4.5 特高压工频过电压影响因素

本章第一节分析了工频过电压产生的原因，从中可以看出，特高压工频过电压的幅值受到很多因素的影响，这些因素主要包括故障类型、线路长度、等效电源阻抗、接地故障点位置以及输送功率等，下面对这几种因素分别进行讨论。考虑一些主要影响因素对特高压单、双回线路的影响方式基本相类似，故在研究这些影响因素时以单回线路工频过电压为例进行讨论。

4.5.1 线路长度

由于特高压线路既可以用于远距离大容量输电，也可以进行短距离大功率传送以节省经济发达地区高度紧张的线路走廊，其长度变化范围很大（从表4-1也可以看出）。对不同长度特高压线路工频过电压进行仿真，结果如图4-22所示。仿真中为避免其他因素的影响，保持电源阻抗、母线电压和输送功率不变，补偿度分为40%、60%和85%[12][13]。可以看出，特高压线路工频过电压幅值随线路长度的增加逐渐增大。

4.5.2 等效电源阻抗

1）电源阻抗对工频过电压的影响规律

由于特高压线路可承担不同目的的输电任务，特高压线路接入点处的电网状况存在较大差异，即特高压线路电源特性变化范围较大。不同的电源会对特高压工频过电压产生较大影响，故有必要对不同电源特性下特高压线路的工频过电压进行比较研究，得出电源阻抗对工频过电压的影响规律。

电源主要是从两方面对工频过电压产生影响，即电源等效正序阻抗的大小和零正序阻抗比X0/X1。对长度为400km的单回特高压线路工频过电压进行计算，计算中改变电源正序阻抗大小、零正序阻抗比，其他条件保持不变，结果见图4-23。

从图中可以得出两方面的规律：

（1）电源零正序阻抗比X0/X1越大，工频过电压越严重。等值电源零正序阻抗比越大，整个特高压系统的零正序阻抗比则越大，特高压线路发生单相接地故障时对健全相电压的抬升作用越明显，工频过电压越大。

（2）电源零正序阻抗比X0/X1大于2.5时，电源正序阻抗越大，过电压幅值越高；而电源零正序阻抗比小于2.5时，随着电源正序阻抗的增加，工频过电压幅值先减后增。

2）原理分析

输送功率不变时，工频过电压同时受 X0/X1值和电源正序阻抗大小这两个因素的影响。其中X0/X1值影响接地故障对健全相电压抬升作用的大小，X0/X1值越大，接地故障后，健全相电压抬升越大，过电压越严重；电源正序阻抗决定甩负荷效应的强弱，在输送功率不变的情况下，电源正序阻抗越大，甩负荷后母线电压上升幅度越大，系统过电压幅值越高。

特高压输电线路的零正序阻抗比一般约为2.6，当电源阻抗的零正序阻抗比大于2.6时，正序阻抗增加会带动整个系统的零正序阻抗比值增大，从而使接地故障对健全相电压的抬升作用更明显，同时，正序阻抗增加使系统甩负荷效应更明显，故工频过电压会显著增大。但电源阻抗的零正序阻抗比小于2.6时，正序阻抗的增加虽然会加剧甩负荷效应，但却使整个系统的零正序阻抗比值减小，从而使接地故障对健全相电压的抬升作用有所削弱。对于零正序阻抗比小于2.6的情况，当电源正序阻抗值较小时，随着正序阻抗的增加，对健全相电压抬升作用的削弱占了上风，故此时过电压水平随电源正序阻抗增大而降低；当正序阻抗值较大时，随着正序阻抗的增加，甩负荷效应的加强开始占据优势，故此时工频过电压又随正序阻抗的增大而增大。

3）特高压线路电源系统

特高压输电线路电源系统主要有三类，如图4-24所示。第一种电源由超高压系统和特高压变压器构成，点对点特高压线路的电源一般为这种类型；第二种电源是在特高压线路成网后，由相邻的一条或几条特高压线路和其电源构成；第三种电源则由以上两种电源并联同时连接在特高压线路上。

