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500 kV惠汕输电系统内过电压的研究结果和分析
500 kV惠汕输电系统内过电压的研究结果和分析摘 要 惠汕500 kV输电线路长268 km，由于取消出线断路器的合闸电阻，使统计操作过电压和线路闪络率偏高。为降低统计操作过电压和线路闪络率，设计中在线路中间装设一组线路型444 kV MOA(氧化锌避雷器)，属国内首创；为限制潜供电流，线路两侧各装置一组120 Mvar高抗，但投产前有一组高抗因铁心接地返回制造厂修理。在只有一组高抗，内过电压和潜供电流比较严重条件下，为确保惠汕线按时安全投产，通过反复研究和分析，提出安全措施，使惠汕线顺利投产，并为惠汕线和长线路编制运行规程提供了依据。
1 研究过程及主要结论
1.1 设计阶段的研究结论
1994年，当惠汕输电工程进入初步设计阶段时，广东省电力设计研究院(下简称“设计院”)与原电力部电力科学研究院(下简称“电科院”)共同开展对该工程内过电压的计算研究。该工程踏勘的线路长293 km，研究的关键问题是：在线路两侧出线断路器取消合闸电阻的条件下，如何采取措施把统计操作过电压和线路闪络率限制在规程和规定的范围内，确保输变电设备的安全。由于惠汕线是国内当前不装合闸电阻的最长线路，且需要在线路中间装设一组线路型氧化锌避雷器(属国内首创)，因此，本工程的内过电压研究比短线路复杂得多。如果采用常规的计算模型，即线路参数是固定不变的，则统计操作过电压和线路闪络率均超过规程的规定值，因此本研究采用复杂的J.MAITI模型。这个模型按杆塔的实际尺寸、对地平均距离以及土壤电阻率来进行计算，并考虑线路参数随频率的变化而改变，即顾及线路的高频特性。这个精确模型计算所需时间较长，每种运行方式需要十几分钟(常规模型几秒钟即可计算一种方式)。精确模型的计算结果较之常规模型可降低统计操作过电压10%左右，也相应降低线路闪络率，也就是说，采用精确模型在运行上减少10%的裕度。计算结果见电科院和设计院于1994年11月编制的《惠州—汕头500 kV输电系统内过电压及绝缘配合研究》，该研究的主要结论为：
a)惠汕线两侧需各装1台120 Mvar高压并联电抗器(以下简称“高抗”)，中性点小电抗均取值750 Ω。
b)惠汕线地线材料采用GJ-70型钢绞线是可行的。
c)在线路不采用快速三相重合闸条件下，惠汕线出线断路器可以取消并联合闸电阻。由于取消合闸电阻后线路闪络率仍较高，因此，必须在线路揭阳侧加装一组444 kV氧化锌避雷器(MOA)。在三组444 kV MOA投运后，合空线过电压与线路闪络率均能满足要求(两组母线420 kV MOA在合空线时也投入运行)。
d)在操作过电压下，MOA的最大能耗为允许值的23%；在故障操作过电压下，MOA的最大能耗为允许值的19.6%。因此，把MOA作为操作过电压的主保护，MOA仍有较大的裕度。
e)合汕头空载变压器时，应投入该主变低压侧一组低压电抗器(45 Mvar)，以防止主变发生谐振过电压。
1.2 投产前的补充研究
500 kV惠汕输变电工程于1997年12月18日投产。投产前设备测试时发现汕头侧高压并联电抗器铁心接地，该高抗必须返回厂家修理，不能与工程同时投产。汕头侧高抗对惠汕工程安全投产和运行调度有较大影响，且惠汕线实际长度为268 km(不是1994年在图纸上选线的293 km)，因此，500 kV惠汕输变电工程启动委员会要求对该工程内过电压进行补充研究。
1997年12月上旬，有关人员对线路的参数进行实测，启动委员会又要求按实测参数再进行一次过电压研究，以确保启动的安全。这次研究，我们将母线型避雷器、线路型避雷器、线路中间的避雷器的实际伏安特性，线路的实际长度，汕头侧高抗无法同步投产等实际因素都考虑了进去，采用实测参数进行研究，并采用实际杆塔尺寸按高频特性得出的线路参数进行研究。
这两次补充研究的主要结论是：
a)在汕头侧高抗退出运行时，要延长单相重合闸的重合间隔时间，建议取1.5 s(0 s发生单相故障，0.1 s线路两侧单相开关跳开，1.5两侧单相开关重合)；若线路上有两台高抗运行时，时间间隔可取为1 s。
