750kV及特高压输电线路抑制潜供电弧方法的研究

750kV及特高压输电线路抑制潜供电弧方法的研究李永丽，王皓，李斌（天津大学电气与自动化工程学院，天津市 300072）摘要：为使单相自动重合闸在特高压输电线路瞬时性故障后可靠重合，必须限制潜供电流和恢复电压的大小。

本文基于一个750kV双端电源供电系统模型，对两种熄灭潜供电弧的方法——使用快速接地开关和并联电抗器中性点接小电抗，采用ATP仿真软件进行了潜供电流及恢复电压的计算，分析比较了两种方法的优缺点。

同时，针对特高压线路采用单相自动重合闸的优势，提出了并联电抗器中性点小电抗的正确取值范围，从而达到抑制谐振过电压、加速潜供电流熄灭，成功实现单相重合闸的目的。

关键词：特高压；并联电抗器；快速接地开关；潜供电流；中性点小电抗中图分类号：文献标识码; 文章编号：0 引言从国内外的输电线路运行记录统计结果看，超高压、特高压输电线路的故障90％以上是单相接地故障，而单相接地故障中约有70％～80％为“瞬时性”故障。

为了提高系统的稳定性和供电的可靠性，单相自动重合闸得到了广泛的应用。

但是由于超高压、特高压系统电压较高、线路较长，潜供电弧燃烧时间较长，这就使得单相自动重合闸的成功率大大降低。

研究得出，单相自动重合闸是否成功在很大程度上取决于故障点的潜供电流大小和恢复电压幅值及其上升速度。

现场运行与实验也表明，稳态下潜供电流和恢复电压的幅值是潜供电弧熄灭的两个决定因素[1,2]。

当潜供电流较小时，依靠风力、气流拉长电弧等作用，可以在较短的时间内使其熄灭，以保证重合闸动作的成功。

当潜供电流和恢复电压较高时，就需要采用相应措施。

目前用于熄灭潜供电弧的方法主要有使用快速接地开关(HSGS)和并联电抗器中性点接小电抗两种。

前者在日本已建成的特高压系统中得到使用，而后者在国内外已得到了广泛的应用。

所有的用于熄灭潜供电弧的方法均可归结为降低潜供电流的幅值，进而减少电弧燃烧的时间[2]。

本文基于已知参数建立了一个750kV双端电源供电系统模型，针对上述两种熄灭潜供电弧的方法，采用ATP仿真软件进行了潜供电流及恢复电压的计算。

从潜供电流的大小、恢复电压幅值两个方面比较了两种方法的优缺点，同时还提出了并联电抗器中性点小电抗的正确取值范围。

1 快速接地开关（HSGS）当线路发生单相接地故障、保护动作使两侧断路器跳开后，HSGS迅速投入，此时的输电线路等值电路如图1所示（以A相接地故障为例）。

使用HSGS熄灭潜供电弧的实质是将故障点的开放性电弧转化为开关内压缩性电弧。

当线路某一相（如A相）发生单相接地故障保护动作后，该相HSGS迅速投入，将接地点的潜供电流转移到电阻很小的两侧闭合的接地开关上，与故障点构成分流支路，减小了流经短路点的潜供电流，从而使电弧容易熄灭[3]。

然后再打开接地开关，利用开关的灭弧能力将电弧强行熄灭。

2 并联电抗器中性点接小电抗图1 单相接地故障HSGS 投入后的输电线路等值电路图2 单相故障切除后的等效电路如图2所示，A 相因接地故障而被切除，健全相B 、C 仍然流过负载电流。

由于相间互感M 及相间电容m C 的耦合作用，使被切除的故障相在故障点仍流过一定数值的潜供电流。

其中由相间电容m C 耦合产生的电流称为潜供电流的横分量；由相间互感M 耦合产生的电流称为潜供电流的纵分量。

潜供电流的横分量实际上就是由健全相通过相间电容m C 经故障相的接地弧道注入大地的容性电流。

显然，其值为mCB X E E &&+（其中mm C X w 1=）。

对于给定长度的输电线路，其值基本不变，且与故障点的位置无关。

当电弧熄灭后，弧隙间将产生恢复电压。

潜供电流的纵分量是由健全相的负载电流通过互感M 产生的电磁感应电动势（)(CB M I I M E &&+=w ）作用于接地弧道、故障相的对地电容而形成纵分量的电流。

所以潜供电流的纵分量除受对地电容的大小影响之外，其大小和方向基本上取决于故障点的位置和负荷电流的大小。

显然，当故障发生在线路中间点时，由于故障点两侧线路对称，电流的纵分量接近于零。

对于带并联电抗器补偿的线路，因故障而单相断开后静电耦合回路如图3所示：图3 单相故障断开后的静电耦合回路故障相单相断开后，健全相与故障相之间的静电耦合在故障相的接地弧道产生潜供电流的横分量；而电磁耦合在接地弧道中形成潜供电流的纵分量。