在特高压发展初期，主要以点对点线路为主，电源一般也为第一种电源。此种电源由于经过特高压变压器与超高压线路相连，由于特高压变压器正序阻抗大、零正序阻抗比小，导致第一类电源系统等值阻抗的正序阻抗大、零正序阻抗小。第二类电源是在特高压线路成网之后才形成，此时特高压系统网架结构坚强，其电源等值阻抗较小，而由于与线路相连，故此类电源零正序阻抗比与特高压线路零正序阻抗比接近，大于第一类电源。为获得更多电压支持，特高压线路节点上一般都会通过特高压变压器接入超高压系统，这就产生了第三类电源系统，实际上它是前两类电源系统的综合，故其电源阻抗和零正序阻抗比也处于前两类电源系统之间。

4）孤岛电源的特高压线路工频过电压

如上文所述，在特高压系统建设初期，电源系统较为薄弱，其中包括蒙西、山西这一类孤岛煤电基地。孤岛电源结构简单，仅通过特高压线路与主网架相连，其等值阻抗很大，在输送大功率时，若发生三相甩负荷故障，可造成非常严重的工频过电压，必须给予充分的重视。

这一类特高压线路上工频过电压较为严重，但也不是不能被限制。由于孤岛电源阻抗较大，线路输送的功率往往相对较小，加装大容量高抗时，无功平衡更容易被满足，从而为加装大容量高抗提供了条件，这样更有利于对工频过电压进行限制。

4.5.3 接地故障点位置

接地故障点不同时，工频过电压幅值一般也不同。故有必要研究故障点位置对工频过电压幅值的影响规律，确定产生较高幅值工频过电压的故障点位置，以对其进行重点考虑。

1）算例

对长度为400km的单回特高压线路，计算高抗加装在送端、受端和均匀分布在两端三种情况下，沿线各点发生单相接地时甩负荷过电压，高抗总补偿度取为85%，电源零正序阻抗比取为1.4。该过电压主要与多个因素有关，首先是高抗的补偿方式（送端、受端或两端平均补偿）及其高抗补偿度，其次是发生甩负荷的方式（送端甩负荷或受端甩负荷），然后是沿线发生单相接地故障的位置（送端、受端或者位于线路的其他位置），另外还与电源的阻抗特性（电源零正序阻抗比）相关。

（1）送端补偿

图4-25为送端补偿情况下线路沿线各点出现单相接地故障时在送端和受端甩负荷两种方式下的全线过电压最大值的变化情况。从图4-25中可以看出，线路受端甩负荷时，随着故障点向甩负荷端移动，过电压逐渐升高，产生最大过电压的接地故障点位于线路甩负荷后线路末端（受端，图4-25中点N1处）；而线路送端甩负荷时，随着故障点向甩负荷端移动，送端甩负荷过电压呈现先增后降的趋势，产生最大过电压的接地故障点并不在甩负荷端（送端，点M1处），而是位于线路中间（点A1处）。

（2）受端补偿

图4-26为受端补偿线路沿线各点出现单相接地故障时在送端和受端甩负荷两种方式下全线过电压最大值的变化情况。从图4-26中可以看出，线路送端甩负荷时，随着故障点向甩负荷端移动，过电压逐渐升高，产生最大过电压的接地故障点位于线路甩负荷端（送端，图4-26中点M2处）；而线路受端甩负荷时，随着故障点向甩负荷端移动，送端甩负荷过电压先增后降，产生最大过电压的接地故障点位于线路中间（点A2处）。

（3）两端补偿

图4-27为两端平均补偿情况下线路沿线各点出现单相接地故障时在送端和受端甩负荷两种方式下的全线过电压最大值的变化情况。在距甩负荷端约80km处发生单相接地时产生的工频过电压幅值最大（两种方式下的最大值分别出现在图4-27两条曲线的A3、B3处）。

2）电源、高抗与接地点相对位置对工频过电压的影响

由于甩负荷之后短时间内形成电源与接地空载线路相连接的次稳态结构，如图4-28所示。此时，产生较高过电压的接地点位置主要受以下因素影响：电源阻抗特性，以及高抗与甩负荷端的相对位置。

故障点越靠近电源，从故障点向系统看过去的阻抗特性受到电源阻抗的影响越大，而通常情况下等值电源的零正序阻抗比小于线路，所以故障点离电源越近，从故障点向系统看过去阻抗的零正序比越小，过电压幅值越小。

