6.1 特高压交流系统操作过电压分类与限制方法

6.1.1 特高压交流系统操作过电压分类

操作过电压的研究是与电力系统的发展紧密联系在一起的。在电力系统发展初期，由于电网中性点不直接接地，单相间歇电弧接地引起的过电压对电力系统危害最大，因而对它的研究成为了重点。以后，随着电网额定电压、线路长度以及传输容量的提高，系统中性点采用直接接地方式，开断空载变压器（简称切空变）过电压和开断空载线路（简称切空线）过电压变得突出起来，而其中切空变过电压能量较低，可用避雷器防护，因此切空线过电压成为了高压电网中操作过电压的研究重点。近年来，随着超高压、远距离输电线路的建设和发展，操作过电压又出现了新的情况，如空载长线的电容效应引起工频过电压大幅升高，在此基础上就有可能出现幅值很高的空载线路合闸（包括重合闸）过电压。而随着断路器性能的改善和并联电抗器的应用，切空线过电压的幅值和出现的概率都大为减小。因此，在超高压电网及特高压电网中，空载线路合闸（包括重合闸）过电压成为了最典型、最严重的操作过电压之一，它成为最需要重点关注的研究对象。另外，在超高压电网并不突出的接地故障过电压和分闸过电压等，在特高压电网中也变得严重起来，它也成为需要重视的研究对象。

研究认为，特高压系统主要考虑以下类型的操作过电压[1][3]:①接地故障过电压，其中主要是单相接地过电压；②合闸过电压，包括合闸空载线路（简称合空线）过电压和单相重合闸过电压；③分闸过电压，包括甩负荷过电压和故障清除过电压。

6.1.1.1 接地故障过电压

对于接地故障过电压，国内外超、特高压系统的实践运行表明，绝大部分为单相接地故障，两相和三相接地故障出现概率很小，所以在该过电压的研究中应重点关注单相接地故障过电压。

由于单相接地故障过电压的发生具有随机性，发生时刻、接地位置等一般都难以预知，因而难以防御，且在其持续过程中断路器来不及动作，故分合闸电阻对此不起限制作用。所以，目前除了MOA和高抗补偿这两种具有一定限制效果的措施外，没有其他更好的限制措施。

下面来比较一下国内外特高压对单相接地故障过电压的限制情况。

日本特高压线路较短，单段线路最长不超过200km，照通常理解其单相接地过电压并不会十分严重，但由于日本全线不采用高抗补偿，而只在线路的两端各采用一组MOA加以防护，在这种运行方式下该过电压可达1.6p.u.。另外，由于日本在断路器中采用了合分闸电阻，在其作用下，分闸与合闸过电压通常可以被限制到比较低的水平，这使得单相接地故障过电压在所有过电压中反而显得突出起来。因此，在日本的特高压系统中单相接地故障过电压对系统的绝缘配合起到了决定性作用。

苏联特高压线路横跨欧亚，绵延千里，单段线路较长，为了限制操作过电压，同时采用了加装MOA和采用高抗补偿的措施，而且每150km进行分段补偿，在这种运行方式下单相接地故障过电压可以被较好地限制在允许范围之内。

我国幅员辽阔，特高压线路承载着远距离、大容量的传送任务，线路一般也会较长，其中已建的晋东南—南阳—荆门特高压线路全长636 km。这种情况下，我国不仅在线路两端加装MOA和采用较高补偿度的高抗，而且在线路中间建有开关站并设置MOA和分段补偿，使单相接地过电压得到了有效限制，相比于其他过电压显得较低，对线路绝缘配合不起控制作用。

总之，采用MOA以及合理的高抗补偿方式是限制特高压系统中单相接地故障过电压的主要措施。在限制较长线路的单相接地故障过电压时，通过适当分段在线路中间设置开关站来采用高抗补偿和加装MOA是最有效的限制方式。

6.1.1.2 合闸过电压

合闸过电压是电力系统内进行合闸操作时产生的过电压，按产生过电压的操作可分为合空线过电压与重合闸过电压两种。其中，合空线过电压是空载线路进行计划性合闸操作时产生的过电压，重合闸过电压是运行线路发生故障跳闸后，经过短暂灭弧时间后重合闸时产生的过电压。

