6可以看出，过电压问题较单级合闸电阻时有所缓解，并且电压的波形更平滑，过电压的仿真结果是1 134 kV，比不安装限制措施时降低了大约700 kV，相比于使用单级合闸电阻，过电压降低了约200 kV，效果比单级合闸电阻更好。

3.2.3 三级合闸电阻

采用三级合闸电阻的仿真波形如图7所示。

从图7可以看出，采用三级合闸电阻限制过电压的效果更显著，过电压更小，符合要求。从降低过电压的效果来看，随着合闸电阻级数的增加，限制效果越来越好，过电压越来越低，但是三级合闸电阻成本高是其缺点。在二级合闸电阻限制过电压近乎完美的情况下，无需出资很多再降低过电压。

3.3 金属氧化物避雷器

采用金属氧化物避雷器的仿真波形如图8所示。

从图8可以看出，只使用MOA限制过电压，过电压的仿真结果是1 588 kV。过电压值比单级合闸电阻限制过电压的效果差，当然比二级、三级更差。从以上分析中得出，在实际应用中单独使用MOA来限制过电压不可取，但可以考虑与合闸电阻搭配使用。

4 结论

本文研究了特高压输电线路合闸空载过电压的限制措施，对使用合闸电阻和金属氧化物避雷器的线路建立了模型，通过仿真结果可以清晰地看到使用这些措施后过电压的准确数值，方便比较这2种措施对输电线路空载合闸过电压的抑制效果。从仿真分析结果可以得出：在线路中安装合闸电阻可以有效地抑制过电压，合闸电阻的级数越高抑制效果越好，但出于经济性和可行性方面的考虑，使用二级合闸电阻是最好的选择。金属氧化物避雷器对于限制合闸过电压有较好的效果，对于其他过电压也有不错的抑制作用。

参 考 文 献

[1]舒印彪，刘泽洪，袁骏.2010年国家电网公司特高压输电论证工作综述[J].电网技术，2010，30（5）：1-12.

[2]周浩，余宇红.我国发展特高压输电中一些重要问题的讨论[J].电网技术，2011，29（12）：1-9.

[3]舒印彪.1 000 kV交流特高压输电技术的研究与应用[J].电网技术，2008，29（19）：1-6.

[4]张海，徐玉琴，白嘉，等.10 kV配电网中性点灵活接地方式在单相金属性接地故障下ATP仿真及其研究[J].继电器，2006，7（34）：18-23.

[5]赵智大.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2006：234-251.

[6]陈思浩.1 000 kV输电线路操作过电压的研究[D].长沙：湖南大学，2007.

[责任编辑：钟声贤]