影响因素分析：探究的主要因素

6.3.3.1　概述

合闸过电压的幅值受到很多因素的影响，如线路长度、系统阻抗、输送功率、合闸断口电压差、三相不同期性、线路损耗等。

1）线路长度

对于过电压幅值来说，随着线路长度的增加，线路末端电压因电容效应迅速上升，过电压幅值亦随之增大，因而长线路的合闸过电压要比短线路严重得多。

2）系统阻抗

对合空线过电压来说，断路器合闸时，系统正序阻抗相当于加长了线路长度，因而加剧了合空线过电压。一般来说，正序阻抗越大，过电压越大。

3）输送功率

对单相重合闸过电压来说，健全相可通过相间耦合对故障相施加影响，因而线路上输送的功率也是影响过电压大小因素之一。输送功率越大，过电压越大。

4）三相不同期性

断路器合闸时，三相之间总存在一定程度的不同期性。500kV断路器的不同期性大约可在10～20ms之间，特高压断路器也具有一定的不同期性，大约在5ms左右。模拟试验表明，不同期性使得过电压幅值增高了10%～30%。

5）合闸断口电压差

线路合闸瞬间，断路器断口电压差值越大，合闸过渡过程越剧烈，振荡过程中产生的过电压幅值往往也越大。

6）线路损耗

输电线路中的电阻和电晕损耗等在很大程度上可以降低合闸过电压的幅值，过电压幅值愈高，导线直径愈小，系统初次自振频率愈低（过电压作用时间愈长），降压作用愈明显。

6.3.3.2　单回线路分析

1）合空线过电压

计算不同长度下的合空线过电压幅值，结果如表6-28所示。

表6-28　不同长度情况下的合空线过电压

由表6-28可知，随着线路长度的增加，合空线过电压明显上升，采用合闸电阻后，该过电压得到显著限制。

2）单相重合闸过电压

下面针对单相重合闸过电压的主要影响因素（包括接地因素和线路输送功率等）进行分析。

（1）接地因素影响分析

接地故障会对单相重合闸过电压产生一定的影响。接地故障因素主要包括接地故障位置和接地处的阻值，下面首先分析它们对该过电压的影响程度。

由于我国特高压交流线路一般较长，如晋东南—南阳—荆门示范线路两段长度均在300km左右，淮—皖—浙—沪双回线路的淮—皖段长亦为326km，故这里以300km长的特高压线路为例进行分析，计算结果如表6-29、表6-30所示。

表6-29　接地故障位置对单相重合闸过电压影响

表6-30　接地处电阻对单相重合闸过电压影响

结果表明，接地故障位置和接地电阻大小对单相重合闸过电压的影响均较小，采用合闸电阻限制后，两者最大相差均不超过0.004p.u.。对计算结果不会产生本质影响，可忽略不计。这是由于进行单相重合闸前接地故障已经消失，故障线路的电压已经稳定，故接地因素对重合时过电压的影响不明显。

鉴于此，以下研究中接地故障位置选择线路中间，接地电阻采用50Ω。

（2）线路长度与输送功率影响分析

在进行单相重合闸时，线路另两相仍处于运行状态，因此，线路上输送功率的大小对该过电压可能产生影响。下面分析不同线路长度下输送功率对重合闸过电压的影响程度，计算时保证不同功率下母线电压一致，结果如图6-33所示。

图6-33　不同输送功率下的单相重合闸过电压

由图6-33可知：

①随着线路长度的增加，单相重合闸过电压明显上升。由前文可知，根据合闸过电压集中参数模型，线路越长，其等效的线路电感越大，由此线路容升效应就越强，这使得合闸过电压越大。

②随着线路输送功率的增加，单相重合闸过电压明显上升，而且长线路的上升幅度大于短线路。

由前面分析可知，对于单相重合闸过电压，其幅值主要取决于重合闸瞬间断路器两端的电压差，而此差值取决于线路的感应电压Uh与重合闸端的电源电压E。当线路承载不同的功率时，健全相电压在故障相上的感应电压Uh幅值变化不明显，而母线电压E则有明显的变化。

这是因为，特高压线路中，为满足长距离、大功率的输电要求，通常采用低压无功补偿以维持线路的电压稳定。这样，输送功率越大，需要补偿的低压容性无功容量就越大，当线路出现单相故障及随后清除故障时，低压容性无功容量不能及时响应，从而使得合闸端母线电压E升得更高。特别是当特高压变压器采用高阻型式后，由于其漏抗较大，使得特高压系统在输送大功率时引起变压器出口端电压E更高（相当于增加了合闸端电源电压），这种情况下就会产生更为严重的重合闸过电压[5-6]。

