特高压输电线路单相自动重合闸过电压的仿真研究

第37卷第17期电力系统保护与控制Vol.37 No.17 2009年9月1日 Power System Protection and Control Sep. 1, 2009 特高压输电线路单相自动重合闸过电压的仿真研究张建超1, 刘晓波 1 ，张天玉2, 汪德军3， 周希松4，闫璐明5（1.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550003； 2.尉氏县供电公司，河南 尉氏 475500；3.华北电力大学高压与电磁兼容研究所,北京 102206；4.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；5.郑州供电公司，河南 郑州 450052）摘要：单相自动重合闸与系统过电压之间有着密切的关系。

本文首先从理论上推导了在不投入并联电抗器的情况下，特高压线路的工频电压升高；随后用PSCAD仿真软件对单相自动重合闸过电压进行仿真，在双端电源与长线相连情况下，分析并联电抗器运行方式和安装避雷器对工频电压升高的抑制作用。

从推导分析中得到了特高压线路的工频过电压特性，提出了避雷器的最佳安装位置及对过电压的影响。

关键词: 仿真; 特高压; 单相自动重合闸; 过电压; 电力系统Simulation study of single phase auto reclosing in ultra-high voltage power transmission lineZHANG Jian-chao1, LIU Xiao-bo1，ZHANG Tian-yu2, WANG De-jun3, ZHOU Xi-song4, YAN Lu-ming5(1.College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China；2.Weishi Power Supply Company，Weishi 475500，China；3.North China Electric Power University Institute of High Voltage &EMC, Beijing 102206, China；4.College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China；5.Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou 450052，China)Abstract: Single phase auto reclosing has close relation with overvoltage of power system. At first, this paper studies that the over-voltage based power frequency is restraint by using the shunt reactors and arrester. Then the mechanism of over-voltage production is analyzed on the conditions of double sources connected with long line without shunt reactors. The distributing voltage along the line with reactor connection is analyzed at the meantime. This paper makes single phase auto reclosing’s PSCAD simulation and introduces the best position of installing arrester and influence of arrester for overvoltage.Key words: simulation; ultra-high voltage power; single phase auto reclosing; overvoltage; power system中图分类号： TM762.2；TM86 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2009)17-0071-041 单相瞬时性故障恢复电压的分析单相重合闸仅仅切除重合故障相，能够显著改善特高压输电线路的重合闸过电压。

如果发生的是单相永久性故障，在线路两端断路器跳闸后，由于故障点始终存在，线路电容对地可靠地放电，可以近似认为故障线路上不存在残压，所以，这种情况下重合时不会产生很高的过电压。

如果发生的是单相瞬时性接地故障，在故障点熄弧后，对于无并联电抗器补偿的线路，此时，断开相的恢复电压中包括健全相对故障相的工频静电耦合分量和电磁互感耦合分量。

由前面的分析可知，其中静电耦合分量起主要作用。

但对特高压输电线路而言，一般都基金项目：贵州省创新基金项目（省研理工2009002） 带有并联补偿的电抗器，则由于线路电容和并联电抗器电感之间的电磁能量的振荡，就会使得断开相上的恢复电压不仅包含工频分量，而且还包含有自由振荡分量。

mC2E图1特高压输电线路等值电路图Fig.1 Equivalent circuit ultra-high voltage transmission line 如果不考虑恢复电压中的自由振荡分量，则由图1等值电路图可求得断开相上恢复电压的稳态值- 72 - 电力系统保护与控制为：..h am 0j j 2j X U E X X =−+ （1）其中：L0C00L0C0X X X X X =−−，L C m L C m mm m X X X X X =−−，L m m X L ω=， C 1m mX C ω=。

