超高压特高压交流输电线路断路器合闸电阻适用性研究

在超、特高压交流电网中，从控制过电压的角度考虑，通常采用单相重合闸方式。故合闸过电压主要有合空线过电压和单相重合闸过电压两种，其中，合空线过电压由于综合了合闸瞬间的剧烈暂态过程、线路的容升效应以及合闸时三相不同期性等因素，其危害更为严重，在无限制措施时过电压幅值可达2.0p.u.或以上，超出规程中超、特高压系统操作过电压允许值分别不应大于2.0p.u.和1.7p.u.的规定。所以，合理有效地限制合空线过电压是操作过电压问题研究中的重点。目前，通常采用合闸电阻来限制合空线过电压；另外，也有文献报道了采用MOA代替合闸电阻来限制该过电压的研究成果。

一般来说，安装有合闸电阻的断路器由于结构复杂更容易发生事故，存在一定的安全隐患。实际上，即使在不采用合闸电阻的情况下，合空线过电压幅值也多在2.0p.u.附近，考虑到500kV交流系统的限制允许值为2.0p.u.，且我国500kV线路有向短距离输电发展的趋势，线路容升效应低，因此，在线路两端MOA的保护下，该过电压也有可能满足500kV系统规程的限制要求。事实上，国内外已有部分线路取消了合闸电阻运行，也未发生过由此引起的过电压超标问题。因此，取消合闸电阻运行具有现实的可行性。目前，公开发表的文献中有关合闸电阻的问题偏于定性分析，迄今尚未有研究明确提出何种长度范围内500kV系统可取消合闸电阻的定量结论。因此，本节着重对超高压与特高压交流输电线路断路器合闸电阻进行定量研究，从合空线过电压的限制角度出发，采用软件仿真技术，探讨500kV系统中合闸电阻的适用问题，给出了可以取消合闸电阻的线路长度的定量范围，可供工程实践提供参考[12]。另外，还对1000kV特高压系统取消合闸电阻的可行性进行了研究，结果表明，特高压系统由于操作过电压限制允许值降为1.7p.u.，限制难度大大增加，且线路通常较长，容升效应大，仅采用MOA限制难以满足要求，故通常都需要采用合闸电阻。

6.3.5.1　500kV交流线路分析

1）仿真模型

图6-39所示为三相合空线过电压模型，由电源、不同期性断路器、空载线路和MOA等组成。在仿真500kV与1000kV线路时，因不同电压等级线路采用不同的杆塔和导线，模型的参数必须进行调整，但模型的结构不变。

图6-39　合空线过电压仿真模型

2）MOA参数

500kV线路仿真模型采用规程中典型的500kV线路型MOA，具体参数如表6-38所示。

表6-38　500kV交流系统MOA典型特性参数

3）线路参数

我国目前500kV交流线路所用导线和杆塔种类较多，对合空线过电压可能会产生影响。下面针对常用的几种导线和杆塔型号，计算分析它们对过电压幅值的影响程度。为保证其他条件一致，计算时仅改变导线或杆塔参数，结果如表6-39和表6-40所示。

表6-39　不同导线型号对合空线过电压的影响

表6-40　不同类型杆塔对合空线过电压的影响

计算结果表明，导线型号和杆塔参数的差异对合空线过电压影响都很小，前者最大相差仅为0.008p.u.，后者仅为0.006p.u.，对计算结果不会产生本质影响，均可忽略不计。

在本节研究中，采用的导线型号为钢芯铝绞线4×LGJ-400/35，其分裂间距为450mm；线路杆塔采用ZM1型号的猫头塔。此类导线和杆塔及其参数已广泛应用于我国500kV系统的典型设计。

4）系统条件

影响合空线过电压的系统条件主要有合闸端母线电压、三相不同期性和系统内阻。在本研究中，这三个参数按能产生最严重的合空线过电压条件选取。

（1）母线电压是电网过电压幅值的基础，电压等级越高，过电压绝对值越大。故电力系统中，为保持电网的安全稳定，各节点电压通常被强制控制在一定范围内。为从严考虑起见，计算中将母线电压设定为最高线电压即550kV。

（2）三相不同期性是指合空线时断路器的每一相在收到合闸信号后进行合闸的实际时刻之间存在一定的差异。模拟试验和仿真研究表明，三相不同期性使合空线过电压趋于严重，过电压幅值可增加10%～30%，而不同期性的差异则对过电压影响较小。500kV断路器的不同期性较大的可达10ms，本节选取此值进行计算。