潜供电流主要取决于横分量的大小。

显然，当线路上并联电抗器补偿不带中性点小电抗时，并联电抗器对相间电容不能达到近似全补偿效果，即不能有效实现加速潜供电流熄灭的目的。

而且电抗器与线路对地电容可能发生并联谐振，导致断开相出现谐振过电压。

并联电抗器带中性点小电抗的补偿方式可以有效解决以上矛盾。

一般中性点小电抗的取值按对相间电容近似全补偿设计，隔断了相间联系。

即在故障相两侧断开后，潜供电流的横分量近似为0，纵分量也被有效限制。

而且，跨过故障点的恢复电压也将很低，这种情况对故障点消弧十分理想。

3 潜供电流和恢复电压的仿真3.1 快速接地开关熄弧方式的仿真分析本文基于我国第一条750kV输电线路参数，构建仿真模型如图4所示。

采用ATP仿真软件对加装快速接地开关前后的故障点潜供电流和恢复电压进行了计算。

图4 750kV输电系统在线路两端断路器的主触点上均并联200Ω的电阻，HSGS的接地阻值为1.65Ω[4,5]，本算例故障相（A相）接地的过渡电阻取为10Ω。

考察加装HSGS的实际熄弧效果，仿真中计算了加装HSGS前后的潜供电流和恢复电压的值，见表1所示。

表1 加装HSGS前后的单相接地故障潜供电流与恢复电压潜供电流(A) 恢复电压(kV)故障点位置(km) 前后前后10 39.1 16.5 135.7 130.230 39.4 33.3 136.5 131.673 39.1 34.5 138.2 132.5100 39.3 34.6 137.6 130.1125 39.2 28.5 137.4 129.9136 37.8 17.2 137.2 130.6由表1可以看出，加装HSGS后，潜供电流有明显的下降；而恢复电压在加装HSGS前后的变化并不显著。

HSGS使潜供电流大大降低，而对恢复电压的限制作用则有限，这是由于恢复电压由电磁耦合电压和静电耦合电压共同构成。

由于其中静电耦合电压数值取决于健全相与故障相之间的相间电容等静电耦合参数，电磁耦合电压数值取决于故障点的位置、对地电容和负荷电流的大小。

当故障点电弧熄灭，HSGS打开后，恢复电压数值近似为常数。

3.2 并联电抗器中性点接小电抗熄弧方式仿真分析为保证两种熄弧方式的可比性，仿真仍然采用图3所示的750kV输电系统，在线路首端装设并联电抗器，其补偿度为60％，中性点小电抗阻值为450Ω。

其他仿真条件与前述相同。

采用ATP仿真软件对加装带中性点小电抗的并联电抗器前后的故障点潜供电流和恢复电压进行了计算。

计算结果如表2所示。

表2 加装并联电抗器前后的单相接地故障潜供电流与恢复电压潜供电流(A)恢复电压(kV)故障点位置(km)前后 前 后 10 39.1 31.3 135.7 111.3 30 39.4 25.4 136.5 108.1 73 39.1 24.7 138.2 114.5 100 39.3 23.8 137.6 115.0 125 39.2 25.9 137.4 111.4 13637.825.1137.2114.9由表2可以看出，加装带中性点小电抗的并联电抗器后，潜供电流有明显下降；而恢复电压在加装带中性点小电抗的并联电抗器后，数值亦有较大降低。

对于固定位置的故障，改变小电抗的值进行仿真的结果如表3所示。

表3 73km 处单相接地故障潜供电流与恢复电压加装并联电抗器后中性点 小电抗 阻值(Ω) 潜供电流(A) 恢复电压(kV)20 51.7 360.7 50 48.2 339.8 100 42.6 290.3 300 30.7 153.4 450 24.7 114.5 90014.5<1由表3可明显看出并联电抗器中性点接小电抗对减小潜供电流和降低恢复电压有显著效果。

4 并联电抗器中性点接小电抗的取值范围由表3可以看出，随着中性点小电抗的取值不同，故障后的潜供电流和恢复电压也发生变化，为了达到抑制潜供电弧的目的，就需要根据实际情况确定中性点小电抗的取值。

设并联电抗器的补偿度为K ，N L X X ,分别为并联电抗器感抗和中性点感抗，设Lm L X X ,0分别为并联电抗器的等效对地感抗和相间感抗，Cm C X X ,0为线路相对地容抗和相间容抗。

按照对线路相间电容全补偿原则[6]，则)3(1331112-×=-×=-=mm L LCm LNC CK K C C C K X X X X X w (1)可见，中性点小电抗的选取取决于线路参数和并联补偿度。

在并联电抗器全补偿条件下，K ＝1，有1C L X X =。

中性点小电抗按公式（1）取值，即满足Cm Lm X X =。

则并联电抗器的对地感抗为：020333C LCm LL NL L X X X X X X X X =-+=+=(2)由图6可知，此时断开相恢复电压回路是2个并联谐振回路的串连，则恢复电压的大小是一个不确定的值，反而增大了出现工频谐振过电压的危险。

因此，对于带并联电抗器补偿的特高压线路，应当避免并联电抗器的全补偿的运行方式。

可见，小电抗的不同取值，可能使相间阻抗或相对地阻抗出现谐振[7]。

设相间阻抗谐振时的小电抗取值为m N X ×，相对地阻抗谐振时小电抗取值为0×N X 。

显然：当m N N X X ×<时，Cm Lm X X >，相间阻抗呈容性； 当m N N X X ×>时，Cm Lm X X <，相间阻抗呈感性。

当0×<N N X X 时，00C L X X <，相对地阻抗呈感性； 当0×>N N X X 时，00C L X X >，相对地阻抗呈容性。

在并联电抗器欠补偿条件下，K <1，有1C L X X >。

则由（2）式可知，当小电抗取值为m N X ×时，有00C L X X >，从而证明m N N X X ××<0。

可见，在欠补偿运行条件下，当m N N N X X X ××<<0时，相间阻抗呈容性，相对地阻抗呈感性；当0××>>N m N N X X X 时，相间阻抗呈感性，相对地阻抗呈容性；当m N N N X X X ××<<0时，相间阻抗呈容性，相对地阻抗呈容性。