特高压输电线路的工频过电压研究

Research on Power Frequency Over-voltage in UHV Transmission Line
Tian Shu Guo Pengjun Liang Jing (School of Electrical Engineering and Automation of Henan Polytechnic University, Jiaozuo,He’nan 454003)
E X cos γ x − s sin γ x ZC
•
3
3.1
ATP-EMTP 仿真分析
（ 5）
可以看出，线路越长，系统等值阻抗越大，线 路末端的电压就越高。
2
特高压输电线路模型
在此建立一段长度为 600km 的 1000kV 特高 压输电线路模型，如图 2 所示，潮流从 m 流向 n， 双端电源的摆开角度为 30D 。
研究与开发
特高压输电线路的工频过电压研究
田 书 郭芃君 梁 京
454003）
（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南 焦作
摘要 特高压输电线路中的过电压水平直接影响着设备的安全运行，本文以特高压试验工 程为背景，结合国内外对特高压工频过电压的研究，利用电磁暂态计算程序 ATP-EMTP 分别仿 真计算了特高压空载线路电容效应引起的工频过电压、单相接地故障过电压。分析了高压并联 电抗器装设不同位置时对工频过电压的影响以及在高压并联电抗器补偿的基础上线路两端装设 MOA 后对单相接地故障过电压的影响。仿真结果表明合理装设高压并联电抗器后可以把线路工 频过电压降到 1.135p.u.； 单相接地故障引起的过电压最严重时可达到 1.317p.u.， 利用 MOA 后可 将其过电压幅值降低到 1.045p.u.。 关键词： 特高压；工频过电压；高压并联电抗器；金属氧化物避雷器
图1
特高压输电线路等值电路
在线路空载情况下（如图 1 所示） ，线路首末 端的电压表达式为 • • • U1 = U 2 chγ x + I 2 Z C shγ x （1）
I1 = I 2 chγ x +
• •
U2 shγ x ZC
•
（ 2） （ 3）
ZC =
R0 + jω L0 G0 + jωC0
高压并联电抗器装设在线路首端、末端和线路两端下的空载线路电压分布
空载线路沿线电压分布 /p.u. l=0km 1.12 1.103 1.081 l=50km 1.132 1.113 1.092 l=100km 1.157 1.097 1.113 l=150km 1.170 1.095 1.135 l=200km 1.213 1.082 1.130 l=250km 1.235 1.063 1.112 l=300km 1.261 1.055 1.091
表1
高抗安装位置 线路首端 线路末端 线路两端 (1p.u.=1100 2
空载电容效应仿真计算条件 （1）特高压输电线路全长2 × 300km，传输容量 为3000MVA，线路每100km的充电功率为315.5Mvar， 所以必须采用高压并联电抗器进行无功补偿。 （ 2）在分析空载线路在电容效应基础上，仿 真计算高压并联电抗器装设在线路首端、末端以 及线路两端工频电压升高及其沿线分布。
Abstract The level of over-voltage has an effect on the equipment security in UHV transmission line, based on UHV transmission line project, in this paper applies the domestic and foreign research in UHV power frequency over-voltage. The capacity effect of unloaded line and single-phase grounding fault was investigated, the methods, which influence the over-voltage were simulated and compared by ATP-EMTP. The effect of power frequency over-voltage is analyzed when high voltage parallel reactor is installed different spot and base on installed the high voltage parallel reactor, the effect of single-phase grounding fault over-voltage when the line both side with MOA. Simulation results show that the power frequency over-voltage can be suppressed to 1.135p.u. when properly installing the high voltage parallel reactor on the line; single-phase grounding fault is 1.317p.u. respectively. When MOA are applied the line, the over-voltage can be suppressed to 1.045p.u.. Key words： UHV； power frequency over-voltage； high voltage parallel reactor； MOA
河南理工大学实验室开放基金项目（SKJA10082）
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2011 年第 9 期
河南理工大学研究生学位论文创新基金项目
研究与开发
MOA 限制由单相接地引起过电压幅值较高时的 措施。
1
过电压理论分析
图2
