线路电抗器对恢复电压的影响及产生机理

6.3.1.1　合空线过电压

合闸空载线路时，合闸之前，线路上不存在任何异常（无故障和残余电荷），故线路的起始电压为零；合闸后，线路各点电压由零值过渡到考虑电容效应后的工频稳态电压值，在此暂态过程中出现了过电压[15-16]。假设三相接线完全对称并且在同时刻合闸，可将三相线路模型等效为集中参数下的单相模型进行分析。如图6-19所示，线路采用T型等值电路，其中LT，CT为线路等值电感和电容，电源电动势为e（t），电源等值电感为LS。

图6-19　单相模型等效电路

进一步简化电路，如图6-20所示，其中L=LS+LT/2。

图6-20　简化后的等效电路

设电源电动势为e（t）=Emcosωt，合闸时，可求得电容上的电压为：

其中，Ucm为计入容升效应后线路末端相电压峰值，ω0为等效回路自振频率，在超高压及特高压系统中，ω0通常为ω的1.5～3.0倍。

由式（6-6）可知，最大值可达2倍的Ucm，而且其中Ucm＞Em，这实际上体现了线路的容升效应，因此，理论上线路产生的最大过电压可超过电源电动势的2倍。而由于线路存在损耗，实际过电压幅值通常还是低于上述最大值。

实际合空线过程要比单相模型所描述的更为复杂。实际中合闸时断路器三相难以完全同步，三相实际接通时刻存在一定的时差，这被称为断路器的三相合闸不同期性。由于三相不同期动作，使得线路处于瞬间不对称运行状态，当一相或两相先接通后，主要通过相间电容的耦合作用，合闸相过渡过程时的电压会在孤立未合闸相导线上产生同极性的感应电压。若当该相合闸时，电源电压极性有可能恰好与感应电压相反，这将加剧线路的暂态振荡过程，产生更为严重的过电压。因此，即使容升效应不明显的短线路在进行合空线操作时，由于三相开关合闸的不同期性，其过电压最大值也有可能超过电源电动势的2倍。

6.3.1.2　单相重合闸过电压

单相重合闸是电力系统中常见的一种操作。当线路出现单相接地故障时，继电保护动作切除故障相，此时健全相仍在运行，由于相间的耦合作用使得故障相上产生了潜供电流，当潜供电流逐渐减小消失后，故障相又重新合闸，此时在线路上产生了重合闸过电压。

下面具体分析线路在进行单相重合时产生过电压的原理。

特高压线路一般都带有并联补偿的电抗器，当故障点熄弧后，断开相上存在恢复电压，包括健全相对故障相的相间电容静电耦合分量和相间互感电磁耦合分量，其中静电耦合分量起主要作用。(www.xing528.com)

如图6-21所示为特高压线路进行重合闸前的实际电路等效图，其中LR、LN分别为高抗和小电抗阻值；Cm，C0分别为线路相间电容和相对地电容。

图6-21　线路实际等效电路图

然后，将高抗和小电抗进一步等值，其中Lm，L0分别为高抗和小电抗等效后的相间补偿电感和相对地补偿电感，如图6-22所示。

图6-22　等效电路图（一）

进一步将健全相电源进行等效，如图6-23所示。

图6-23　等效电路图（二）

由于线路电抗器往往难以正好完全补偿相间电容，故在断开相上存在恢复电压。若仅考虑线路的稳态过程，恢复电压中则只包含工频分量，其稳态值应为：

式中，X0为L0与C0并联之后（L0∥C0）的阻抗，Xm为Lm/2与2Cm并联之后（Lm/2∥2Cm）的阻抗。

事实上，在线路故障被清除后，由于过渡过程的变化，断开相上的恢复电压还包含自由振荡分量。它主要由几个不同频率的信号合成，其幅值随时间变化，使得恢复电压呈现拍频特性。

因此，线路若在断路器断口电压差（即）最大值附近时进行重合闸，会导致剧烈的振荡过程，产生最为严重的过电压。

前面分别讨论了合空线过电压与单相重合闸过电压的产生机理。单相重合闸时，两健全相均处于稳态，在第三相上感应的电压亦处于稳态，故第三相重合时暂态过程并不特别剧烈；相比较而言，合空线过程的暂态特性更为明显，由于不同期性的存在使得先合上的两相通过相间耦合在第三相上也感应出了电压，此时三相均处于暂态状态，故第三相合闸是暂态基础上的暂态叠加过程，因而有可能产生更为严重的过电压。因此，单相重合闸过电压有可能低于合空线过电压，尤其在线路输送功率比较小的时候，因为此时两健全相在故障第三相上感应出的电压分量也较小，重合闸时的暂态过程不太严重。