500 kV牌长Ⅱ线空载投切试验方案选取仿真分析

王丽蓉，李欣，何智强，齐飞

(1.国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004;2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

电力系统的外部和内部过电压是造成电气设备绝缘损害的重要原因之一，也是确定电气设备绝缘水平的重要依据，过电压倍数的大小直接影响着电网供电的安全性和可靠性〔1〕。对于超高压输电线路，输电距离较远，线路将长期承受因电容效应引起的工频电压升高，此外，操作过电压的高频部分又叠加在工频过电压之上，从而使操作过电压的倍数更高，这对于超高压输电线路电气设备绝缘配合将是一个巨大的考验〔2〕。

对于新建的超高压输电线路，为了保证线路安全运行和考核断路器开关能力，都要进行相序核对和空载投切试验。在空载线路投切试验中，过电压倍数与线路运行方式密切相关，如何根据线路运行方式制定最佳的试验方案就显得尤为重要。

1 500 kV牌长Ⅱ线工频电压升高计算

1.1 500 kV牌长Ⅱ线简介

500 kV牌楼变电站至500 kV长阳铺变电站新建500 kV牌长Ⅱ回线路工程全长166.431 km，线路两端分别装氧化锌避雷器和电容式电压互感器。500 kV牌楼变电站新增1台断路器，将原有不完整串改为完整串，装设1组高压并联电抗器，单相容量为50000 kVar;500 kV长阳铺变电站新装2台断路器，构成一不完整串。500 kV牌长Ⅱ线简化接线方式如图1所示。

图1 500 kV牌长Ⅱ线接线图

1.2 空载长线工频过电压升高计算

对于短距离输电线路，可用集中参数的T型等值电路代替，而对于长距离输送的超高压输电线路，则应考虑分布参数特性，采用π型等值电路〔3〕。牌长Ⅱ线全长166.432 km，由于线路对地电容的存在，随着输送距离的增长，线路容抗将大于感抗，则会出现线路末端电压高于线路首端，500 kV牌长Ⅱ线的等效电路如图2所示。

图2 500 kV牌长Ⅱ线等效电路

当线路末端未装设高抗时，则线路末端电压为:

当线路末端装设高抗时，则线路末端电压为:

由此可见，并联高压电抗器接入后可降低工频电压升高值。

2 空载投切试验的ATP仿真

2.1 ATP仿真元件模型

为了验证500 kV牌长Ⅱ线工频电压升高倍数计算结果和计算投切试验时的操作过电压倍数，采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，建立500 kV牌长Ⅱ线过电压计算仿真模型〔4〕。

其中，电源采用三相交流电源，幅值为408.20 kV;电源内阻采用三相耦合RLC和多相耦合RL电路;开关采用三相时控开关，考虑最严重情况下的操作过电压倍数，设定其中一相合闸相角在90°附近;线路采用π型等值电路模型，三相均匀换位;高压并联电抗器采用三相集中参数模型;无间隙氧化锌避雷器采用非线性电阻模拟，其伏安特性曲线如图3所示。

图3 无间隙氧化锌避雷器伏安特性

2.2 不同接线方式下的过电压仿真结果

为了全面分析500 kV牌长Ⅱ线在不同运行方式下的过电压情况，以制定最佳的试验方案，分别以500 kV牌楼变电站和500 kV长阳铺变电站为试验电源，计算线路两端同时装设MOA避雷器和并联高抗、未装设MOA避雷器和装设并联高抗、装设MOA避雷器和未装设并联高抗以及MOA避雷器值和并联高抗都未安装时线路首、末端的工频电压升高值和操作过电压倍数。图4为以500 kV长阳铺为试验电源的仿真模型。

图4 以500 kV长阳铺为试验电源的仿真模型

图5为以500 kV长阳铺为试验电源，MOA避雷器和并联高抗都未装设时的首、末端工频电压升高和合闸空载线路过电压波形。

图5 首末端过电压仿真波形

3 仿真结果及试验方案选取分析

3.1 过电压仿真结果分析

500 kV牌长Ⅱ线4种运行方式下的仿真结果如表1所示。由表1可以看出，空载长线电容效应引起的工频电压升高理论计算结果与仿真结果一致，过电压倍数都为1.02 p.u.;分别以长阳铺和牌楼变电站为试验电源，在4种不同运行方式下，线路首、末端过电压倍数各不相同。其中，以500 kV长阳铺变电站为试验电源，线路两侧都装设MOA避雷器，牌楼变电站装设一组并联高抗，此时的过电压倍数最低。

