特高压输电系统过电压研究及仿真

特高压输电系统过电压研究

----工频过电压的仿真与幅值比较

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摘要:随着我国电力需求的快速增长，建设特高压电网已成为解决电网发展需求的必然选择。而特高压输电系统的过电压水平是特高压输电工程建设的关键课题。本文简述了国内外特高压交、直流的现状及发展状况，特高压输电过电压的分类，并结合PSCAD/EMTDC仿真软件，对工频过电压进行了研究讨论。

关键词:特高压电网 直流 交流 比较过电压 仿真 计算

一、概述

特高压电网指1000千伏的交流或+800千伏的直流电网。特高压电网形成和发展的基本条件是用电负荷的持续增长以及大容量、特大容量电厂的建设和发展，其突出特点是大容量、远距离输电. 用电负荷的持续增长以及大容量、特大容量电厂的建设和发展呼唤特高压电网的发展建设。那么，在世界范围内，虽然特高压输变电技术的储备是足够的，但取得的运行经验是初步的，还存在风险和困难，有些技术问题还需要进行深入的研究，同时累积运行经验。我们小组通过相关仿真软件的计算和仿真，来着重研究特高压输电系统内的过电压问题。特高压交流输电线路具有输送容量大、输电损耗低、节约线路走廊等优点，特高压电网的建设可很好地解决超高压线路输送能力不足、损耗大、经济发达地区线路走廊紧张以及超高压系统短路容超标等问题，在发电中心向负荷中心远距离大规模输电、超高压电网互联等情况下具有明显的经济、环境优

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势，是我国电网发展的方向。 大容量、远距离的特高压系统自身的无功功率很大，每100 km的1000 kV线路无功可达530 Mvar左右，这使得特高压系统在甩负荷时可能导致严重的工频过电压。由于工频过电压种类众多，尤其是同塔双回线路更多，若计算所有种类过电压则工作量巨大。目前过电压计算中一般选取幅值较高的几种过电压进行计算，但由于对各种过电压幅值相对大小的认识存在差异，已有文献在计算中选取的工频过电压种类存在差异，可能导致计算结果与实际工频过电压水平存在一定偏差。

二、特高压输电系统的分类

特高压输电技术是指在500kV以及750kV交流和±500kV直流之上采用更高一级电压等级的输电技术，包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部分,由特高压骨干网架、超高压、高压输电网、配电网及高压直流输电系统共同构成的分层、分区,结构清晰的大电网。特高压输电是在超高压输电的基础上发展的，其目的仍是继续提高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以及实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统。其具体分为特高压直流输电系统和特高压交流输电系统。

1、特高压直流输电系统概述

目前，特高压直流输电技术在全世界都还没有成熟的应用经验，在可行性研究阶段不仅需要对电磁环境影响、绝缘配合和外绝缘特性等关键技术进行研究，而且还需要结合特高压的特点对输电方案拟定、换流站站址及接地极极址选择、线路路径选择以及系统方案比较等主要技术原则进行充分论证，才能为

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项目业主和主管部门提供可靠的决策依据。

在全世界范围内，其发展现状如下：

20世纪80年代前苏联曾动工建设哈萨克斯坦—中俄罗斯的长距离直流输电工程，输送距离为2400km，电压等级为±750kV，输电容量为6GW；巴西和巴拉圭两国共同开发的伊泰普工程采用了±600kV直流和765kV交流的超高压输电技术，第一期工程已于 1984年完成，1990年竣工，运行正常；1988-1994 年为了开发亚马逊河的水力资源，巴西电力研究中心和ABB组织了包括±800kV 特高压直流输电的研发工作，后因工程停止而终止了研究工作。

2、 特高压交流输电系统概述

特高压交流输电是指1000千伏及以上的交流输电，具有输电容量大、距离远、损耗低、占地少等突出优势。

特高压交流输电线路具有输送容量大、输电损耗低、节约线路走廊等优点，特高压电网的建设可很好地解决超高压线路输送能力不足、损耗大、经济发达地区线路走廊紧张以及超高压系统短路容量超标等问题，在发电中心向负荷中心远距离大规模输电、超高压电网互联等情况下具有明显的经济、环境优势，是我国电网发展的方向。

