限制措施对高压线路过电压影响分析

6.2.4.1　不同线路长度下的过电压限制

1）在线路两端采用高抗补偿和MOA的限制保护

针对点对点特高压输电线路，保持线路两端母线电压为1100kV（偏严考虑）的条件下，利用上一小节得出的求取特高压线路最大单相接地故障过电压的方法来分析单相接地故障过电压的可限制长度。模型计算中，采用常见限制措施（即线路两端各采用一组MOA和高抗补偿），其中线路补偿度为80%。

利用图6-11所示的计算步骤，计算100～600km时的最大单相接地操作过电压幅值，结果如表6-16所示。

表6-16　不同长度下的单相接地故障过电压幅值

由表6-16可知，采用图6-11所示的方法，当线路长度为500km时，过电压为1.633p.u.，满足限制要求；而在600km时，过电压则大于1.7p.u.，超出了规程要求。因此，鉴于所选条件的严苛性，可以认为，只要线路长度不超过500km时，即使在最严酷的条件下，单相接地故障过电压也能满足规程限制要求；而当线路长度超过600km时，则可能出现单相接地故障过电压难以被控制在允许范围内的情形。

对于更长的特高压线路，限制其单相接地故障过电压通常依靠多组MOA保护和多点高抗分段补偿措施，下面分别进行分析。

2）多组MOA的限制研究

选取800km的长线路，线路两端采用80%的高抗平均补偿[2]，下面分析采用多组MOA的限制效果（多组MOA平均分布于线路中）。

（1）偶数组MOA对过电压的限制研究

沿线分别布置2组MOA、4组MOA和6组MOA，当故障点的位置发生变化时，沿线的最大过电压如图6-12所示。图6-12中“2组MOA”即线路两端分别自带一组MOA；“4组MOA”时，另两组MOA置于线路1/3和2/3处；“6组MOA”时，另四组MOA置于线路1/5、2/5、3/5和4/5处。

图6-12　偶数组MOA限制下的单相接地故障过电压幅值

比较图6-12中三种情况下的过电压幅值，可以发现，沿线最大过电压幅值与接地点的位置密切相关，同时只有在有MOA设置的地方下，该处接地过电压才得到一定的限制。由于线路中点处未装设避雷器，因此线路中间的接地过电压未能得到有效地限制，当线路中间出现单相接地时，其过电压幅值最大，三种情况下均超过1.85p.u.，且差异不大。

（2）奇数组MOA对过电压的限制研究

沿线分别布置3组MOA、5组MOA和7组MOA，当故障点的位置发生变化时，沿线的最大过电压如图6-13所示。图6-13中“2组MOA”即线路两端分别自带一组MOA；“3组MOA”时，另一组MOA置于线路中间；“5组MOA”时，另三组MOA置于1/4、2/4和3/4处；“7组MOA”时，另五组MOA置于线路1/6、2/6、3/6、4/6和5/6处。

图6-13　奇数组MOA限制下的单相接地故障过电压幅值

由图6-13可知，在沿线布置奇数组MOA时，由于在线路中间加装有一组MOA时，最大过电压得到了明显的限制。然而，在3组、5组和7组MOA限制下，线路的最大过电压也都达到了1.74p.u.左右，仍不能满足限制要求。不同组MOA限制措施下最大过电压如表6-17所示，可以发现，随着MOA组数的增加，最大过电压有所下降但不显著。

表6-17　2组、3组、5组和7组MOA限制单相接地故障过电压效果

（3）小结

综合图6-12、图6-13和表6-17，可以发现，只有在设置有MOA的地方下，该处接地过电压才得到较好的限制，MOA只对其装设处附近地方（大概80km内）出现单相接地故障过电压时具有一定的限制作用，对更远处的接地过电压则没有明显的限制作用。随着MOA数量的增加，最大过电压值减小得越来越缓慢，当线路较长时，布置更多的MOA不仅不能起到很好的效果，反而会增加经济上的耗费。另外，对比图6-12、图6-13可知，针对长线路，在线路中间加装MOA可以显著降低该处过电压值。

综上，对于采取双端补偿方式的特高压长线路，在线路中间布置一组MOA能够显著降低单相接地故障过电压。另外，仅采用MOA来限制单相接地故障过电压时，需要在沿线布置较多组数的MOA才能勉强控制该过电压。因此，该方法具有一定的局限性。