根据上述理论计算和表1的仿真结果可知，并联高抗装在试验电源侧对工频电压升高过电压没有影响，只有装在线路末端才可以降低工频电压升高值;MOA避雷器能够有效降低操作过电压;当并联高抗在电源侧时，不能起到降低工频电压的作用，且在切除空载线路时，可能产生并联高抗和线路的剧烈震荡，产生倍数较高的过电压。若此时将并联高抗侧作为试验电源，则线路两端必须加装MOA避雷器。综上所述，试验电源应设置在线路并联高抗侧的对侧，此时并联高抗和MOA避雷器才能够起到最有效抑制过电压的作用。

表1 500 kV牌长Ⅱ线过电压仿真结果

3.2 试验方案选取分析

超高压输电线路投运时，要进行空载投切试验，试验内容主要包括:三相充电核相试验和自动重合闸试验。根据仿真结果可知，在进行投切试验时，因并联高抗装设在500 kV牌楼变电站，从降低工频电压升高的角度考虑，应以500 kV长阳铺变电站作为试验电源，此时的过电压倍数最低，工频电压升高、合空载线路过电压和切除空载线路过电压的倍数分别为 1.00 p.u.，1.63 p.u.和1.13 p.u.。

此外，为了使线路两侧断路器的性能都能考核到，兼顾过电压倍数、三相充电核相试验以及自动重合闸试验所需时间等因素，进行三相充电核相试验时，线路承受的工频电压升高时间较长，应将500 kV长阳铺变电站作为试验电源，而自动重合闸试验所需时间相对较短，可将500 kV牌楼变电站作为试验电源，此时工频电压升高、合空载线路过电压和切除空载线路过电压的倍数分别为1.00 p.u.，1.63 p.u.和1.63 p.u.。

3.3 实测结果

按照上述试验方案:三相充电核相时，以500 kV长阳铺变电站为试验电源;重合闸试验时，利用程序控制器控制断路器自动重合闸操作，以500 kV牌楼变电站为试验电源。同时，在牌长Ⅱ线线路两侧CVT处接入电容分压器，进行过电压波形采集，高低压分压比为18 000∶1，试验测得最大过电压倍数为1.78 p.u.，满足规程要求，线路可以正常投运。图6为试验时采集到的典型过电压波形。

图6 实测过电压波形

4 结论

文中介绍了新建500 kV牌长Ⅱ回线路的基本情况，根据该线路的接线方式和线路参数，建立了空载长线的等效电路模型，计算了工频过电压升高倍数;利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，建立了牌长Ⅱ回线路的仿真模型，计算了线路在不同运行方式下的工频电压升高和操作过电压倍数，并根据计算结果和试验内容，制定了最佳的试验方案，仿真计算结果与试验测试结果一致。

1)通过利用ATP仿真计算，空载线路投切试验电源应设置在线路并联高抗侧的对侧，此时并联高抗和MOA避雷器才能够起到最有效抑制过电压的作用。

2)综合考虑仿真结果和试验情况，三相充电核相时，应以500 kV长阳铺变电站为试验电源;重合闸试验时，应以500 kV牌楼变电站为试验电源。

3)利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP计算空载线路投切试验时的过电压倍数，对于试验方案的选择和制定具有重要的指导意义。

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〔3〕杨保初，刘晓波，戴玉松.高电压技术〔M〕.重庆:重庆大学出版社，2001:181-184.

〔4〕吴文辉，曹祥麟.电力系统电磁暂态计算与EMTP应用〔M〕.北京:中国水利水电出版社，2012:169-171，181-182.

〔5〕李欣，杜林，司马文霞，等.110 kV变电站过电压在线监测系统及其波形分析〔J〕.高电压技术，2012，38(3):535-543.

〔6〕李欣，杜林，王丽蓉，等.电力系统暂时过电压多级支持向量机分层识别〔J〕.电力系统保护与控制，2012，40(4):26-31，36.