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1、天津东疆港220kV电源线操作过电压研究刘英英1刘冬梅1（天津电力设计院 天津市 300200）摘要电网中的电容、电感等储能元件，在发生故障或操作时，由于其工作状态发生突变，将产生充电再充电或能量转换的过渡过程，电场能和磁场能相互转换、震荡，从而导致了操作过电压的出现。由于电力电缆具有相对于架空线很大的电容，220kV含长电缆线路的操作过电压问题需要引起重视。天津东疆港站220kV电源线为电缆与架空线混合线路，电缆线路较长，本文对该系统的220kV线路进行了操作过电压研究。本文从理论上分析了合闸空载线路（架空与电缆的混合线路）操作过电压中影响过电压值的因素，根据东疆港滨海以及东疆港鄱阳路220
2、kV线路的实际情况，预测合闸空载线路时线路过电压的沿线变化情况，得出沿线电压大致呈首端低、末端高的变化趋势，同时计算结果表明该系统的操作过电压能够在规定的允许范围之内。并且，由此展开研究仿真计算了总长一定的架空、电缆混合线路产生的最大过电压值随架空线（电缆）长度变化的趋势。从而得出，长电缆线路与一定长度架空线的混合线路中，比在同样长度的纯电缆线路中，将可能出现更为严重的过电压。关键词操作过电压；合闸空载线路；架空与电缆混合线路1 引言近年来，电缆得到了越来越广泛的应用，尤其是超高压、大截面、长距离电缆的应用产生的过电压问题备受关注。电力电缆具有相对于架空线很大的电容，尤其是现在大力发展的交联聚
3、乙烯电力电缆，其单位长度电容是架空线的10倍以上。由于电缆的这一特点，220kV的长电缆线路特别是架空线与长电缆混合线路的内过电压可能超过规定的范围，因此对其进行分析十分必要。操作过电压是决定电力系统绝缘水平的依据之一。在电力系统运行中，空载线路合闸是电网中常见的操作。随着避雷器的使用、断路器性能的改善以及并联电抗器的存在等因素，使得开断感性、容性负载等操作过电压的幅值和出现的概率大大减小，而合闸（重合闸）空载线路过电压成为最典型的操作过电压，是选择电网绝缘水平的决定因素。本文将主要针对架空、电缆混合线路的合闸空载线路过电压展开研究。对于220kV及以下系统，通常设备的绝缘结构设计允许承受34
4、倍的操作过电压。根据文1，220kV线路合闸和重合闸过电压一般不超过3.0p.u.（1.0p.u.=252kV）。2 东疆港合空线过电压2.1 理论分析合空载线路产生的过电压是由合闸时电路的过渡过程引起的，正常合闸时，如果断路器三相同期合闸，合闸过程可按单相电路进行分析。下面对长电缆线路与较短架空线混合线路产生的合空线过电压进行理论分析24。图1所示为长度为l1的架空线与长度为l2的电缆混合线路的单相集中参数等值电路。图1 电缆与架空混合线路的理想等值电路图中，电源电压，LS表示电源等值电感，L1 、C1表示单位长度架空线的电感和电容值，L2 、C2表示单位长度电缆的电感和电容值。则流过电缆电
5、容的电流与流过架空线电容的电流比值为 (1)忽略式(1)中极小项，有，由于电缆的电容效应远大于架空线的电容效应，取，若有，说明流过架空线的电容电流很小。故在本节分析时将架空线的电容忽略。电路简化为图2所示。图2 电缆与架空混合线路的简化等值电路图中，。对图2列出QF关合时的电路方程，如下： (2)解得 (3) 其中，U0表示电容C的初始电压值。 (4)可见，合空载线路操作中影响过电压值的因素有如下几个：U0值，亦可表示为合闸时线路上的残余电荷，当为重合闸空线时由于残余电荷的作用将可能产生比合闸空线更为严重的过电压；值，即合闸瞬间电源的初相位角；值，由式(4)可以看出，影响该值的因素有架空和电缆
6、的长度、电容及电感单位值。由式(3)可以看出，当关合空载线路时，若U0与极性相反，可出现大于2的过电压。例如：=，=-900时，此时对于同样的外部及内部条件，可出现最大过电压。同时，架空及电缆的长度、单位电容、单位电感值越大，相应产生的过电压也会越大。2.2 东疆港电源线路合空线过电压计算2.2.1系统概况在东疆港输变电工程中，其电源线滨海东疆港以及鄱阳路东疆港，都为含长电缆的架空与电缆混合线路，可能出现较为严重的过电压问题。本文利用EMTP/EMTPE对其过电压进行计算。本文研究对象系统简化接线如图3所示。图3 系统简化图鄱阳路东疆港为LGJ-6302架空线2.7km、截面为2500mm2电
7、缆8.9km；滨海东疆港为LGJ-6302架空线8.82.7km、截面为2500mm2电缆8.9km；其中滨海东疆港线路与滨海鄱阳路、鄱阳路东疆港同路。利用EMTP/EMTPE中的线路支持程序对架空及电缆线路计算电气参数，得到地下电缆及架空线的序参数如表1、表2所示5：表1 地下电缆参数电阻（W/km）电抗（W/km）电容（mF/km）正序0.0100.1550.231零序0.0950.0650.231表2 同塔双回路序参数电阻（W/km）电抗（W/km）电容（mF/km）零序10.31881.15500.0047零序20.02530.34690.0104正序0.02430.28230.013