（3）系统内阻是指等效后电源的正序阻抗，包括电阻和电感两部分。电阻性越强，对过电压的阻尼作用越大，则过电压越小；电感性越强，暂态过程越激烈，则过电压越高。考虑到500kV实际系统等效后正序阻抗中通常具有一定的电阻，其正序阻抗角一般不超过86°。阻抗角越大，电阻性越弱，电感性越强，过电压就越高，为从严考虑，本节选取正序阻抗角为88°，可认为该情况下过电压比实际系统更为严重。

资料表明，目前我国500kV系统的短路电流通常都在12.5～75kA范围之内，由短路电流计算公式可得出系统的等效正序阻抗范围约在3～24Ω之间。可认为，此范围几乎包括了所有500kV系统的等效内阻。本节以长度为100km的500kV线路为例研究了系统内阻对合空线过电压的影响，结果如表6-41所示。

表6-41　500kV系统内阻对合空线过电压的影响

由表6-41可知，随着系统内阻的增大，过电压变化无明显规律，这种现象的产生是因为此时电阻和电感部分均随内阻增大而增大，而它们对过电压的影响趋势则相反。由于上述范围内系统内阻对该过电压影响较小，仅在0.03p.u.以内，对计算结果不会产生本质影响，下面的分析计算中采用内阻为10Ω的典型值。

5）过电压研究

（1）高抗补偿度分析

由于无功稳定的需要，超高压交流线路往往加装高抗进行补偿。作为对工频过电压的限制措施，高抗对线路操作过电压具有一定的抑制作用。鉴于目前500kV系统中，长度小于100km的短距离输电线路较多，故以长度为100km的500kV线路为例，研究高抗补偿度对合空线过电压的影响，结果如表6-42所示。

表6-42　长度为100km的500kV有高抗补偿线路的合空线过电压

由表6-42可见，增大高抗补偿度能使合空线过电压有所下降，但下降幅度较小；当线路长度更长时，下降幅度略有增加。所以，高抗对合空线过电压有一定的限制作用，但总体上来说作用不大。

为从严考虑，以下研究中不采用高抗补偿措施。

（2）线路长度分析

线路长度是操作过电压的一个主要影响因素，其严重性主要体现为容升效应。对于合空线过电压而言，若无线路容升效应和三相不同期性的影响，即使在无任何限制措施下，该过电压理论最大值也仅为2.0p.u.，且由于线路损耗等作用，实际值小于2.0p.u.。在500kV系统中，线路两端通常加装有MOA进行防护，故该过电压一般不超过2.0p.u.，已满足限制要求。但若在长线路容升效应较为显著的情况下，则可能超出限制要求。图6-40为实测的某500kV线路的容升效应曲线。

图6-40　实测的某500kV线路容升效应

由结果可知，容升效应的严重性随线路长度的增加按指数规律上升，线路越长，其效果越明显。根据合闸过电压最大幅值的估算公式（即UMAX=2U稳态-U初始），合闸后的稳态值（即计入容升效应后的稳态电压）越高，暂态过程中的振荡就越剧烈，产生的过电压峰值也越高。因此，由于容升效应的影响，较短线路的合闸过电压较易被限制，而较长线路则较难。

对不同长度线路的合闸过电压进行计算分析，结果如图6-41所示。

图6-41　不同线路长度下合空线过电压幅值

由图6-41可见，合闸过电压幅值随线路长度的增加而明显上升，线路长度在200km以下的合空线过电压尚未超过规程规定的2.0p.u.，而线路长度在300km以上时则超出了规程的规定要求。

（3）短线路过电压分析

在本节给定的“严酷”条件下且不采用合闸电阻时，计算长度分别为100km和200km的500kV线路沿线的合空线过电压分布，结果如图6-42所示。

图6-42　500kV短线路的合空线过电压

由计算可得出如下结果：

①线路长度为100km时，合空线过电压最大仅为1.91p.u.，此值低于规程中规定的数值2.0p.u.，已被控制在要求范围内且具有一定的裕度。考虑到合空线过电压因容升效应随线路长度的增加而上升，因此可以认为，即使在最为苛刻的系统条件下且不采用合闸电阻限制时，长度为100km及以下线路的合空线过电压值也不会超出规程规定的范围。

②线路长度为200km时，合空线过电压最大为1.98p.u.，较接近于2.0p.u.。考虑到计算条件较为严酷，可认为，长度在100～200km范围内的合空线过电压一般也不超出规程规定的范围，但裕度很小。为谨慎起见，建设这些线路时，宜对线路实际情况进行计算验证以确认合闸电阻可否取消。

