如何限制特高压交流系统中操作过电压？

目前，世界上多个国家对特高压系统过电压的控制进行了研究和实践应用。各国的常用限制措施如表6-1所示。

从表6-1中可以看出，对于特高压操作过电压，MOA、高抗补偿和合闸电阻是最主要的限制手段，分闸电阻则需要针对不同的情况而定。

表6-1　国内外特高压操作过电压常用限制措施[1]

下面将对操作过电压的主要限制措施进行介绍。

6.1.2.1　高抗补偿

工频过电压是操作过电压产生的基础，降低工频过电压可有效抑制操作过电压。

超、特高压输电距离远，线路长，其线路的充电功率十分巨大。如500kV线路无功消耗超过100Mvar/百公里，1000kV特高压线路则可超过500Mvar/百公里，线路的容升效应亦十分显著，能引起幅值很高的操作过电压。因此，如不能有效解决线路的无功问题，将会导致沿线工频和操作过电压大幅提高，这对电网安全稳定是十分不利的。为解决这一问题，需要在线路上装设并联电抗器以补偿无功消耗，从而稳定线路电压。首先，使用固定高压电抗器（高抗）补偿线路的大部分无功，其补偿度通常在60%～90%之间，高抗通常被安装在线路的两端；其次，在线路的运行中，通过变压器低压侧的电抗器（低抗）或电容器（低容）实时调节无功补偿量，以满足线路的无功需要，达到稳定电压的目的。

由于特高压线路高抗的存在，使得操作过电压问题不同于低电压等级电网。对于单相重合闸来说，高抗的使用降低了故障线路非故障相的感应电压，只要高抗和其中性点连接的小电抗配合得当，就能有效地抑制这种过电压；对于合空线和甩负荷过电压，线路末端的高抗在一定程度上钳制了操作后末端电压的升高，改善了沿线的过电压分布，降低了过电压幅值。

此外，特高压可控高抗已率先在中国研发成功，但其应用效果还有待在实践中进一步检验和完善。

6.1.2.2　金属氧化物避雷器（MOA）

性能优良的MOA是控制特高压输电线路过电压水平的关键装置。苏联1150kV线路初建时采用带间隙的阀式避雷器，系统操作过电压水平取为1.8p.u.，改用ZnO避雷器后，过电压水平可降至1.6p.u.；日本采用ZnO避雷器，系统操作过电压水平取为1.6p.u.；美国BPA研制的避雷器在电流为26kA时的残压为1.83p.u.，AEP研制的避雷器在电流为40kA时的残压相当于1.72p.u.。

我国近年来十分重视对MOA的研制，其限制过电压的能力不断提高，目前已成为了我国特高压交流电网过电压限制的主要设备，表6-2是我国特高压MOA的主要参数[5-6]。

表6-2　我国特高压MOA参数

6.1.2.3　断路器合闸电阻(www.xing528.com)

超、特高压运行实践证明，合闸电阻限制过电压的效果十分理想，是控制特高压操作过电压的关键装置之一。因此，目前世界各国在特高压断路器中无一例外地都采用了合闸电阻。

合闸可以分为两个过程，其原理示意图如图6-1所示，先合开关Q2，将电阻R接入电路，以吸收能量，减少线路冲击；一段时间后再合开关Q1，将电阻R短路。合闸电阻的接入和退出均会产生过电压，接入时希望合闸电阻越高越好，退出时则希望合闸电阻越低越好。故应综合分析后得到合适的电阻值，以使产生的过电压最小。

图6-1　断路器合闸电阻示意图

早期合闸电阻制造工艺不够完善，国内外都有报道合闸电阻发生事故的情况，影响了系统的安全运行，如据1994年不完全统计，我国500kV合闸电阻的损坏相数已达15相·次。这使得人们在一定程度上对合闸电阻可靠性产生了怀疑，以致在部分超高压工程中取消了合闸电阻的使用。但随着近年来断路器制造水平的提高，特别是对特高压断路器的制造要求更加苛刻，其性能逐渐优化完善，由合闸电阻引起的事故已经十分少见。截至目前，国内外还没出现特高压合闸电阻的爆炸事故。

使用合闸电阻需要解决的关键问题是控制电阻吸收能量不超标，以保证顺利合闸以及断路器的安全运行。合闸电阻最大吸收能量允许值按公式（6-1）计算，具体为

式中：U为断口电压最大值，考虑反相合闸可能性，取两倍相对地工作电压；R为合闸电阻值；t为合闸电阻接入时间，通常在8～12ms之间，考虑该参数的分散性，设计中从严并考虑适当裕度，合闸电阻接入时间可取13ms。

由此可见，设计中为保证断路器合闸电阻的可靠稳定性，最大吸收能量考虑了实际运行中极罕见的最严重情况。

以上讨论的是断路器增加一级合闸电阻的情况，多年来有的文献资料对限制效果更好的多级合闸电阻也进行了研究。多级合闸电阻是考虑过电压情况下合闸电阻接入和退出时的不同阻值要求，通过高阻值接入、中阻值过渡、低阻值退出来降低合闸冲击，从而更好地限制过电压[7]。然而，由于其结构复杂、制造难度大、成本高等问题，这种措施难以在超、特高压系统中得到实际应用。

6.1.2.4　断路器分闸电阻

特高压系统中，一些分闸过电压较为严重，分闸电阻是对其进行限制的一种方法。目前，日本和意大利采用分闸电阻，并且与合闸电阻共用。

分闸电阻原理示意图如图6-2所示。分闸有两个过程：先分开关Q1，将分闸电阻R接入电路，吸收能量，减少线路冲击；一段时间后分开关Q2，将线路断开。在分闸操作的两个过程中，从降低触头间的恢复电压考虑，断开Q1时希望R小些，断开Q2时的时候，希望R大些，因而也需综合考虑分闸电阻的取值。

图6-2　断路器分闸电阻示意图

断路器分闸电阻能限制分闸过电压，但分闸电阻同样存在故障率高、热容量大等问题，故在特高压断路器中是否采用分闸电阻值得进一步讨论。