3）分段高抗补偿的限制研究

高抗补偿对单相接地故障过电压有一定的抑制作用，一般来说，补偿度越高，限制效果就越好。相同补偿度下高抗的不同布置方式对该过电压有着不同的限制效果，下面对此进行分析。

选取800km的长线路，线路两端分别布置一组MOA，同时保持高抗补偿度为80%不变，改变补偿点数目（各点补偿容量平均分配），分析不同数量补偿点对单相接地故障过电压的限制影响，结果如图6-14所示。

图6-14　多点平均布置高抗补偿下的单相接地故障过电压

由图6-14可以发现，相同高抗补偿度下，补偿布置点越多，对过电压的限制越有利。其中，三点分布（即线路中间也有补偿）的限制效果明显好于两点分布（即线路两端补偿）；而当分布点更多后，过电压的限制效果逐渐趋向饱和。因此，通过线路中间设置高抗来限制较长线路的过电压是较为有效的。同时也发现，三点补偿下800km线路的最大过电压仍大于规程允许值1.7p.u.。

下面分析三点补偿下，高抗容量的不同分配方式对该过电压会有什么样的影响。仍选择800km线路进行分析，同样保持高抗补偿度为80%不变，采用三点补偿，但线路首末端与中间补偿容量分配不一致，计算结果如表6-18所示。其中，表6-18中补偿容量比例为1∶1∶1即三点平均补偿。

表6-18　不同补偿容量分配时的单相接地故障过电压

由表6-18可知，随着线路中间高抗容量比例的增加，对过电压的限制效果就越好。这是因为线路中间电压往往较高且过电压较难控制，此外，由于线路较长，该处电压变化更为剧烈，易产生高幅值的过电压。通过线路中间加装高抗后，钳制了该处的电压波动，同时也改善了全线的过电压分布，该处补偿度越高，钳制作用越有效。因此，针对长线路，在线路中间加装高补偿度的高抗有利于对该过电压的限制。

然而，进一步计算表明，对于较长特高压线路，从限制工频过电压的角度出发，线路中间高抗补偿容量不宜过大。以长度为800km的特高压线路为例，当线路两端产生单相接地甩负荷工频过电压时，工频过电压最大值如下表6-19所示。

表6-19　不同补偿容量分配时的工频过电压

综合表6-18、表6-19可知，对于三点补偿的特高压长线路，由于甩负荷工频过电压最大值通常出现在靠近线路两端的部分，因此随着线路中间的高抗补偿容量增加，单相接地甩负荷工频过电压会增加，故在线路中间加装较多高抗时，工频过电压可能会超过限制要求；而对于长线路单相接地故障过电压，沿线最大值通常出现在线路中部，故随着线路中间的高抗补偿容量增加，单相接地故障过电压会减小。因此，针对长线路，从同时限制工频过电压和单相接地故障过电压的角度出发，应在线路中间加装适量高抗，由表6-20、表6-21可知，当线路中间的高抗补偿容量在50%左右时对两者的限制均较为有利。

目前，常见特高压三点补偿的分段线路中间的高抗补偿容量在50%左右[1]。由表6-18可知，800km的长线路过电压仍有可能超过规程的限制要求，因此，还应采取进一步限制措施。

4）多组MOA和分段高抗的联合限制研究

由前面两小节可知，对于特高压长线路，当线路中间布置了MOA或者高抗之后，过电压值显著降低，但是仅采用沿线布置避雷器或者沿线布置高抗的措施仍无法满足规程的限制要求。对于采用三点限制模式（即线路首端、中间、末端均设置有MOA保护和高抗补偿）的长线路，本节对多组MOA和分段高抗联合限制该过电压的效果进行研究。

选取800km的长线路，采用三点限制模式，过电压计算结果如表6-20所示。

表6-20　三点限制模式下MOA和高抗联合限制下的单相接地故障过电压

由表6-20可知，在三点限制模式下，800km的长线路的单相接地故障过电压得到了有效限制，满足规程要求。因此，可以推知，针对500～800km的长线路，在线路中间进行分段落点（分段长度在400km左右），设置MOA及合适的高抗补偿时，就能较好地抑制该种过电压。

事实上，鉴于长线路的单相接地故障过电压难以限制，我国已建成的晋东南—南阳—荆门特高压示范线路以及淮—皖—浙—沪特高压双回线路均采用开关站分段技术。最大分段距离在400km左右，同时在分段处设置了MOA与高抗措施来共同抑制过电压。