特高压交流输电系统具有如下的优势：

按自然传输功率计算，1条特高压线路的传输功率相当于4～5条500kV超高压线路的传输功率（约4000～5000MVA），这将节约宝贵的输电走廊和大大提升中国电力工业可持续发展的能力。

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技术的角度看，采用特高压输电技术是实现提高电网输电能力的主要手段之一，还能够取得减少占用输电走廊、改善电网结构等方面的优势；从经济方面的角度看，根据目前的研究成果，输送10GW水电条件下，与其它输电方式相比，特高压交流输电有竞争力的输电范围能够达到1000～1500公里。如果输送距离较短、输送容量较大，特高压交流的竞争优势更为明显。

特高压交流输电的发展前景：

电力系统和输电规模的扩大，世界高新技术的发展，推动了特高压输电技术的研究。从上世纪60年始，前苏联、美 国、日本和意大利等国，先后进行基础性研究、实用技术研究和设备研制，已取得了突破性的研究成果，制造出成套的特高压输电设备。前苏联已建成额定电压1150kV（最高运行l200kV）的交流输电线路1900多公里并有900公里已经按设计电压运行；日本已建成额定电压l0OOkV(最高运行电压llOOkV)的同杆双回输电线路426公里。百万伏级交流线路单回的输送容量超过5000MW，且具有明显的经济效益和可靠性，作为中、远距离输电的基干线路，将在电网的建设和发展中起重要的作用。

三、特高压输电系统过电压的分类

特高压输电系统中的内过电压形式主要有：操作过电压，暂时过电压（工频过电压和谐振过电压）等。国内外对特高压输电系统内部过电压的研究主要集中在操作过电压和工频过电压(主要是甩负荷引起的工频电压升高)。特高压

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输电系统中的外部过电压主要是雷击过电压。 1、工频过电压

工频电压升高主要是由空载线路电容效应、不对称接地故障和甩负荷等原因引起的，与系统结构、容量、参数及运行方式有关。由于特高压输电线路的充电功率大、线路长，所以工频暂态过电压高。输电线路长线方程如下：

在特高压输电线路中，相对于线路的电感和电容，线路的电阻R和对地漏电导G非常小，在分析中可以忽略。当线路末端开路时，末端线路电压与电源电势的关系如下：

Zs是系统等值阻抗。式(2)表明，线路越长，系统等值阻抗越大，线路末端电压也越大。

工频过电压的措施主要有： （1）并联高压电抗器。

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由于并联电抗器的电感能够补偿线路的对地电容，减小流经线路的容性电流，消弱电容效应，所以使用并联高压电抗器，是特高压输电线工频过电压的最主要手段。选择适当的电抗器容量和安装位置，就可将工频过电压在允许的范围内。此外，并联电抗器还涉及到无功平衡、潜供电流补偿等方面的问题，因此必须综合考虑系统的结构、参数、可能出现的运行方式及故障形式等各方面的因素，合理地选取电抗器的补偿度和安装位置。

当工频电压升高超过一定值时，可在线路上安装并联电抗器，补偿线路的对地电容，消弱线路的电容效应，抑制线路的电压升高。电抗器可视需要，安装在线路的首端、末端或中部。

（2）使用可调节或可控高抗。

重载、长线80％～90％左右的高抗补偿度，可能给正常运行时的无功补偿和电压控制造成相当大的问题，甚至影响到输送能力MJ。解决此问题，比较好的方法就是使用可控或可调节高抗，即重载时，运行在低补偿度，由电源向线路输送的无功减少，使电源的电动势不至于太高，利于无功的平衡和提高输送能力；当出现工频过电压时，快速控制到高补偿度。 （3）使用金属氧化物避雷器(MOA)。

随着金属氧化物避雷器(MOA)性能的提高，使通过MOA来短时高幅值工频过电压成为可能，但对MOA的能量也提出了很高的要求。在我国，由于采用了高压并联电抗器，不需要将MOA作为工频过电压的主要手段，仅在特