接地甩负荷时，最大过电压一般出现在接地点附近的健全相上。高抗对该过电压最大值有很好的抑制作用，且故障点离高抗越近、高抗容量越大，抑制作用越明显。当接地点靠近甩负荷端，而甩负荷端装有高抗，则故障点附近健全相上过电压将被极大地抑制；否则，高抗对接地点附近健全相上过电压的抑制作用会较弱。这样就使产生最大接地甩负荷过电压的故障点位置向远离高抗的方向移动。

3）接地故障点的确定

在工频过电压计算中，某些研究者将接地点位于甩负荷端作为计算最大接地甩负荷过电压的条件，即只计算送端接地时送端甩负荷过电压和受端接地时受端甩负荷过电压。以该条件计算单端补偿的线路，一般可得出最大过电压。

但对于两端补偿的线路，故障后送端甩负荷过电压和故障后受端甩负荷过电压水平相当，且送端单相接地时送端甩负荷过电压和受端单相接地时受端甩负荷过电压均不是各自的最大值，故此时将接地点位于甩负荷端（末端）作为计算最大接地甩负荷过电压的条件是不合理的。所以在新版本的1000kV特高压输变电工程过电压及绝缘配合规程中，取消了对接地甩负荷过电压中接地故障点位置的规定。

根据以上论述，本书建议单相接地甩负荷过电压应采用以下计算条件：甩负荷端无高抗，则计算末端接地甩负荷过电压即可；若线路甩负荷端装有高抗，应计算沿线各点发生单相接地时的甩负荷工频过电压，根据其最大值确定线路发生单相接地甩负荷时的工频过电压水平。

4.5.4 输送功率

输送功率的变化对特高压线路工频过电压会产生较大影响，故在特高压线路过电压设计中，应对其进行充分的考虑。以单回400km的线路为例，计算输送不同潮流时的工频过电压大小，结果见表4-4。考虑到每回特高压线路的自然功率接近5000MW，线路潮流取为1000～4000MW，并保证各种潮流下母线工作电压不变。

从表4-4可以看出，在保证正常运行时母线电压一致的前提下，同一条线路输送的功率越大，其工频过电压越严重。

通过原理分析可知，这主要由两方面原因造成：

（1）输送大功率时，甩负荷效应更明显。输送大功率越大，正常运行时电源等值电势越高，甩负荷之后母线电压上升幅度越大，过电压越严重。

（2）输送大功率时，线路需要的感性无功小，为达到无功平衡，需在特高压变压器第三绕组上投入低压电容器。功率越大，投入的低压电容器容量越大，对高抗的削弱作用越明显，从而使甩负荷过电压更高。

4.5.5 线路杆塔

由于特高压线路所经地形复杂，各种情况下对导线高度及位置要求不尽相同，故其杆塔参数也存在一定差别。过电压设计中是否需要考虑杆塔参数变化对工频过电压幅值的影响，本节将对该问题展开讨论。以中国单回特高压线路上使用猫头塔为基准（典型设计方案中呼称高度69m，外侧导线距导线中轴线15.7m），计算杆塔高度和外侧导线间距改变之后的工频过电压，结果如表4-5和表4-6所示。

规程规定，单回特高压线路导线对地最小距离为19m（人烟稀少的非农业耕作区），考虑11m的绝缘子长度及15m弧垂，杆塔最低呼称高度为45m；而增大呼高对防雷不利，同时还会增大杆塔尺寸、提高造价，故呼高一般不会较典型设计值有大幅提升，所以表4-5将呼高变化上限取为69m。外侧导线间距主要由绝缘配合中导线与杆塔空气间隙要求决定，一般变化较小，表4-6中取21.4m～41.4m完全包含了外侧导线间距可能的变化范围。

计算结果表明，呼称高度变化对线路工频过电压几乎没有影响。随着外侧导线间距减小，过电压幅值略有上升；而改变外侧导线间距则对线路充电功率有一定影响，间距从41.4m减至21.4m时，工频过电压上升24kV。但总体来说，改变呼称高度和外侧导线间距对特高压线路工频过电压影响很小，可不考虑杆塔变化对工频过电压的影响。

呼高和外侧线路间距对工频过电压的影响可从线路电容进行解释。线路电容越大，电容效应越明显，其工频过电压也越严重。而在相同补偿度下，充电功率大的线路未被补偿掉的电容容量也越大，故其工频过电压幅值越高。改变线路呼高和外侧导线间距对线路充电功率影响很小，故随呼高和外侧导线间距变化时，线路工频过电压变化幅度很小。