因此，采用三点限制模式—多组MOA保护和分段高抗补偿联合限制该过电压时，可以较好地同时兼顾工频过电压与操作过电压的限制要求，减少了沿线装设MOA的数量，是一种技术上可行、经济上占优的限制方法。

6.2.4.2　长线路单相接地故障过电压进一步研究

由前面的分析可知，对于较短的特高压线路，单相接地故障操作过电压通常不会超过1.7p.u.的限制水平，不是决定系统绝缘水平的决定性因素[1]。当线路较长（大于600km）时，单相接地故障过电压仍有可能超过1.7p.u.的限制水平，对特高压系统安全构成威胁。但是对于较长的特高压线路，从限制工频过电压以及稳压的角度考虑，需对线路进行分段，并在每一段线路的两端加装并联高抗，这样可以使单相接地故障过电压降低。因此，对于某一长度很长的线路，若能给予适当的线路分段（配以相应的MOA保护和高抗补偿），可以确保使单相接地故障过电压不超过规程规定的限制水平，则该线路分段方式可以为线路规划设计以及过电压防护计算时直接引用，从而可以避免单相接地故障过电压很大工作量的仿真计算（因为该过电压影响因素太多，工况太复杂），节省大量时间和精力。

鉴于此目的，本小节借助PSCAD-EMTDC软件仿真，在大量仿真计算的基础上，对分段的特高压长线路单相接地故障过电压进行了详细研究。在求取最严酷单相接地故障过电压的条件下，研究了线路分段数为3～5段的特高压长线路单相接地故障过电压问题，探讨了不同线路分段方式下该过电压不超过限制水平时线路所能达到的最大长度，提出了不同分段方式下整条线路单相接地故障过电压不会超过限制水平的最大长度，并给出了相应的线路分段方式，可为特高压输电工程建设直接提供参考。

在前面探究单相接地故障过电压影响因素的基础之上，下面将分别探究分三段、四段和五段情况下的特高压线路单相接地故障过电压水平，求取分3～5段的线路单相接地故障过电压不超过限制水平时可达到的全线最大长度以及单段线路的最大长度。

1）长线路分三段时的单相接地故障过电压研究

（1）平均分三段时的线路过电压研究(www.xing528.com)

对于平均分三段、每段长度400km的特高压线路，在常规的限制措施如加装高抗和MOA下，如图6-15所示。其中，A、B、C、D四点的高抗容量比例为1∶2∶2∶1。

图6-15　分三段的特高压交流线路

为了研究MOA对该过电压的限制效果，在沿线改变MOA布置的方式：第一种MOA布置方式为沿线加装六组MOA，如图6-16所示，在分段线路沿线布置MOA时通常采用此方式，其中A、D处各一组，B、C处各两组，用a1表示；第二种MOA布置方式为沿线布置四组MOA，其中A、B、C、D处各一组，用b1表示；第三种MOA布置方式为沿线布置两组避雷器，其中B、C处各一组，用c1表示；第四种情形下沿线不装设避雷器，用d1表示。其沿线最大单相接地故障过电压水平如表6-21所示。

表6-21　平均分三段线路的单相接地故障过电压

从表6-21可知，当线路补偿度保持不变时，随着沿线MOA组数的增加，单相接地故障过电压值基本保持不变；当MOA布置条件不变时，随着线路补偿度的增加，单相接地故障过电压会有明显的减小，因此，高抗较MOA能够更好地限制长线路单相接地故障过电压。对于3×400km长的特高压线路，当补偿度在80%～90%之间变化时，单相接地故障过电压均不超过1.7p.u.的限制水平，因此，该类过电压不会危及平均分三段、每段长度为400km的特高压线路。

单相接地故障过电压与线路长度呈正相关，线路越长，过电压越大，因此，可以推知，对于总长度小于1200km、平均分三段的特高压线路或总长度小于1200km、分段长度小于400km的特高压线路，单相接地故障过电压均不会超出限制水平，不需考虑该种过电压对绝缘构成的威胁。

（2）长线路分三段、单段长度发生变化时的过电压研究

当分段长度发生变化时，单相接地故障过电压如表6-22所示。避雷器采取在每个分段线路两端对称布置的方式；高抗也采取在每个分段线路两端对称布置、其容量与分段线路长度成比例。