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殊情况下考虑采用。 2、操作过电压

操作过电压是决定特高压系统绝缘水平的最重要依据。特高压系统主要考虑3种操作过电压：合闸(包括单相重合闸)、跳闸和接地短路过电压。

操作过电压是特高压电网绝缘水平的决定性因素。当开关操作或事故状态引起系统拓扑结构发生改变时，系统中各储能元件之间的电磁能量相互转换，就会产生操作过电压。与工频过电压相比，操作过电压具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼及持续时间短等特点。由于操作过电压与系统的额定电压有关，所以特高压输电系统中的操作过电压问题就更为突出。在特高压系统中，常见的操作过电压有以下几种：切除空载线路过电压(即跳闸过电压)、合闸空载线路过电压(即合闸过电压)和接地短路过电压等。以下介绍几个操作过电压的产生及各自的措施。 （1）跳闸过电压。

切除空载线路是电力系统常见的操作之一。产生过电压的原因是，断路器跳闸的过程中发生电弧的重燃。断路器切断的是较小的容性电流，通常为几十安倍到几百安倍，比短路电流小得多。但是，能够切除巨大短路电流的开关却不一定能够不重燃的切断空载线路。这是因为在跳闸初期，由于断路器，特别是油断路器触头间恢复电压的上升速度有可能超过介质恢复强度的上升速度，造成电弧的重燃，从而引起电磁振荡，出现过电压。运行经验表明，断路器的灭

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弧能力越差，电弧重燃的几率就越大，过电压的幅值也就越高。

值得说明的是，由于受到一系列复杂因素的影响，切除空载线路的过电压不可能无限地增大。当过电压较高时，线路上就会产生强烈的电晕现象，电晕损耗将消耗过电压波的能量，引起过电压波的衰减，过电压的升高。当母线上有几回出线时，相当于母线电容增大，可以降低线路上初始电压的绝对值，并吸收部分振荡能量，而其有功负荷又能增强阻尼效应，使重燃时的过电压相应地降低。对于跳闸过电压，避免断路器触头发生重燃是跳闸过电压的根本措施。因此，改善断路器的结构，提高触头间介质的恢复强度和灭弧能力，可有效跳闸过电压。另外，给断路器并联合适阻值的电阻，采用性能优良的金属氧化物避雷器和给线路安装并联电抗器等措施，也可用来跳闸空载线路的过电压。 （2）合闸过电压。

合闸于空载线路是电力。系统中常见的一种操作，通常可分为2种情况：一种是正常、有计划的合闸，如线路检修后投入运行，根据调度需要对送电线路的合闸操作等，此时在合闸之前，线路上不存在任何异常，线路上起始电压为0；合闸后，线路各点电压由0过渡到考虑电容效应后的工频稳态电压值，此过渡过程中会出现合闸过电压。由于线路具有分布参数特性，所以振荡电压将由工频稳态分量和无限多个逐渐衰减的谐波分量叠加组成。另一种合闸操作是运行线路发生单相接地故障，由继电保护系统控制跳闸后，经一短时间再合闸，

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即自动重合闸操作。

随着断路器制造水平和灭弧能力的提高，跳闸过电压得到了有效的抑制，于是合闸空载线路过电压就成为特高压系统绝缘的主要矛盾。尤其是重合闸过电压，是选择特高压输电线绝缘水平的决定性因素。

合闸过电压的措施很多，首先是工频电压的升高，可以通过在线路上并联电抗器来实现；对于双端电源供电的输电线路，让电源容量较大的一侧先进行合闸操作，电源容量较小的一侧后进行合闸操作，也可有效地降低工频过电压；再者，消弱合闸前线路的残余电压、给断路器加装合闸电阻、采用金属氧化物避雷器等，都是抑制合闸过电压的有效手段。

表1列出的国外特高压系统操作过电压水平多为1.6p.U.。国内武汉高压所对三峡一华东系统的研究也证实操作过电压到1.6p.U.是可行的。由于我国特高压输电线路要装电抗器，此类过电压不高，去1.4p.u.是合适的。

