如何有效避免空载线路合闸过电压？

在电力系统中,空载线路的合闸也是常见的一种操作。通常分成两种情况:正常(计划性)合闸和自动重合闸。由于初始条件的差别,重合闸过电压是合闸过电压中较为严重的情况。

(一)过电压产生的物理过程

1.正常合闸过电压

由于正常运行的需要而进行的合闸操作称为正常合闸。例如,线路检修后投入运行、根据调度需要对送电线路的合闸操作等,也称为计划性的合闸操作。这种情况下,合闸前,线路不存在接地故障,三相对称,为零初始状态。假设三相接线完全对称,且三相断路器同时合闸,则可按单相电路进行分析。等值电路如图3-26所示。

在合闸初瞬,电源电压通过L S对C T充电,回路中将发生高频振荡,振荡频率为f 0=1/(2π)。可以认为在较短的时间内电源电压e(t)为恒定值,它与合闸时电源的相角有关。最严重的情况是在电源电压e(t)为幅值E m时合闸,此时可以看作是合闸于直流电源E m的振荡回路,则合闸过电压的幅值=稳态值+(稳态值-初始值)=E m+(E m-0)=2E m。过电压波形如图3-27所示。

图3-26　空载线路合闸的等值计算电路

L S—系统等值电感;C T—线路对地电容;e(t)—电源电势

图3-27　合闸过电压的波形

考虑到回路中存在损耗,最严重的过电压低于2E m。另外考虑到输电线路的电容效应使交流电压升高,我国实测到的过电压的最大倍数为1.9～1.96p.u.倍。

2.自动重合闸过电压

运行中的线路发生故障,由继电保护系统控制跳闸后,经过一短暂时间再合闸,即为自动重合闸操作,这也是系统中经常遇到的一种操作。如图3-28所示,当C相接地时,K 2先跳闸,然后K1跳闸。在开关K 2跳闸以后,流经开关K 1中非故障相的电流是线路电容电流。当电流为零、电源电压达到最大值E m的时刻,K 1熄弧,于是在健全相线路上将留有残余电压。考虑到线路单相接地、空载线路的电容效应,该残余电压的数值会略高于E m,平均残余电压为u T=1.3E m。在开关K 1重合闸前,线路上的残余电荷将通过线路泄漏电阻入地,残余电压将按指数规律下降,110～220kV线路残余电压变化的实测曲线如图3-29所示,残余电压的下降速度与线路绝缘子的污秽状况、气候条件有关。

图3-28　自动重合闸示意图(https://www.xing528.com)

设K 1重合闸前,线路残余电压已下降了30%,即u r=(1-0.3)×1.3E m=0.91E m。最严重的情况是电源电压与线路残余电压反极性,并且为峰值-E m时合闸,这时线路发生高频振荡,稳态值为-E m,初始值为0.91E m,故最大值为

图3-29　实测120～220kV线路残余电压的下降曲线

如果不考虑线路电荷泄漏,过电压还会更高;但重合闸时刻电源电压不一定为-E m,这时过电压就比较低。

若采用单相重合闸,只切除故障相,则因线路上不存在残余电荷,重合闸时就不会出现高值的过电压。

(二)影响过电压的因素

根据以上分析,合闸空载线路过电压以重合闸的情况最为严重。实际上,过电压的幅值受到很多因素的影响,如系统参数、结构及运行方式等;此外,如合闸相位、三相断路器合闸动作的不同期等随机性的因素,不但影响过电压数值,还使其具有统计性质。

1.合闸相位

如果合闸不是在电源电压接近幅值时发生,则合闸过电压较低。电源电压在合闸瞬间的瞬时值取决于它的相位,它遵从于统计规律。由于断路器在合闸时有预击穿现象,因此较常见的合闸是在接近最大电压时发生的。对油断路器的统计表明,合闸相位多半处于电源电压最大值附近的±30%范围之内。但对快速的空气断路器与SF6断路器,预击穿对合闸相位影响较小,合闸相位的统计分布比较均匀。

2.回路损耗

回路损耗主要来自电源和线路电阻的有功损耗,以及过电压超过导线电晕起始电压的电晕损耗。这些都会使过电压降低。

3.线路残余电压的大小与极性

残余电压的大小取决于故障引起分闸后非故障相上残余电荷的泄漏速度。在重合闸之前,导线上的残余电荷在这段时间内会泄放一部分,一般会在0.3～0.5s内使残余电压下降10%～30%,因而有助于降低重合闸过电压的幅值。

另外,空载线路合闸过电压还与系统参数、电网结构、断路器合闸时三相的同期性、母线的出线数、导线的电晕等因素有关,这里不作一一分析。