3）合空线与单相接地重合闸过电压比较研究

对于一定长度的特高压线路，当线路输送功率较小时，合空线过电压通常大于单相接地重合闸过电压。当输送功率进一步增加时，单相接地重合闸过电压随之增加，有可能大于合空线过电压。表6-31给出了不同线路长度和输送功率下合空线过电压与单相重合闸过电压的幅值比较，表6-32给出了不同线路长度合空线过电压与单相重合闸值相同时对应的线路输送功率。

由表6-31、表6-32分析可知，当线路长度较短时，合空线过电压一般要大于单相重合闸过电压。如线路长度为200km，若线路输送功率小于2500MW，则此时合空线过电压更为严重。而当线路较长时，单相重合闸过电压一般会大于合空线过电压。如线路长度为400km，若线路输送功率大于1100MW，则此时重合闸过电压更为严重。

表6-31　不同线路长度和输送功率下合空线过电压与单相重合闸过电压比较

注：*表示线路输送该功率下的单相重合闸过电压幅值。

表6-32　不同线路长度合空线过电压与单相重合闸值相同时对应的线路输送功率

注：*表示同等线路长度下，合空线过电压幅值相等于单相重合闸过电压幅值时对应的输送功率。

这是因为，线路需要的无功总量与线路长度成正比，当线路较短时，即使输送较大的功率，其无功补偿量并不多，故对重合闸过电压的提升作用也不明显。而此时，合空线过电压由于综合了合闸瞬间的剧烈暂态过程以及合闸时三相不同期性等因素，其危害更为严重[1]。故在短线路时，合空线过电压大于重合闸过电压。

当线路较长时，输送功率时需要补偿大量的无功，对重合闸过电压的提升作用就会明显，该过电压则更为严重。此外，由于合空线操作是一种计划性操作，较长线路进行合闸时，往往还对母线端电压进行适当限压，使得线路合闸稳定后的沿线电压不超过系统的最高电压。因此，在长线路、大功率的情况下，单相重合闸过电压大于合空线过电压。

6.3.3.3　双回线路分析

1）合空线过电压

（1）单回路运行方式

单回路运行方式是指双回线路的一回线路处于接地或悬空状态，而另一回线路进行合空线操作，如图6-34所示。(www.xing528.com)

图6-34　单回路运行方式

下面计算分析这两种不同运行状态对合空线过电压的影响程度，如表6-33所示。

表6-33　不同单回运行方式下的合空线过电压

结果表明，上述两种方式下，合空线过电压相差较小，在采用合闸电阻后，最大相差仅为0.006p.u.，可忽略不计。

这是因为，对于合空线过电压，影响较大的因素主要在于合闸端母线电压、三相不同期性和系统内阻。然而，上述单回路两种运行方式的差别仅在于两回路之间的耦合上，且该差别对该空载线路的等效参数影响也不大。另外，研究表明，线路杆塔的差异对合空线过电压影响较小。因此，这两种方式下的合空线过电压相差较小，可只计算其中一种情况。

（2）双回路运行方式

双回路运行方式是指双回线路的一回线路处于连通运行状态，而另一回线路进行合空线操作，如图6-35所示。

图6-35　双回路运行方式

在这种运行方式下，合闸前由于一回线路已处于稳态运行，线路电压电流均三相对称，故运行线路不会在空载线路上产生感应电压，因此，空载线路的起始电压也为零。那么，运行线路上传输功率的不同是否会对空载线路的合闸过电压产生较大影响，下面进行具体分析。选择100km、300km和500km的线路进行研究，计算时保证母线电压不变，结果如图6-36所示。

图6-36　一回线路输送不同功率时的合空线过电压

注：功率的负号表示输送方向相反

结果表明，一回线路输送功率的差异对另一回线路合空线过电压影响较小，差异均不超过0.01p.u.。故不同输送功率下，这些过电压差异较小，可只计算其中一种。

原因分析如下：在两端电源的输电模式下，通过双回线路的一回线路进行输电时，不同的输送功率对电网结构并没有产生影响，故在合闸端母线侧对内部进行等效后的电源特性完全一致。而且合闸前后输送不同功率的运行线路由于处于稳态，对合闸线路不会产生感应影响。因此，该回线路输送功率的大小对合空线过电压影响较小。

事实上，若将两回线路的间距人为加大，它对合空线过电压的影响也是不大的，计算结果如表6-34所示。

表6-34　两回线路间距对合空线过电压的影响

结果表明，运行回路通过回路间距对另一回线路的合空线过电压的影响，在无合闸电阻措施时最大相差不到0.03p.u.，采用合闸电阻后也不超过0.05p.u.，总体上说影响较小。若忽略这点差异，双回路运行时的合空线过电压模型可以等效为如图6-37所示，此时，回路与回路相距很远，没有任何耦合影响。