并联合／分闸电阻是操作过电压一个重要措施，最大过电压倍数与并联

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电阻的关系见图1所示。 3、雷击过电压

雷电过电压指雷云放电时，在导线或电气设备上形成的过电压。由于特高压

输电线路杆塔高度高，导线上工作电压幅值很大，比较容易产生从导线向上先导，从而引起避雷线屏蔽性能变差。这一点不但可从电气几何理论上得到解释，运行情况也提供了佐证。前苏联的特高压输电线路采用水平拉线v型杆塔，杆塔高度约为46m，而日本特高压架空输电线路采用同塔双回路、三相导线垂直排列的自立式杆塔，塔高88-148m。前苏联的特高压架空输电线路运行期间内曾多次发生雷击跳闸，基本原因是在耐张转角塔处雷电绕击导线。日本特高压架空输电线路在降压运行期间雷击跳闸率也很高，据分析是线路遭到侧面雷击引起了绝缘子闪络。

国内外对架空输电线路雷电绕击进行了大量研究工作。我国已对拟建的交流1000kV特高压输电线路的四种塔型(M型水平排列、M型三角排列、3V型水平排列和3V型三角排列)的避雷线屏蔽性能进行初步研究。

通过对各种塔型在不同保护角情况下的雷击跳闸率分析比较表明，特高压输电线路雷击跳闸的主要原因是避雷线屏蔽失效，雷电绕击导线造成的。在工程设计中要充分关注雷电绕击防护的重要性，特别是对耐张塔和转角塔也要专门研究、精心设计、务必使其也具有较小的保护角。采用良好的避雷线屏蔽设计，是提高特高压输电线路耐雷性能的主要措施。对于山区、因地形影响(山

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坡、峡谷)，避雷线也可能要取负保护角。

四、特高压输电系统工频过电压的计算及仿真

1、仿真软件

为了研究电力系统暂态和动态现象对电网规划、设计和运行的影响，对电力系统的暂态和动态进行模拟是必须的。用于电力系统分析的仿真工具有3类： (1)混合仿真器(如IREQ和CEPRI的仿真器)； (2)离线数字仿真软件包(如EMTP及其派生的软件)；

(3)实时数字仿真器(如魁北克水电局的HYPERSIM和盯DS公司的RTDS)。 对仿真技术要求应包括如下所有项目： (1)模型的精确度和可信度； (2)模型的功能和灵活性；

(3)完成一项复杂任务的速度和系统规模； (4)实时状态下的重复性仿真模式。

由于离线数字仿真技术的发展，目前的数字仿真软件已经被应用于许多研究中，下面就分别介绍数字仿真软件中的机电暂态仿真软件和电磁暂态仿真软件。

电力系统电磁暂态仿真程序常见的有各种版本的E)ATP程序，以及由加拿大Manitoba直流输电研究中心开发的PSCAD／EMTDC程序和由西门子公司开发的NETOMAE程序等。电力系统电磁暂态仿真程序的主要特点是：

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(1)考虑系统某一局部的详细动态过程，而将待研究之外的系统做一定的等值，传统上只用于研究持续时间短的过程，如大气过电压和操作过电压问题(过程持续的时间在几十毫秒内)，HVDC输电和FACTS等电力电子装置问题以及次同步振荡电磁谐振等问题上。

数学模型上，根据研究过程的不同，发电机模型可以是相当简化的等效电源模型，也可以是详细的park方程模型，甚至是考虑转子多刚体结构的模型，电力网络采用相坐标系统，即采用a、b、c三相模型，且必须用微分方程描述，系统中的物理量是瞬时值，而不是相量。 PSCAD／EMTDC的主库包括如下元件：

(1)网络元件：无源RLC元件、带饱和特性的变压器。参数随频率变化的输电线路

和电缆、同步电机和感应电机、断路器、避雷器、电源；

(2)控制模块：微分环节、延迟环节、差分延迟环节、积分环节、限幅环节、复数极

点、实数极点、超前滞后环节、阻尼环节、计时环节；

(3)电力电子器件：晶闸管，二极管和GTO、6或12脉动HVDC换流桥、SVC、STATCOM；

(4)侧量表计：电压电流有效值表(单相或者三相)、有功和无功表、峰值测量表、相角测量表、频率测量表。

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除上面已列出的元件之外，程序中还有很多电动机模型、新的控制函数、输电线路以及变压器模型等。

