电力电缆操作过电压特性与抑制技术研究综述

第9卷 第7期 新型工业化
Vol. 9 No. 7
作者简介: 孙硕（1996–），男，硕士研究生，主要研究方向：电气工程。

文章编号：2095-6649(2019)07-0028-04
电力电缆操作过电压特性与抑制
技术研究综述
孙硕
（湖南工业大学，湖南 株洲 412007）
摘要: 本文着重对比分析了近年来不同学者对电力电缆操作过电压的研究和仿真模型，总结了操作过电压产生的原因和影响因素，并详细介绍了空载线路合闸过电压和空载线路分闸过电压的研究成果。

加装串联补偿电容器、合闸电阻或配置多组避雷器、增加线路分段数等措施可有效抑制开合闸过程产生的过电压。

关键词: 空载线路合闸过电压；空载线路分闸过电压；合闸电阻；避雷器
中图分类号: TM864 文献标志码: A DOI ：10.19335/ki.2095-6649.2019.07.005
本文著录格式：孙硕. 电力电缆操作过电压特性与抑制技术研究综述[J]. 新型工业化，2019，9（7）：28 31
Summary of Research on Overvoltage Characteristics and Suppression
Technology of Power Cable Operation
SUN Shuo
(Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412007)
Abstract: This paper focuses on the comparative analysis of the research and simulation models of power cable overvoltage in different years, summarizes the mechanism of operating overvoltage, and introduces the overvoltage of the no-load line and the overvoltage of the no-load line. Research results. Adding series compensation capacitors, closing resistors or configuring multiple sets of arresters, increasing the number of line segments, etc. can effectively suppress the overvoltage generated during the opening and closing process.
Key words: Closing overvoltage; Trip overvoltage; Closing resistor; Lightning arrester
Citation: SUN Shuo. Summary of Research on Overvoltage Characteristics and Suppression Technology of Power Cable Op-eration [J]. The Journal of New Industrialization, 2019, 9(7): 28-31
0 引言
与架空线路相比，电力电缆可以降低线路故障率，节省城市空间，在电力系统应用越来越广泛。

近年来，全国各地发生多起电力电缆线路开合闸时，电缆接头爆炸的事故。

电缆发生故障会影响更大面积的用户供电、造成严重损失。

很多学者和电力工作研究人员开展了大量的关于电力电缆操作过电压特性和抑制技术的深入研究。

电力系统在运行中产生操作过电压是电力系统中的常见现象。

例如，当触发开关动作、线路中
负荷发生变化等，都会在电力系统中引起电磁暂态过程，进而产生各种类型的过电压。

如果过电压的峰值或过电压持续的时间超过机械设备所能承受的阈值范围时，就很有可能对设备造成损伤。

本文首先介绍了操作过电压产生的原因和影响过电压幅值的因素，然后主要对电力电缆中操作过电压（内过电压的一种）在不同条件和环境下的特性进行对比分析，并总结对应的抑制技术。

1 操作过电压产生原理
操作过电压是内过电压的一种，当对电力系统
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进行开关操作或者系统自身突发短路时，电力系统的储能元件中的磁能和静电场能量发生振荡，电力系统从一种的稳定状态发生变化转为另一种状态，产生了电压值高于系统额定电压的操作过电压。

跟其他过电压相比，操作过电压具有持续时间短、衰减快等明显特点。

按照具体的产生方式，操作过电压通常分为以下几类：（1）电弧接地过电压；（2）空载线路合闸和重合闸引起的过电压；（3）切除空载线路的过电压；（4）切除空载变压器的过电压。

表1 我国过电压保护规程规定
Table 1 China's overvoltage protection regulations
系统过电压倍数35~60kV及以下（非直接接地） 4.0
110~154kV（非直接接地） 3.5
110~220kV（直接接地） 3.0
330kV（直接接地） 2.75
500kV 2.0或2.2
通常情况下，操作过电压的持续时间不超过0.1s。

内过电压是由系统内部状态变化而引起的，其电压值的大小通常与电力系统的额定电压成一定的比例，因此通常用过电压倍数表示内过电压幅值大小。

系统的结构、设备参数、断路器性能、故障性质以及操作过程等因素都对过电压幅值产生影响。

2 空载线路合闸过电压
电力电缆空载线路合闸按照产生方式可以分为人工计划性合闸和自动重合闸两种。

线路检修完成后，技术人员合闸进行试送电测试，此时线路上并无残余电荷或初始电压，合闸产生的过电压幅值相对较低。

自动重合闸为线路出现故障，继电保护设备跳闸后，自动装置完成合闸，此时线路上有残余电荷和初始电压，产生的过电压幅度更大。

但两种情况下，产生的操作过电压通常不超过3.0标幺值[1]。

图1 空载合闸线路集中参数等值电路（左）和简化电路（右）Fig. 1 No-load closing circuit centralized parameter equivalent circuit (left) and simplified circuit (right)
周元清，彭建春等（2008）[2]研究并模拟了特高压交流输电线路的串联补偿过电压。