前面已经提到，特高压系统的单相接地故障发生比例最高，宜采用单相重合闸操作。由于这种情况下故障相线路上不存在残余电荷，加之系统零序回路的阻尼作用大于正序回路，使得单相重合闸过电压往往比三相重合闸过电压低得多，容易得到控制。故从控制过电压的角度考虑，特高压系统中通常都采用单相重合闸。因此，在特高压系统中，主要应考虑对合空线和单相重合闸这两种情况下产生的过电压进行限制。

6.1.1.3 分闸过电压

分闸过电压是电力系统内进行分闸操作时产生的过电压。在系统中常见的是切空线和切空变过电压等，这两种是需要重点防护的分闸过电压类型。与高压系统不同的是，在超、特高压系统中，由于断路器使用SF6作为绝缘介质，灭弧性能优良，断口重燃可能性很低，再加上线路上的高压并联电抗器对断路器断口电压的限制作用，切空线过电压并不高。另外，随着超、特高压变压器性能改善和变压器入口避雷器的限制作用，切空变过电压已经变得很小。因此，在特高压系统中切空线和切空变过电压并不严重。但是由于特高压系统中过电压限值标准的下降，一些原先在高压、超高压中未对系统产生严重危害的其他分闸过电压却可能会在特高压系统中对设备绝缘产生威胁，如甩负荷和故障清除过电压等。

在特高压交流系统中重点考虑故障清除过电压与甩负荷分闸过电压。甩负荷过电压分为无故障甩负荷和单相接地甩负荷两种情况，它们是特高压线路在运行时，由于故障或其他原因使得断路器三相突然跳闸甩负荷，从而在系统中引起的过电压。故障清除过电压是指在一条线路上发生故障后，故障线路的断路器切除故障线路时在线路的健全相及其相邻的健全线路上产生的转移过电压。按故障类型可分为单相接地、两相接地、三相接地和相间短路故障清除过电压，其中以单相接地最为常见，而后三者发生概率极小，故在过电压分析中通常重点分析单相接地故障清除过电压。

6.1.2 特高压交流系统中操作过电压常用限制方法

目前，世界上多个国家对特高压系统过电压的控制进行了研究和实践应用。各国的常用限制措施如表6-1所示。

从表6-1中可以看出，对于特高压操作过电压，MOA、高抗补偿和合闸电阻是最主要的限制手段，分闸电阻则需要针对不同的情况而定。

下面将对操作过电压的主要限制措施进行介绍。

6.1.2.1 高抗补偿

工频过电压是操作过电压产生的基础，降低工频过电压可有效抑制操作过电压。

超、特高压输电距离远，线路长，其线路的充电功率十分巨大。如500kV线路无功消耗超过100Mvar/百公里，1000kV特高压线路则可超过500Mvar/百公里，线路的容升效应亦十分显著，能引起幅值很高的操作过电压。因此，如不能有效解决线路的无功问题，将会导致沿线工频和操作过电压大幅提高，这对电网安全稳定是十分不利的。为解决这一问题，需要在线路上装设并联电抗器以补偿无功消耗，从而稳定线路电压。首先，使用固定高压电抗器（高抗）补偿线路的大部分无功，其补偿度通常在60%～90%之间，高抗通常被安装在线路的两端；其次，在线路的运行中，通过变压器低压侧的电抗器（低抗）或电容器（低容）实时调节无功补偿量，以满足线路的无功需要，达到稳定电压的目的。

由于特高压线路高抗的存在，使得操作过电压问题不同于低电压等级电网。对于单相重合闸来说，高抗的使用降低了故障线路非故障相的感应电压，只要高抗和其中性点连接的小电抗配合得当，就能有效地抑制这种过电压；对于合空线和甩负荷过电压，线路末端的高抗在一定程度上钳制了操作后末端电压的升高，改善了沿线的过电压分布，降低了过电压幅值。