8、0（注：零序1表示每个回路内的零序参数，零序2表示两个回路间的零序耦合参数。）2.2.2计算结果操作过电压计算存在很大的随机性。本文在计算操作过电压时，考虑了断路器合闸时间的随机性。断路器随机合闸100次，取每次合闸三相中最高过电压值进行统计。另外，架空线路与电缆线路的最高过电压计算方法有所区别。对于线路上的空气间隙和绝缘子串，是自恢复绝缘，因此一定的闪络率（如不大于1%）是可以接受的。但是，电缆的绝缘为非自恢复绝缘，那么即使这样的闪络概率也是不允许的。因此，在进行架空线路部分的绝缘配合时，通常考虑的是统计过电压；而进行电缆部分的绝缘配合时，则考虑的是最大过电压。在本研究中，最大过电压可按均值
9、3.5s来考虑。此时，相对地操作过电压超过该值的概率只有0.02%，可以认为是最大过电压。东疆港滨海和东疆港鄱阳路220kV线路的过电压沿线分布分别如图4和图5所示。图中给出的是100次统计计算中的最大值。可以看出，由线路首端到线路末端，沿线电压大致呈首端低、末端高的趋势。图4 东疆港滨海220kV线路的沿线电压分布图5 东疆港鄱阳路220kV线路的沿线电压分布从图中可以看出: 东疆港滨海线路、东疆港鄱阳路线路合闸空载线路时沿线最高操作过电压小于3.0p.u.。最高操作过电压均出现在线路潮流末端，并且该方式下东疆港滨海线路的情况较东疆港鄱阳路线路严重，这主要由于长线路及电缆的电容效应使潮流受端
10、线路侧的过电压更加严重。3 扩展分析3.1 理论分析电容及电感的单位值一定的情况下，若架空及电缆的总长度相同，架空线及电缆的长度不同会更大程度地影响过电压值。下文将具体分析当外部及内部条件一定时，长电缆线路与一段架空线相接时，首末端电压差将高于同样长度纯电缆线路时的首末端电压差。由式(4)，设，则 (5)忽略，当时，取最小值。此时U C (t)可取最大值。对式(5)，取架空线与电缆总长度为10km；、取用东疆港电源线中所算参数，得出与关系理想曲线如图6所示。图6 总长一定时随架空线长度变化趋势从U C (t)的表达式可以看出，在其它变量一定时，U C值与呈相反趋势变化，即变小时U C值增大，反
11、之亦然。对式(3)取同一瞬时截面时，U C (t)与关系理想曲线如图7所示。图7 总长一定时U C (t)随架空线长度变化趋势可见，在一定长度的架空线与电缆的混合线路中，比在同样长度的纯电缆线路中，将可能产生更为严重的过电压，且在架空线一定范围增长时过电压值随架空线长度增加而增加，直至达到极值，继而变小。3.2 计算实例为研究总长一定的线路随电缆与架空线长度不同过电压的变化趋势，取滨海东疆港线路总长为例，当架空线长度在020.4变化时，得到全线最大过电压倍数随架空线长度变化趋势如图8所示。图8 总长一定时沿线最大过电压值随架空线长度变化曲线从图8可以看出，在本节取定总长度线路，过电压最大值随架
12、空线长度增大小幅增长后有趋于减小的整体趋势。其间下降过程中出现两次局部极值，可认为是由于操作过电压计算方法的统计性尤其是架空与电缆线计算方法不同产生的误差。因此，本节所作研究仍可佐证“在取定总长度线路，过电压最大值随架空线长度增大小幅增长后有趋于减小的整体趋势”。可见，长电缆加一段架空线比在同样长度的纯电缆线路中可能产生更大的过电压。根据3.1节所述情况，这一规律是否成立以及其变化特点取决于架空线与电缆的单位参数值。4 结论本文所研究课题针对东疆港220kV输变电工程，预测东疆港电源线可能产生的操作过电压问题，而合闸空载线路是操作过电压中最典型操作，也是最易出现过电压问题的操作形式。本文从理论
13、及实际计算上分析了合闸空载线路的沿线过电压问题。并由此展开研究，分析了在总长度一定的架空、电缆混合线路中的过电压问题，得出在架空与电缆的混合线路中比在同样长度的纯电缆线路中，将可能出现更大的过电压。参考文献1交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T6201997），电力工业部2解广润 电力系统过电压，武汉水利电力学院3马晓红 李翱鹏 含长电缆线路的操作过电压的研究，贵州电力技术，2006 (2)4苗辉 常金平 李学云 限制关合空载输电线路过电压，配电技术，20035王晓彤 东疆港滨海和东疆港鄱阳路220kV输电网的电磁暂态研究R，北京：中国电力科学研究院，2008 作者简介：刘英英(1983.1-)女，硕士研究生，从事方向为电网规划、变电站接入系统设计、电力系统自动化等。刘冬梅(1981.10-)女，硕士研究生，从事方向为电网规划、变电站接入系统设计、电力系统自动化等。