2、工频过电压仿真与比较

2.1、工频过电压的仿真计算条件

采用PSCAD/EMTDC 仿真软件，建立特高压交流工频过电压计算模型，进行仿真计算。1 000 kV 特高压交流线路结构如图1 所示。图中：Xm、Xn 分别为m 端和n 端电源的等值阻抗；Em、En 分别为两端电源的等值电势，计算中通过调节Em、En 保持母线电压为1 100 kV；Lp 为高抗，总补偿度为85%。由于我国特高压线路一般较长，规划中线路长度半数在300~500 km 范围内，本文以400 km 的线路为例进行计算，线路按照规程进行2次全循环换位。

考虑特高压系统可能出现的各种极端情况，特高压线路电源阻抗变化范围取40~180 Ω，零正序阻抗比变化范围0.4~2.6。由于甩负荷类过电压在其他条件相同的情况下，输送功率越大则过电压越大，为得出各种过电压可能出现的最大值从而对其进行比较，本文在计算中单、双回线路均输送最大功率，即将送、受端功角差调至最大。考虑30%的静稳定裕度，单、双回运行方式下功角差均取44°。此时，电源阻抗越大，功率越小。在阻抗为40 Ω时，单、双回线

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路功率分别可达5 000 MW 和2×3 500 MW；在阻抗为180 Ω时，线路功率可达3 000 MW 和2×1 700 MW。仿真采用平原地区特高压杆塔，单、双回线路杆塔分别采用猫头塔和鼓形塔，如图2 所示。单回线路导线选用钢芯铝绞线8×LGJ–500/35，双回线路导线为8×LGJ–630/45，间距均为400 mm。 2.2、工频过电压种类

导致特高压线路出现工频过电压的原因主要有容升效应、甩负荷效应和不对称接地故障，且特高压工频过电压往往由几种因素相互组合、共同作用产生；因此，其工频过电压种类繁多。特高压线路由于输送容量大、甩负荷效应强，其与甩负荷相关的工频过电压最为严重。规程规定，特高压线路主要考虑线路无故障甩负荷和在线路有接地故障情况下甩负荷这2 类故障时的工频过电压。单、双回特高压线路工频过电压的具体种类如图3所示。

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（1）单回特高压线路工频过电压主要考虑无故障甩负荷和单相接地甩负荷2 种。由于两相接地引起线路一端三相分闸故障发生概率很小，通常只酌情考虑。

（2）同塔双回特高压线路需分单回运行和双回运行2 种工况进行研究。同塔双回线路单回运行时的工频过电压主要包括运行回路无故障甩负荷和单相、两相接地甩负荷过电压。双回运行时包括1 回甩负荷和2 回甩负荷2 种情况下的工频过电压。其中，1 回甩负荷包括1 回无故障甩负荷、1 回单相接地甩负荷和1 回两相接地甩负荷；2 回甩负荷包括2回无故障甩负荷和接地故障后2 回甩负荷，其中接地故障后2 回甩负荷根据接地故障相不同又分为同名相接地甩负荷

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和异名相接地甩负荷。由于同塔双回线路1 回两相接地、同名相和异名相接地故障出现概率很小，通常只需要予以酌情考虑即可。工频过电压由于种类繁多，导致计算量大，故有必要对不同种类工频过电压的幅值进行比较，得出幅值较高的工频过电压种类，在研究计算中对其进行重点考虑，使工频过电压计算简化。

3 、不同种类工频过电压幅值比较 3.1 单回特高压线路的工频过电压

无故障甩负荷主要由误操作及继电器误动所致，有一定出现概率；单相接地故障则较为常见，占线路故障总数的80%以上。两相接地甩负荷过电压仅由雷电反击造成，在反击耐雷水平为175 kA的500 kV 系统从未出现过反击造成两相接地的故障；计算表明1 000 kV 系统反击耐雷水平超过250 kA，更不可能出现反击造成的两相接地故障，因此可认为两相接地故障几乎不会发生，不应作为研究重点。因此，从出现概率角度出发，应主要考虑无故障甩负荷过电压和单相接地甩负荷过电压。无故障甩负荷与接地甩负荷过电压的区别由接地故障造成。接地故障使健全相电压发生变化，单相和两相接地前后健全相工频电压之比可表示为

由式(1)可以看出，从故障点向系统看过去的零/正序阻抗比若大于1，则接地故障会使健全相电压升高。从故障点向系统看过去，首先是线路，然后才是电

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