此外，特高压可控高抗已率先在中国研发成功，但其应用效果还有待在实践中进一步检验和完善。

6.1.2.2 金属氧化物避雷器（MOA）

性能优良的MOA是控制特高压输电线路过电压水平的关键装置。苏联1150 kV线路初建时采用带间隙的阀式避雷器，系统操作过电压水平取为1.8 p.u.，改用ZnO避雷器后，过电压水平可降至1.6 p.u.；日本采用ZnO避雷器，系统操作过电压水平取为1.6 p.u.；美国BPA研制的避雷器在电流为26kA时的残压为1.83p.u., AEP研制的避雷器在电流为40kA时的残压相当于1.72p.u.。

我国近年来十分重视对MOA的研制，其限制过电压的能力不断提高，目前已成为了我国特高压交流电网过电压限制的主要设备，表6-2是我国特高压MOA的主要参数[5][6]。

6.1.2.3 断路器合闸电阻

超、特高压运行实践证明，合闸电阻限制过电压的效果十分理想，是控制特高压操作过电压的关键装置之一。因此，目前世界各国在特高压断路器中无一例外地都采用了合闸电阻。

合闸可以分为两个过程，其原理示意图如图6-1所示，先合开关Q2，将电阻R接入电路，以吸收能量，减少线路冲击；一段时间后再合开关Q1，将电阻R短路。合闸电阻的接入和退出均会产生过电压，接入时希望合闸电阻越高越好，退出时则希望合闸电阻越低越好。故应综合分析后得到合适的电阻值，以使产生的过电压最小。

早期合闸电阻制造工艺不够完善，国内外都有报道合闸电阻发生事故的情况，影响了系统的安全运行，如据1994年不完全统计，我国500kV合闸电阻的损坏相数已达15相·次。这使得人们在一定程度上对合闸电阻可靠性产生了怀疑，以致在部分超高压工程中取消了合闸电阻的使用。但随着近年来断路器制造水平的提高，特别是对特高压断路器的制造要求更加苛刻，其性能逐渐优化完善，由合闸电阻引起的事故已经十分少见。截至目前，国内外还没出现特高压合闸电阻的爆炸事故。

使用合闸电阻需要解决的关键问题是控制电阻吸收能量不超标，以保证顺利合闸以及断路器的安全运行。合闸电阻最大吸收能量允许值按公式（6-1）计算，具体为

式中：U为断口电压最大值，考虑反相合闸可能性，取两倍相对地工作电压；R为合闸电阻值；t为合闸电阻接入时间，通常在8～12ms之间，考虑该参数的分散性，设计中从严并考虑适当裕度，合闸电阻接入时间可取13 ms。

由此可见，设计中为保证断路器合闸电阻的可靠稳定性，最大吸收能量考虑了实际运行中极罕见的最严重情况。

以上讨论的是断路器增加一级合闸电阻的情况，多年来有的文献资料对限制效果更好的多级合闸电阻也进行了研究。多级合闸电阻是考虑过电压情况下合闸电阻接入和退出时的不同阻值要求，通过高阻值接入、中阻值过渡、低阻值退出来降低合闸冲击，从而更好地限制过电压[7]。然而，由于其结构复杂、制造难度大、成本高等问题，这种措施难以在超、特高压系统中得到实际应用。

6.1.2.4 断路器分闸电阻

特高压系统中，一些分闸过电压较为严重，分闸电阻是对其进行限制的一种方法。目前，日本和意大利采用分闸电阻，并且与合闸电阻共用。

分闸电阻原理示意图如图6-2所示。分闸有两个过程：先分开关Q1，将分闸电阻R接入电路，吸收能量，减少线路冲击；一段时间后分开关Q2，将线路断开。在分闸操作的两个过程中，从降低触头间的恢复电压考虑，断开Q1时希望R小些，断开Q2时的时候，希望R大些，因而也需综合考虑分闸电阻的取值。