图6-37　等效后的双回路合空线模型

对于双回线路一回合空线操作，若其中一端电源E1内阻为无穷大（等同于E1与母线A断开），其空载线路的合闸过程就是在一段线路的基础上合闸另一段线路，相当于合闸两倍长度的线路，这样会使得该合空线过电压比单纯在电源基础上合闸更为严重。尤其当线路很长时，该合空线过电压将难以控制。同理，在电源内阻较大（即电源容量较小）时，电源E1对母线A处电压的影响力不强，此时合闸空载线路同样会加重该线路的合空线过电压。由于特高压交流系统为了有效限制短路电流而采用高阻变压器，使得电源内阻往往较大。因此，特高压交流系统双回线路一回运行时的合空线过电压较高，应注意对其的有效防护。下面以长线路500km为例进行分析说明，计算时保持两端母线电压和一回线路输送功率不变，仅改变E1电源内阻，结果如表6-35所示。

表6-35　电源容量对双回线路合空线过电压的影响

结果表明，E1电源内阻越大（即电源容量越小），合空线过电压越严重，与前文分析一致。

2）单相重合闸过电压

对于双回线路下的单回路运行方式，单相重合闸过电压的变化规律与单回线路一致，这里不再赘述。

对于双回线路下的双回路运行方式，下面选择100km、300km和500km的线路进行分析，研究线路输送功率对该过电压的影响程度，计算时保证母线电压不变，结果如表6-36所示。

表6-36　双回运行方式下的单相重合闸过电压

结果表明，双回线路在输送不同功率下，单相重合闸过电压相差较小，在采用合闸电阻后，最大相差不超过0.03p.u.，影响不大。

与单回线路不同，双回线路运行时，当一回一相出现故障并切除后，该相原本承担的功率大部分可等效转移到其他五相上，因此，对低压无功容量的需求变化也不多，故合闸端母线电压升高不显著，该过电压变化也不明显。

6.3.3.4　高抗、小电抗分析

1）高抗补偿度影响

特高压线路由于无功消耗大，通常采用高抗来进行补偿，且补偿度一般大于60%。下面针对300km长度的线路分析它对合闸过电压的影响，结果如表6-37所示。

表6-37　不同补偿度下的合空线过电压

结果可知，高抗补偿度越大，合闸过电压越低，但补偿度从60%增加到90%时过电压幅值下降幅度并不大，故补偿度对合闸过电压影响较小，太高的补偿度对合闸过电压的限制并不显著。

2）小电抗的选择分析

下面分别通过单回线路和双回线路来分析小电抗对合闸过电压的影响。

（1）单回线路分析

对于单回线路，当单相重合闸时，健全相会通过相间耦合对故障相产生感应，这样断开相就可通过相地电容和补偿高抗形成回路，此时，线路处于非全相运行状态。断开相拍频电压幅值取决于该回路相地和相间的补偿程度，而小电抗用来协调相间、相地补偿。在高抗和小电抗的作用下，断开相的稳态感应电压如式（6-10）所示。

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，如图6-23所示。

若参数配合不适当，使得Xm和X0在数值上大小相近、正负相反，则会引起谐振。图6-38为不同小电抗时故障处的谐振过电压。

图6-38　不同小电抗时故障处的谐振过电压

理论上，在线路的各种参数都能准确确定的情况下，按照高抗补偿度下相间完全补偿的原则来确定中性点小电抗时，都能较好地补偿相间、相地电容，在任何补偿度下都不会发生谐振过电压。但小电抗的研究和确定通常在工程建设前，此时特高压线路尚未进行准确的参数测量，仅是根据特高压待建线路的理论参数值和高抗补偿度来计算，从而导致研究得出的小电抗阻值与实际线路所需阻值之间存在一定的差异。再考虑到小电抗阻值的制造误差和高抗的补偿误差，使得差异更进一步增加。同时，线路参数的三相不平衡差异也对高抗和小电抗的精确取值产生影响。此外，故障系统由于功率的瞬间变化其基准频率也会出现一定偏差，这些因素的共同作用使得线路在实际运行中出现谐振的概率增加。

因此，高抗和小电抗的选取对线路发生非全相谐振过电压有着直接关系，为避免上面因素的影响，高抗补偿度不宜过高，以使得这些偏差都能被湮没在较大的裕度之中。研究表明，高抗补偿度不宜超过90%，当补偿度更大时，特别是接近100%补偿，线路出现谐振的危险性将大大增加，不利于单相重合闸过电压的有效限制[17-18]。同时，在已经确定的高抗补偿下，通过线路参数则可计算出合适的小电抗值。

（2）双回线路分析

对于双回线路的单相重合闸，情况更为复杂。此时健全相会通过相间耦合对故障相产生感应，双回线路的小电抗选择应综合考虑这些因素。

由于不同运行方式（包括一回接地、一回悬空和一回运行）下，断开相的等效对地和等效相间电容均发生了变化（因为不同方式下的另一回线路影响了故障回路的正序、零序参数），从而导致最合适小电抗的计算值具有较大差异，这使得重合闸过电压也有所不同。针对这种情况，双回线路小电抗的选择需要综合考虑多种运行方式。