特高压输电线路模型
工频过电压产生机理 随着输电线路电压等级的提高，输送距离的增 长，需要考虑到长线路的电容效应，采用分步参数 电路模型 [7-8]。
未装设 MOA 时不同故障点单相接地工频过电压
单相接地工频过电压 /p.u. l =100km l =150km l =200km l =250km l =300km
1.201 1.192 1.174
1.235 1.257 1.211
1.266 1.295 1.245
1.285 1.317 1.276
γ = β + jα = ( R0 + jω L0 )(G0 + jω C 0 ) （ 4） 式中， γ 为输电线路的的传播系数； β 为衰减系数；
来自百度文库
α 为相位移系数； Z C 为输电线路波阻抗。
考虑电源电抗后，根据式（ 1） 、 （ 2 ）可得线路 末端电压与电源电动势的关系为
U2 =
•
R1 =0.00805 Ω/km ， X 1 =0.25913 Ω / km ， X c1 =0.22688 MΩ / km ， R0 =0.20489 Ω / km ， X 0 =0.74606 Ω / km ， X c0 =0.3525 MΩ / km 。 利用 ATP-EMTP建立 1000kV特高压输电线路仿 真模型。文献 [9]介绍了 EMTP 在 UHV线路计算的方 法以及各个元件模型的介绍。具体模型参数设置： 特 高 压 输 电 线 路 采 用 分 段 补 偿 [6] ， 即 分 段 长 度 为 300km ；高压并联电抗器补偿度设为 87%[10] ；双端 电源摆开角度为 30°，两端断路器并联上合闸电阻， 合闸电阻阻值取 600Ω [10] 。一般装设的合闸电阻接 入时间为 8~12ms，这里设为 10ms。仿真时断路器随 机合闸 200 次，从中得出出现 2% 概率的最大过电压 的统计值。合闸电阻接入时间取 0.1s ，断路器合闸 时间取 0.2s，整个仿真时间取 0.5s。 选取 MOA 的主 要 参 数 [11-13] ： 额 定 电 压为 828kV， 持续运行电压约为 638kV， 标称放电电流 为 20kA，在 30/60 μs 、2kV 下的操作冲击残压不 高于 1460kV，在 8/20 μs 、20kA 下，雷电冲击残 压不高于 1640kA，工频参考电压不低于 828kV。 在模型中设置的基准电压为 828 2 =1170.792kV。
近年来，随着我国国民经济的快速发展，对电力 的需求日益增大， 甚至有些地方在用电高峰期出现缺 电情况， 那么建立特高压输电系统将有助于解决这一 情况，使资源更加优化，提高能源利用率。我国 1000kV 特高压输电的主要特点是传输容量大，输电 距离远，西部能源基地与东部负荷中心距离在 1000km以上，随之带来的电磁暂态和过电压问题就 主要表现为其电容效应异常显著， 显得比较突出[2-6]， 由此造成很大的空载线路工频过电压， 在此基础上由 于线路合闸（包括单相重合闸） 、分闸等的一些操作 过电压也会引发很大的过电压很大， 如果不采取相应
1.013 1.012 1.010
1.018 1.021 1.011
的措施，必将严重影响着线路的安全运行。 目前国家电网公司已完成了晋东南 - 南阳 - 荆 门单回百万伏级输电示范工程的建设工作，已经 成功运行，这标志我国对特高压研究进入了一个 新的阶段。本文基于示范工程对双电源双回路供 电系统各种工况下的工频过电压升高现象有研究 对象，利用电磁暂态计算程序 ATP-EMTP 中的 LCC 模型建立特高压线路仿真模型仿真分析了线 路的电容效应和单相接地故障对特高压输电线路 的影响，并提出了采用高压并联电抗器进行无功 补偿限制工频过电压升高的措施，以及必要时用
1.279 1.302 1.266
1.213 1.286 1.239
1.196 1.233 1.217
(1p.u.=1100 2
故障点离线路 首端距离 /km l =0km l =150km l =300km
3 =898.04kV)
表3
l =0km
装设 MOA 时不同故障点单相接地工频过电压
单相接地工频过电压 /p.u. l =50km l =100km l =150km l =200km l =250km l =300km
3 =898.04kV)
3.2
结果分析 由表 1的仿真结果可以看出：
（ 1） 输电线路安装高压并联电抗器后对空载电 容效应引起的过电压有一定抑制作用，越靠近高抗
2011 年第 9 期
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研究与开发
的沿线过电压越低。 （ 2）当补偿度一定时，高抗安装在线路末端出 现的最大过电压要小于装设在线路首端和线路 两 端，但是要考虑到实际线路，多采取就地补偿无功 以平衡局部无功，仿真结果中高抗装设两端时的沿 综 线过电压倍数最大的只比末端装设时的多 4.61%。 合考虑实际情况建议采用线路两端装设高压并联电 抗器来限制这种沿线工频电压升高。 3.3 单相接地故障仿真计算条件 （ 1）接地故障发生在一相线路的首端、线路 中间和线路末端，在正常相上感应出的工频过电 压。故障时间设为一个工频周期内的随机时间。 （ 2）线路补偿度设置为 87%，由前文仿真结 果，高抗装设在线路的两端。 （ 3）比较分析有无 MOA 装设时对工频过电 压大小的影响。 基于仿真模型， 线路中部在 0.3s 发生 A 相接地 故障，线路一端断路器在 0.345s 分闸甩负荷，此时 设定故障发生时刻为单相电压峰值（此时的过电压 最为严重） ，健全相 B 相过电压仿真图如图 3 所示。 故障发生后，考虑到线路中部过电压比较严 重，在 0.31s 时工频过电压大于 1.3p.u.。
表2
故障点离线路 首端距离 /km l =0km l =150km l =300km l=0km l =50km
图 3 线路中间发生单相接地故障时健全相上的过电压
在线路两端装设 MOA 情况下，输电线路中 间发生 A 相接地故障后，健全相 B 相的电压仿真 图如图 4 所示。
图 4 装设 MOA 时线路中间发生单 相接地故障时健全相上的过电压