当线路长度更长时，合空线过电压可能会超过2.0p.u.，此时需要采用其他措施加以限制该过电压。

（4）长线路过电压分析

对于长度为200～400km的较长线路，由于此时的容升效应已较为明显，需要通过配置合闸电阻予以限制，也可采用沿线布置多组MOA的措施。下面选择长度为400km的较长线路，在苛刻条件下进行计算，结果如图6-43及图6-44所示。

图6-43　长度为400km的500kV线路配置合闸电阻或多组MOA时的合空线过电压

注：“无措施”即线路两端分别自带有一组MOA；“加1组MOA”时，线路中点另置一组MOA；“加2组MOA”时，增加的MOA分别置于线路长度的1/5和4/5处；“加3组MOA”时，增加的MOA分别置于线路中点及线路长度的1/5和4/5处。

计算结果表明，长度为400km的线路，采用合闸电阻后合空线过电压幅值降为1.75p.u.＜2.0p.u.，满足规程要求；也可采用在沿线增加2～3组MOA将合空线过电压限制为规程允许范围内的1.93p.u.。考虑到线路有两端分别合闸的可能性，多组MOA应对称分布。因此，长度为200～400km的500kV线路，采用合闸电阻或多组MOA后，合空线过电压可以被限制在规程规定的范围内。

采用多组MOA时，可改善过电压分布，降低最大过电压值，见图6-44。合空线过电压从“无措施”时的2.05p.u.降至“加3组MOA”后的1.93p.u.；从MOA通流容量上考虑，多组MOA共同分担了合闸时的冲击能量，而单个MOA承担的能量，从“无措施”时的720kJ降至“加3组MOA”时的420kJ，远小于500kV交流MOA的能量承受极限3～6MJ，因而不会发生MOA的故障损坏。(www.xing528.com)

图6-44　多组MOA下最大的合空线过电压和MOA吸收能量

对于长度为500km和600km的500kV线路，由于容升效应更为显著，在沿线增加3组MOA后，合空线过电压幅值仍可达2.03p.u.和2.11p.u.，超出了规程中的限值。此时，只有配置合闸电阻才能有效限制该过电压，限制效果如表6-43所示。

表6-43　合闸电阻对长度为500km和600km的500kV线路合空线过电压的限制作用

综上，从合闸过电压控制的角度分析，长度在100km以下的500kV线路取消合闸电阻措施是可行的；长度在100～200km范围内的线路可否取消合闸电阻宜对具体线路进行计算验证；200～400km长度内的线路一般考虑采用合闸电阻限制过电压，也可采用沿线布置2～3组MOA的方法，但该方法尚未得到具体实践的验证；长度在400～600km范围内的线路则应采用合闸电阻来限制合空线过电压。

6.3.5.2　1000kV交流线路分析

1）仿真参数

1000kV系统三相合空线过电压仍采用图6-39所示的模型，取三相不同期性为5ms。

系统参数参考我国晋东南—南阳—荆门特高压示范线路，高抗补偿度采用80%，两端平均分布；塔形采用猫头塔；导线型号采用钢芯铝绞线8×LGJ-500/35、分裂间距为400mm。避雷器采用中国电科院的1000kV线路型MOA，具体参数如表6-44所示。

表6-44　我国特高压交流系统MOA参数

2）过电压研究

由上文的研究结果可知，对于500kV系统，短线路可取消合闸电阻；长线路一般应采用合闸电阻，但也可采用多组MOA来限制合空线过电压。那么，特高压系统对合空线过电压的限制是否与500kV系统一致，下面分别通过对1000kV短线路和长线路过电压的计算进行分析说明。

（1）短线路过电压分析

以长度为100km的1000kV线路为例，对合空线过电压进行计算，计算结果如图6-45所示。

图6-45　长度为100km的1000kV线路合空线过电压的沿线分布

根据计算结果，可知：

①对于较短的线路，在无措施时，仅能将过电压限制在1.8p.u.附近，因其超过规程允许值1.7p.u.，达不到特高压系统规程规定的要求。

②当沿线增加3组MOA共同防御后，才能将过电压限制为满足规程要求的1.6p.u.，但裕度较低，可见仅采用MOA措施限制特高压过电压的难度较高；但当采用合闸电阻措施后，该过电压得到了明显限制。其幅值仅为1.17p.u.，裕度较大，效果显著。

