超特高压输电线路过电压抑制和保护控制策略分析

王峰+任洋+赵亮

摘要：随着我国经济的持续发展，电力需求急剧增长。为了满足大容量长距离输电和全国联网的需要，同时保障系统的稳定运行，我国必须加强骨干网架的建设。而加强骨干网架经济而有效的途径就是建设特高压输电线。在特高压研究中，过电压的研究是其它研究课题的前提和基础，也是能否采用特高压输电的关键之一。它不仅影响到变压器、断路器、输电线等电力设备绝缘强度的设计，而且还直接关系到电力系统是否能够安全稳定的运行。

关键词：超特高压；输电线路；过电压；保护

0.引言

电力工业中选用合理的电压等级具有全局的和长期的战略意义。电力系统应用的电压等级是随着电力系统发展阶段的进展而提高的。在我国用于发电的一次能源中，水电约占20%，火电约占70%，核电和其他可再生新能源在总能源中的比例不到10%，而且我国能源和负荷的地理分布很不均衡。要解决21世纪国民经济发展的能源供应问题，必须在大力开发西南、西北水电和“三西”火电的同时建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送和北电南送”。因此，我国现有超高压输电系统明显不能满足重大的电力输送任务。而建设特高压输电线不但具有巨大的经济效益，也是建设全国统一电网所必需。未来全国联网后整个电网的稳定性与各大区电网间互相支援的能力有关，各大区电网间联络线交换功率愈大，即联系愈紧密，电网运行愈稳定，用特高压输电线做大区电网间联络线更有利于电网整体运行的稳定性。

在我国将逐渐大范围开展特高压输电的背景下，应该对有关特高压输电线路所涉及的相关问题进行深入细致的研究。考虑到电网输变电压等级提高以后，对电网安全稳定运行的要求也提到了一个更高的层面，而电力系统过电压是发展特高压电网所必须研究的一个重要课题。它不仅影响到变压器、断路器、输电线路等电力设备绝缘强度的选择和设计，同时直接影响电力系统运行的安全可靠性。因此有必要对特高压输电系统中内部过电压的产生机制和影响因素进行深入的分析，并根据分析结果对继电保护及重合闸的动作时间进行合理的整定，从而尽可能地减少过电压造成的损害。

1.工频电压升高控制策略

在单端电源供电的情况下，空载长线的电容效应以及可能存在的不对称故障引起的过电压将使线路末端电压升高，而线路两端的电源容量则对末端工频电压升高有重要影响。电源容量越小，其内阻抗越大，引起的工频电压升高越严重。因此得出结论：在双端电源供电的线路中，为避免严重的工频电压升高，应使线路两端的断路器开合按照一定操作程序进行操作。即切除输电线路（计划或故障）时，应使电源容量较小的一端先断开，再将电源容量较大的一端断开；相反的，在投入输电线路时，应使电源容量较大的一端先合闸，再将电源容量较小的一端合闸。特高压线路的空载状态只允许存在数秒。当线路一端空投时，必须通过通信通道使远方起动对端的自动同期装置进行同期并列。当线路从一端手动切除时，也必须通过通道自动切除对端。

特高压线路一般很长，当工频电压升高超过一定限度时，可在线路上加装并联电抗器来补偿电容电流，从而减少容性电流在线路电感上引起的电压以限制工频电压升高。并联电抗器在特高压输电線上的运行方式直接影响到最大负荷情况下线路的正常工作与限制内过电压的问题。俄罗斯特高压输电线的运行经验表明，在特高压线路建设并运行的起始阶段，电源容量较小，传送功率亦较小，因此电抗器可不切除的长期运行；随着特高压系统的不断扩大，线路传输功率也增大，就需要把电抗器切除。因此，为保证特高压线路传送功率的需要，同时经济有效的发挥并联电抗器抑制过电压的作用，可利用线路继电保护与并联电抗器的动作配合关系进一步保证输电系统的安全、可靠运行。

2.故障过电压控制策略

影响故障过电压的几个主要因素：故障点位置、故障发生时刻与线路传输功率（两端电源摆开角度）。故障点越靠近电源，过电压的最大值出现得越迟，其持续时间也越长；故障点越远离电源，过电压的最大值出现得越早，其持续时间也越短。最大的故障过电压出现在线路的末端。 当线路上发生不对称短路故障，短路电流的互感效应会使健全相出现工频电压升高。其故障后的过电压稳态值决定于线路的零序阻抗与正序阻抗的比值。当双端电源供电的线路上出现不对称短路而一端断路器三相跳闸时，单端电源对故障线路供电，此时由电容效应、互感效应产生的健全相电压升高幅度在特高压系统内是不容忽视的。俄罗斯对特高压输电线的过电压计算表明，切除线路末端不对称短路后的稳态过电压对1150kV线路可达1.35～1.55p.u。按照特高压输电线一般允许的过电压条件，线路绝缘只能承受不足0.05s的时间。因此特高压输电线路两端断路器切除故障的时间差应尽量短，一般要小于 0.04～0.05s，以避免过电压造成绝缘破坏。按照保护动作时间的离散值不应大于±（0.01～0.0125）秒，断路器跳闸时间离散值也不大于±（0.01～0.0125）秒考虑，就要求保护动作时间小于0.02～0.025秒（设离散度<50%）。亦即两端断路器跳闸时间最大差0.02秒，两端保护动作时间差也不大于0.02秒，两者加起来就是两端断路器切除故障的时间差不大于0.04～0.05秒。

3.跳闸过电压控制策略

特高压输电线路两端的断路器跳闸操作因跳闸过程中反复出现的电弧重燃现象而产生严重的过电压。但随着高压电器制造水平的提高和所采用的一些措施，跳闸操作的电弧重燃基本上被抑制，相应的跳闸过电压也得到了有效的限制。一般的，跳闸过电压的大小和持续时间主要与跳闸时刻流过断路器的线路电流大小有关，即与跳闸前的系统运行状态有关。当线路电流经过峰值时跳闸，将会产生严重的跳闸过电压，而实际上断路器一般在电流过零点附近时将电流断开，故线路侧不会出现较高的过电压。但由于继电保护及自动装置操作引起输电线路不同的运行状态对系统将产生很大的影响。

当线路发生故障，继电保护快速判断故障并发出跳令的同时，应发出已被开断的并联电抗器的开关的合闸命令。而且电抗器的投入时间应当小于线路断路器跳闸的动作时间，如果并联电抗器不在本侧安装，则需要利用通道来实现，因此需要考虑通道传送并联电抗器合闸命令的时间与合闸操作的时间之和要小于线路断路器的跳闸时间。断路器跳闸前接入并联电抗器不仅有利于抑制跳闸过电压，改善断路器的工作环境，而且省去了跳闸电阻的选择及其制造，保证了继电保护快速跳闸切除故障的目的。并联电抗器的接入状态一直持续到重合之后，如果系统恢复正常运行，即可再次切除并联电抗器。

结束语：

综上所述，本文提出了抑制特高压输电线路过电压的保护与控制策略，包括特高压输电线路保护、重合闸、并联电抗器等的动作特性与配合关系等，旨在保障我国特高压输电线的安全运行，推进我国电力行业的平稳发展。

参考文献：

[1]特高压输电线路过电压的研究和仿真[J].盛鹍.电力系统及其自动化学报.2003（06）.

[2]二十一世纪我国的特高压输电[J].万启发.高电压技术.2000（06）.

[3]特高压输电技术的研究与我国电网的发展[J].张文亮.高电压技术.2003（09）.