计算结果表明，串联补偿电容的增加可以有效降低合闸操作的过电压幅度，串联补偿电容的位置更接近线路首端、补偿值越大，过电压的抑制效果越显著。

过电压抑制越大越好。

计荣荣，赵斌才等（2009）[3]认为抑制电力电缆合闸过电压的两种有效方式为加设合闸电阻或配置多组避雷器。

但是，由于合闸电阻目前技术还不够成熟，存在易发生故障、易损坏等技术问题，而配置多组避雷器措施已成功运用在超高压系统中。

张鹏（2012）[4]对真空断路器空载线路合闸过电压进行了实证分析，他认为在其他条件下的相同条件下，线路末端的过电压幅度明显高于头端过电压的幅值；在老化过程中，过电压趋于在闭合后100ms内发生，过电压超过200ms后现象基本消失；随着传输线长度的增加，过电压幅值显着增加。

韩亚楠，韩彬等（2014）[5]考虑多种因素如线路长度、电厂开机方式、系统短路容量等对空载线路合闸所引起的操作过电压的影响，进行差异化分析，研究发现当线路长度超过60km时就需要采取措施来抑制因线路合闸产生操作过电压，如果线路长度超过400km，断路器装配合闸电阻并不能完整将过电压幅值控制在允许的范围内。

同时，研究过程中发现电厂开机方式、系统短路容量对线路合闸操作过电压也有一定的影响。

图2 厂对网结构特高压系统接线图
Fig. 2 Factory-to-net structure UHV system wiring diagram
王振宇，苏咏梅，易善明（2017）[6]考虑合闸电阻、避雷器、相控开关等多种方法，分析了在不同限制措施下输电线路合闸操作过电压的特性。

研
图3 断路器加装合闸电阻示意图
Fig. 3 Schematic diagram of circuit breaker installation
closing resistor
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究表明，上述不同方法中，在断路器中加装合闸电阻是抑制操作过电压效果最显著的方式。

进一步，研究发现合闸电阻的阻值越高，对操作过电压幅值抑制效果越显著。

图4 断路器加装合闸电路过电压仿真结果Fig. 4 Circuit breaker installation closing circuit overvoltage
simulation results
3 空载线路分闸过电压
在切断空载线路的电力线系统的操作中，经常发生切断空载线路的操作。

在断路器打开的那一刻，由于介电绝缘恢复强度和断路器触头之间的恢复电压之间的差异，电弧将重新点火。

因此，引起电力系统的电磁振荡，并且在振荡过程期间发生大幅度过电压。

顾辰古，王赛一，华月申等[8]采取在线路末端并联电抗的方式，降低断路器间的恢复电压上升速度，减少电弧重燃的可能性，从而降低线路发生高幅值过电压的概率。

计荣荣，赵斌才等[3]认为，在线路两端装设避雷器，可有效控制甩负电荷过电压幅值；另一方面，针对故障清除分闸产生的过电压，如果是单相接地故障清除产生的过电压，因其幅值相对降低，装设避雷器是一种有效的抑制方式，而因相间短路、两相接地及三相接地故障清除产生的操作过电压幅值相对较大，需要在断路器加装分闸电阻，但需注意的是分闸电阻同时存在故障率高、热容量大的技术问题。

图5 沿线安装避雷器
Fig. 5 Install lightning arresters along the line
李杨，周浩等[10]对比分析了不同限制措施对长距离大容量特高压输电线路甩负荷分闸过电压的影响，构建了特高压交流双端输电线路仿真模型，研究发现：考虑线路较长的特高压单线回路和双线回路，将线路进行多次分段，可以抑制因分闸过电压的幅值，使其值在允许的范围内；如果分闸电阻技术进一步完善和成熟，加装断路器分闸电阻的方式也可以起到抑制过电压作用，并有效减少沿线开关站的数量，节省建设运营成本。

表6 特高压交流双端输电线路仿真建模示意图
Fig. 6 Schematic diagram of simulation modeling of UHV AC
double-ended transmission line
陶海英（2012）[11]基于Jmarti模型对500kV空载线路分闸过电压进行仿真分析，研究结果发现电弧重燃是产生过电压的主要原因，所以若能提高电力系统中断路器的灭弧能力，可起到降低电弧重燃的可能性的作用，从而可以有效地抑制线路分闸操作过电压的幅值；在特高压或超高压线路上配置并联电抗器，可以有效降低电弧重燃的可能性。

秦立明，张明达等（2014）[12]对并联电容器线路中的分闸过电压现象和影响因素进行分析，建立了单相仿真模型和三相仿真模型，总结了过电压产生的原因及其影响因素，研究发现串联电抗器的大小对涌流及各类电压如中性点对地过电压、电容器重击穿过电压以及匝间电压均存在或多或少的影响。

Jian T, Xia W（2014）[13]在单电源长距离传输系统中建立了并联电抗器、避雷器、闭合电阻和相控开关的数学模型，对比了上述装置对过电压的不同影响。

4 结论
本文着重对比分析了近年来不同学者对电力电缆操作过电压的研究和仿真模型，总结了操作过电压产生的机理，并详细介绍了空载线路合闸过电压和空载线路分闸过电压的研究成果。

得到了以下结论：
（1）加装串联补偿电容器、合闸电阻或配置多组避雷器可有效抑制线路合闸过电压，但现阶段，合闸电阻存在故障率高、易损坏等技术问题。

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（2）在线路末端并联电抗、配置避雷器、增加线路分段数等措施可有效降低分闸时产生的过电压。

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