断路器分闸电阻能限制分闸过电压，但分闸电阻同样存在故障率高、热容量大等问题，故在特高压断路器中是否采用分闸电阻值得进一步讨论。

6.1.3 特高压交流系统操作过电压新型限制方法

6.1.3.1 操作过电压深度限制的必要性

随着输电系统电压等级的升高，操作过电压对输变电设备绝缘水平的影响越来越大，须将操作过电压倍数限制得越来越低，我国各电压等级系统允许的操作过电压倍数见表6-3[1][8]。从超高压330 kV电压等级起，操作过电压对输变电设备的绝缘水平开始起着控制作用。在特高压输电系统中，空气间隙操作冲击放电电压的饱和特性更加显著，深度降低操作过电压水平对减小线路空气间隙有至关重要的作用，表6-4给出了操作过电压从1.7p.u．下降到1.6p.u.，不同海拔高度的塔窗中相V串、边相V串和边相I串空气间隙减小情况。由表6-4可见，操作过电压仅降低0.1p.u.，空气间隙就平均减小了0.6m，另外，操作过电压水平对输变电设备的制造难度亦有一定影响[9]，因此，深度降低操作过电压倍数是十分必要的。

6.1.3.2 操作过电压常用限制方法及其不足

目前，降低操作过电压主要采取两种方案：

（1）金属氧化物避雷器和断路器加装合闸电阻两种措施联合使用。两者共同作用可将系统的最大相对地2%统计操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.。但是，由于合闸电阻在运行可靠性和经济性方面仍存在较大不足，断路器加装合闸电阻后机构复杂，大大增加断路器的运行风险，同时断路器加装合闸电阻后成本增加较多，故电力系统运行部门和制造厂商均倾向于在系统条件允许情况下断路器不采用合闸电阻。

（2）当两个特高压变电站之间的线路较短时，将避雷器额定电压降低，也可以将系统操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.。例如，淮南～南京～上海交流特高压输电工程中的最短线路段——苏州～上海段的线路长度仅为60 km，如果不采用断路器加装合闸电阻，仅采用金属氧化物避雷器，须将金属氧化物避雷器的额定电压从目前的828kV降至804kV（额定电压降低了3%），避雷器的荷电率将从目前的0.77升高至0.79。但再长一点的线路，即使将避雷器额定电压降至804kV也无法满足要求。例如雅安～武汉交流特高压输电工程在规划阶段，最短线路段——雅安～乐山段的线路长度为85.5 km，采用804kV的避雷器仅能将沿线过电压降至1.74p.u.，仍然无法满足要求，必须将避雷器的额定电压降至更低，甚至需降至762kV（额定电压降低了8%）才能满足要求。此时避雷器的长期运行荷电率将从目前的0.77升高至0.83，从而使避雷器电阻片在正常运行下的老化速度加快，可靠性裕度大大降低。而且使用762kV避雷器的前提条件还必须是将系统工频过电压限制在母线侧1.2p.u.、线路侧1.3p.u.，使用条件极其受限。

因此，一种自适应运行条件变化的操作过电压柔性限制方法能够较好的解决上述方法存在的问题[10]。该方法的核心内容是将在变电站线路侧安装可控避雷器和在线路中部安装常规避雷器结合起来，深度降低操作过电压，取消断路器合闸电阻，如图6-3所示。

6.1.4 特高压交流系统操作过电压限值

特高压系统操作过电压具有自身的特点，与超高压相比，特高压额定电压更高、暂态过程更激烈，而且，对其操作过电压的限制要求比超高压更为严格。目前，我国特高压系统相地过电压的限制要求为1.7p.u.（我国特高压系统规定1p.u.=1100=898kV），低于500kV系统的2.0p.u．和750kV的1.8p.u.，这也符合电力系统发展中每提高一个电压等级，其操作过电压的最大限制水平就有所下降的规律[1]。

由于过电压限值标准的下降，部分在较低电压等级中未对系统产生危害的过电压，却有可能会影响特高压系统安全。因此，在特高压系统中，不仅需要重点限制合闸过电压（超高压系统中需要重点限制的过电压），而且要重视对接地故障和分闸等过电压的防护。

在特高压系统中，通常以降低接地故障过电压幅值作为对操作过电压限制的基本目标，并将合闸与分闸过电压控制在与其相当的范围内。国内外研究资料表明，特高压线路的接地故障过电压一般在1.4～1.8p.u．的范围内，所以，世界上各国对特高压操作过电压的限制标准也在此范围之中，如表6-5所示[1]。