如果要计及恢复电压中的自由振荡分量，则可由图1的运算电路进行求解分析。

其运算电路图如图2所示。

()e s 12m C s0L s01C s/2m L s图2 特高压输电线路运算电路图Fig.2 Operation circuit of ultra-high voltage transmission line令)cos()(2.θω+==t t e Ea，设潜供电流（弧）在某时刻熄灭，则由上面的运算电路图可近似求得恢复电压的时域表达式为：0h 200002221()[()]cos()2221()m m m m mC L C U t t C C L L C C ωθωω=+−+−+++−021)1()t ωϕωω+=−1201cos()cos()()sin()U t U t U t t ωθωϕωωθδ+++=+−（2）其中:mm m L L C C L L ++=00002)2(1ω，)cos(2)(12122211φωω+++=t U U U U t U ,21121sin()arctgcos()U t U U t ωφδωφ+=++， 01ωωω−=， ϕθφ−=。

式中:θω,,1U 和ϕω,,02U 分别表示工频分量和自由分量的标幺幅值，角频率和初相角。

由式（2）可知，当发生瞬时性故障时，故障断开相的恢复电压主要有两个不同频率的信号合成，其幅值随时间而发生变化，即恢复电压具有拍频特性。

在单相重合闸期间,故障断开相恢复电压中的自由分量实际上是由各储能元件所存储的电磁能量衰减振荡而形成的。

由前面的理论分析和现场的试验资料可知，恢复电压中的自由分量幅值一般接近或高于工频分量的幅值，因此恢复电压中的自由分量对断开相电压瞬时值的变化有很大影响。

以晋东南-南阳-荆门的特高压输电线路为例，在不同的并联电抗器补偿度下，由上面0ω 的表达式可求得单相重合闸期间断开相恢复电压中的自由分量频率如表1所示。

表1 不同补偿度时的自由振荡频率Fig.1 Free oscillation frequency on different compensationdegrees电抗器补偿度60% 70% 80% 90% 自由振荡频率f /Hz31.2334.3237.0739.81从表1中可以看出，一般地，恢复电压中的自由振荡频率0ω要小于工频振荡频率ω。

正是由于自由振荡频率和工频频率的叠加，使得恢复电压呈现出拍频振荡的波形（如图5所示）。

由于自由振荡分量的衰减时间常数一般在1 s 左右，因此恢复电压的拍频振荡特性在单相重合闸期间内始终存在。

恢复电压的幅值包络线)(1t U ω的振荡周期较长，其最大最小值分别近似为21U U +和||21U U −。

2 实例仿真以晋东南－南阳－荆门的特高压实验线段为仿真对象，设在距线路100 km 处发生单相接地故障（故障发生时间取0.75 s，线路末端断路器在0.8 s 时断开，线路首端断路器在0.85 s 时断开，在1.35 s 时刻重合）：本文采用的输电线路的仿真模型图3是我国正在建设的晋东南-南阳-荆门的1000 kV 特高压交流输电线路。

模型及其具体参数如图3所示。

RSsE 1000 kV650 kmRE图 3 特高压输电线路的仿真模型Fig.3 Ultra high voltage circuit simulation model10.00805Ω/km R =，L10.25913Ω/km X =， C10.22688M Ω/km X =，00.20489Ω/km R =， L00.74606Ω/km X =， C00.35251M Ω/km X=，S1L10.426Z X l =， S0=0.426Z ， R1L10.852Z X l =， R00.852Z =。

张建超，等 特高压输电线路单相自动重合闸过电压的仿真研究 - 73 -注：上列各图中，S 侧为送电端，R 侧为受电端。

⑴ 线路上不并联电抗器时线路首端恢复电压的波形如图4 所示。

图4不并联电抗器时恢复电压的波形Fig.4 Waveforms reactor recovery when the voltage withoutparallel reactor⑵ 线路首末两端及开关站处并联高压电抗器（设各处电抗器分别补偿20％的容性无功）时线路首端恢复电压的波形如图5 所示。

图5并联高压电抗器时的恢复电压波形Fig.5 Recovery voltage waveform when the voltage withparallel reactor由图5可见，恢复电压呈现出拍频振荡的波形。

由式（1）可知，恢复电压中的工频分量和电源电势总是反相。

所以若单相重合闸在恢复电压拍频峰值时刻重合，即断开相线路侧电压为21U U +合闸，此时电源电势近似为m E −，即合闸时刻断路器两侧的电压反相，此时重合闸时，将产生较高的合闸过电压，有可能使重合闸失败。