表6-22　单段线路长度变化时分三段线路的单相接地故障过电压

由表6-22可知，对于不平均分段的特高压线路，单段长度较长的线路在整条线路两端时沿线单相接地故障过电压值要小于该段线路位于整条线路的中间段时的过电压值。当线路分段数一定时，线路分段越平均，过电压越小。基于通用化结论的考虑，在下面的仿真计算中，线路长度均以100km为单位。采用常规抑制过电压的措施，对于分三段的线路，当补偿度取在80%～90%之间变化时，单相接地故障过电压不超过限制水平时线路最大长度可达1300km，单段线路的最大长度可达500km，且其中一种过电压较低的合理分段方式为500km-400km-400km或400km-400km-500km。

2）长线路分四段时的单相接地故障过电压研究

（1）平均分四段时的线路过电压研究

对于平均分四段、每段长度400km特高压线路，在常规的限制措施如加装高抗和MOA下，如图6-16所示。其中，A、B、C、D、E五点的高抗容量比例为1∶2∶2∶2∶1。

图6-16　分四段的特高压交流线路

为了研究MOA对该过电压的限制效果，在沿线改变布置MOA的方式：第一种MOA布置方式为沿线加装八组MOA，如图6-16所示，在分段线路沿线布置MOA时通常采用此方式，其中A、E处各一组，B、C、D处各两组，用a2表示；第二种MOA布置方式为沿线布置五组MOA，其中A、B、C、D、E处各一组，用b2表示；第三种MOA布置方式为沿线布置三组避雷器，其中B、C、D处各一组，用c2表示；第四种MOA布置方式为仅在C处布置一组MOA，用d2表示；第五种情形下沿线不装设避雷器，用e2表示。其沿线最大单相接地故障过电压水平如表6-23所示。

表6-23　平均分四段线路的单相接地故障过电压

由表6-23可知，MOA对单相接地故障过电压有微弱的限制作用。当线路补偿度在80%～90%的范围内变动时，过电压均超过了1.7p.u.的限制水平。因此，对于平均分四段的特高压长线路，在常规的限制措施下，为了使单相接地故障过电压不超过限制水平，单段线路长度取为400km不满足单相接地故障过电压低于限制水平这一条件。

（2）长线路分四段、单段长度发生变化时的过电压研究

当单段分段距离发生变化时，单相接地故障过电压如表6-24所示。避雷器采用在单段线路两端布置的常规方式。高抗也采取在每个分段线路两端对称布置、其容量与分段线路长度成比例。

表6-24　单段线路长度变化时分四段线路的单相接地故障过电压

由表6-24可知，当线路分段数一定时，线路分段越平均，过电压越小。补偿度越高，过电压越小，对于分四段的特高压线路，当线路补偿度取80%～85%时，整条线路单相接地故障过电压不会超过限制水平的最大长度可达1300km，单段线路最大长度可达400km，一种较为合理的线路分段方式为400km-300km-300km-300km；当补偿度取90%时，过电压水平进一步降低，整条线路单相接地故障过电压不会超过限制水平的最大长度增加至1400km，单段线路最大长度可达400km，一种过电压较低的较为合理的线路分段方式为400km-300km-300km-400km。

另外，比较表6-22和表6-24可知，相同线路长度下，不同的线路分段方式对单相接地故障过电压的影响很大，增加线路分段数，减小线路分段距离对该过电压有一定的削弱作用，当线路分段数一定时，中间段线路长度越短，单相接地故障过电压通常越小。

3）长线路分五段时单相接地故障过电压研究

（1）平均分五段线路过电压研究

对于平均分五段、每段长度为300km的特高压线路，在常规的限制措施如加装高抗和MOA下，如图6-17所示。其中，A、B、C、D、E、F六点的高抗容量比例为1∶2∶2∶2∶2∶1。

图6-17　分五段的特高压交流线路

为了研究MOA对该过电压的限制效果，在沿线改变布置MOA的方式：第一种MOA布置方式为沿线加装十组MOA，如图6-17所示，在分段线路沿线布置MOA时通常采用此方式，其中A、F处各一组，B、C、D、E处各两组，用a3表示；第二种MOA布置方式为沿线布置六组MOA，其中A、B、C、D、E、F处各一组，用b3表示；第三种MOA布置方式为沿线布置四组避雷器，其中B、C、D、E处各一组，用c3表示；第四种MOA布置方式为沿线布置两组MOA，其中C、D处各一组，用d3表示；第五种情形下沿线不装设避雷器，用e3表示。其沿线最大单相接地故障过电压水平如表6-25所示。