（2）长线路过电压分析

由于我国特高压交流线路一般较长，如晋东南—南阳—荆门线路两段长度均在300km左右。故以长度为300km的线路为例进行分析，结果如图6-46所示。

图6-46　长度为300km的1000kV线路合空线过电压的沿线分布

由图6-46可见，对于长度为300km的线路，即使沿线增加3组MOA，过电压仍大于1.7p.u.，难以得到较好的限制，考虑到再增加MOA会导致故障率增高以及经济性不合理等问题，故认为仅采用沿线增加MOA的措施是不合适的；而采用合闸电阻措施后，该过电压幅值为1.5p.u.，得到了有效限制，且裕度较大。

综上，对于1000kV特高压交流输电线路，即使线路长度短至100km，不采取合闸电阻时，合闸过电压仍然会超过1.7p.u.的限制水平。因此，从合闸过电压控制的角度出发，1000kV特高压断路器一般都需要加装合闸电阻。

（3）合闸电阻与线路长度关系的研究

事实上，国内外所有有特高压线路的国家，如苏联、日本、美国等，均采用了合闸电阻。且实际运行经验表明，采用合闸电阻能有效防御合闸过电压，效果较好。

因线路长短有差别，这些国家对合闸电阻的取值也存在着差异。线路长度较短的国家，如日本和意大利，采用的合闸电阻取值较高，分别为700Ω和500Ω；而线路长度较长的国家，如苏联和美国，采用的合闸电阻取值则较低，分别为378Ω和300Ω。

不同线路长度下合闸电阻阻值对过电压的影响的计算结果如图6-47所示。

图6-47　不同合闸电阻下的合空线过电压

由图6-47可见，随着合闸电阻阻值的增加，沿线最大过电压幅值曲线均先减后增呈现“V”形，不同线路长度下存在一个最合适的阻值使得过电压最低；经过合闸电阻限制后的最小过电压随长度的增加而逐渐增高，但均小于1.25p.u.，限制效果显著，见图6-48；当较长的线路采用较低阻值的合闸电阻，而较短线路采用较高的阻值时，更有利于过电压的控制，见图6-49。

图6-48　合适电阻下的最小合空线过电压

图6-49　不同长度下的合闸电阻的最合适阻值

出现这种现象的原因分析如下：合闸电阻的使用可分为图6-50所示的两个过程，先将电阻接入电路（合闸Q2），一段时间后再将电阻短接退出（合闸Q1），从而可缓和线路冲击，降低过电压幅值。其中，合闸电阻的接入和退出均可导致过电压，接入时希望合闸电阻越高越好，而退出时希望合闸电阻越低越好。

图6-50　合闸电阻示意图

此外，由于特高压空载线路的容抗远大于线路感抗，故空载线路可用电容来等效。在采用合闸电阻后，线路上的电压大小是电容与合闸电阻的分压结果，如图6-51（a）、（b）所示。

图6-51　合闸电阻接入与退出过程

合闸电阻的接入过程如图6-51（a）所示。在阻值相同的情况下，线路越长，线路等效电容C就越大，容抗XC就越小，在稳态后该电容所分担的电压就越低。根据过电压幅值的估算公式

式中，UC为稳态后电容所分担的电压，U稳态=UC；U初始=0

可知，线路越长，过电压反而越低。如图6-52所示，接入过程中，在相同合闸电阻的情况下，较长线路的过电压低于较短线路。

合闸电阻的退出过程如图6-51（b）所示。退出前线路电容所分担的稳态电压UC成为初始电压，退出后的稳态电压为电源电压UE（为固定值）。因此，由估算公式可得：

式中，U稳态=UE；U初始=UC

所以，线路越长，UC越低，因而过电压越高。如图6-52所示，退出过程中，在合闸电阻相同的条件下，较长线路的过电压高于较短线路的过电压。

图6-52　较长及较短线路最合适合闸电阻阻值分析图

注：图中交叉点的横坐标即为该长度下控制合闸过电压的最合适合闸电阻阻值

由图6-52可知，对于接入过程，过电压随合闸电阻的增加而降低；对于退出过程，过电压随电阻的增加而升高。所以存在一个合适的合闸电阻阻值使得这两个过程产生的过电压在整体上最低，即与图中同一长度线路的接入过程曲线和退出过程曲线的交叉点相对应的合闸电阻阻值。而且较长线路对应的最合适合闸电阻阻值较低，较短线路对应的最合适合闸电阻阻值较高。

从能量角度分析，上述趋势也是合理的。线路越长，合空线过电压越严重，合闸电阻所吸收的能量也应随之增加，而合闸电阻的吸收能量随其阻值的减少而增加，因此，长线路采用低电阻，可吸收更大的能量，更好地降低过电压。根据计算，不同合闸电阻所要求的最大允许吸收能量如表6-45所示。

表6-45　合闸电阻最大允许吸收能量