由表6-25可知，MOA对过电压的限制作用仍不明显，当线路补偿度取80%或85%时，沿线单相接地故障过电压超过限制水平；当补偿度取90%时，过电压值降低到1.7p.u.以下。

表6-25　平均分五段线路的单相接地故障过电压

（2）长线路分五段、单段长度发生变化时的过电压研究

当线路分段方式发生变化时，单相接地故障过电压值如表6-26所示。避雷器采用在单段线路两端布置的常规方式。避雷器采取在每个分段线路两端对称布置的方式；高抗也采取在每个分段线路两端对称布置、其容量与分段线路长度成比例。

表6-26　单段线路长度变化时分五段线路的单相接地故障过电压

由表6-26可知，当线路分段数一定时，中间段线路越短，过电压越小，且线路分段越平均，过电压越小，对于分五段的特高压线路，当补偿度取80%～85%时，表中所列几种线路分段方式下的过电压值均超过限制水平；当补偿度取90%时，部分线路分段方式下过电压降低至限制水平以内，沿线单相接地故障过电压不超过限制水平的最大线路长度可达1600km，且单段线路长度最大可达400km，一种过电压较低的合理线路分段方式为300km-300km-300km-300km-400km。

4）线路中间具有落点的情形

对于较长的特高压线路，除了直接点对点输电的情形外，还有一种线路中间具有一个或多个落点负荷或落点等效电源的情形，如图6-18所示，图中省略了线路的分段情况。

图6-18　具有落点负荷或电源的特高压长线路

对于较长的特高压线路中间具有落点电源的情形，一方面，落点电源出口母线处（图6-18中A、B两点）的电压被钳制在正常运行的工频电压数值，当整条线路发生单相接地故障时，会导致过电压水平降低；另一方面，电源与电源之间的输电线路长度缩短，过电压水平也会降低。对于较长的特高压线路中间具有落点负荷的情形，负荷对过电压的阻尼作用也会使得过电压水平降低。因此，对于长线路单相接地故障过电压，如果线路中间存在落点电源或落点负荷，会导致单相接地故障过电压水平下降。随着特高压电网的发展，特高压长线路交流输电是一个趋势，且线路中间通常会有落点电源或落点负荷，此时，单相接地故障过电压水平会比线路中间有落点负荷或电源的长线路的过电压水平低。

5）小结

综合前面四小节可知，对于不同长度的特高压长线路，当线路分段数一定时，单段长度较大的线路位于整条线路中间时的过电压水平高于其位于整条线路两端时的过电压水平；同时线路分段越平均，单相接地故障过电压越小。因此，从限制单相接地故障过电压的角度考虑，在常规的限制过电压的措施下，当特高压线路长度发生变化时，采用如下表6-27所示的分段方式，单相接地故障过电压不会超过限制水平，基于通用化结论的考虑，线路长度均以100km为单位。当长线路中间有落点负荷或落点电源，此时该过电压水平会进一步降低。

表6-27　线路长度变化时单相接地故障过电压不超过限制水平的线路分段方式

表6-27中所示的线路分段方式是基于通用化结论考虑得到的一种过电压较低的线路分段方式，即对于分3～5段的特高压长线路，若每段线路的长度均不大于表中所示线路分段方式的情况、且补偿度不小于表中最右侧一列所示的线路补偿度，则沿线单相接地故障过电压不会超过限制水平1.7p.u.。

另外，在实际的工程中，考虑到实际的落点限制和工程的方便实施与否，表6-27中所示的某种分段方式在实际施工中可能不方便实施，此时，则需结合表6-22、表6-24和表6-26中的结果和实际落点情况以及工程方便实施与否，由过电压限制水平来重新确定线路的合理分段方式。例如，当线路高抗补偿度为90%时，对于长度为1500km的特高压交流输电长线路，采用300km-300km-300km-300km-300km的线路分段方式在实际工程中可能不方便实施，结合表6-26也可选用300km-200km-400km-300km-300km的线路分段方式，其过电压值同样不超过1.7p.u.。因此，只要这种分段方式在实际工程中比线路采取平均分段方式时更方便实施，此时，可以考虑采取300km-200km-400km-300km-300km的线路分段方式。