b)在汕头侧合空线时，合闸前汕头站500 kV母线电压不宜超过530 kV，在系统条件允许的情况下，可以进一步降低合闸前母线电压水平。
c)汕头侧出线断路器至惠汕线第一基杆塔之间的相间最小净距离应大于4.4 m(在不刮风条件下其正常距离为7～8 m，开关操作时如遇刮风，应注意这一距离)。
d)合汕头空载变压器时，合闸前变压器低压侧至少要投入一组低压电抗器，如合闸前汕头站母线电压超过535 kV，宜投入两组或三组低抗，如果汕头站母线电压超过550 kV，或空载变压器低压侧接有电容器时，不宜进行合空变操作，避免主变发生谐振。
e)应投入过电压保护装置，保护整定时间取0.5 s，工频过电压倍数取1.4 p.u.。
f)运行时除按上述要求外，还要参照电科院与设计院1994年11月编制的《惠州—汕头500 kV输电系统内过电压及绝缘配合研究》、1997年11月编制的《惠州—汕头500 kV输电系统内过电压及绝缘配合补充研究之二》等研究报告的其他要求。
2 对实测参数及设备参数计算结果的分析
2.1 实测参数的计算结果
1997年12月上旬，有关人员对线路参数进行实测，其中，正序电容的实测值C1=0.015 19 μF／km，按杆塔的实际排列尺寸及接地方式和土壤电阻率并考虑高频特性计算得到的计算正序电容C1=0.013 17 μF／km，二者相比，实测正序电容大15.34%，即是说，268 km的惠汕线，如按实测电容计，其充电功率相当于309 km的线路。按实测参数进行计算，可得到下列结果：
a)在线路中间有MOA条件下惠汕线合空线最大过电压值达2.14 p.u.，统计操作过电压达2.06 p.u.，超过国家标准2.0 p.u.，如果没有中间MOA(装于揭阳线路侧)，则最大过电压值及统计操作过电压值比上述数值还高。按照国家标准，则惠汕线两侧出线断路器均要装设并联合闸电阻，否则合空线将不会成功，但该工程已临近投产，要装合闸电阻已不可能。
b)由于实测正序电容C1比计算值大15.34%，，造成相间电容相应增大(相间电容
Cφ=(C1－C0)／3。在汕头侧高抗退出运行的条件下，潜供电流达46.6 A，而采用计算所得的正序电容，所得计算结果，潜供电流才29.9 A，二者相比，实测参数的潜供电流大56%，单相重合闸的重合间隔时间必须延长，否则重合闸不可能成功。
2.2 对实测参数的分析
本次惠汕线实测正序电容C1=0.015 19 μF／km，比计算值大15.34%。查阅省内的沙江线实测值C1=0.013 77 μF／km，核增线实测值C1=0.013 μF／km，蓄罗线实测C1=0.013 4 μF／km，罗增线实测值C1=0.013 9 μF／km，查阅国内华北电网大同—金山实测C1=0.013 17 μF／km，广西天平线实测C1=0.013 59 μF／km，天来线实测C1=0.013 59 μF／km，就是说大多数500 kV线实测线路正序电容与计算值十分相近，实测结果的波速均为290 000 km/s以上(本应300 000 km/s，但线路有电阻阻尼)，而惠汕线按实测参数计，其波速为270 000 km/s(波速v=1／L1 C1)，说明实测的正序电容偏大，使波速降低(实测正序电感与计算值相近)。
实测电容偏大的原因，有设备的原因，也有公式换算的原因，如用分布参数计算，比用集中参数计算可缩小3%～4%的误差。
由于采用实测参数进行计算是在投产前几天进行的，为了不影响投产的时间安排，经设计院与电科院取得一致意见，又采用计算参数进行研究。上述投产前两次补充研究的6条结论，主要是采用计算参数的结果而得出的。1997年12月18日，惠汕线顺利投产的实践证明，采用计算参数所得的结果是经得起考验的，是有科学根据的。当然，惠汕线在投产时由于汕头侧高抗无法同步投产，投产时的技术条件相对来说比较复杂和恶劣，能够一次投产成功，是各方共同努力的结果，其中，也有电科院有关专家所作的贡献。
2.3 线路中间避雷器伏安特性对计算结果的影响
惠汕线两侧的线路型氧化锌避雷器444 kV MOA是西安电瓷厂制造的，而线路中间揭阳侧的线路型氧化锌避雷器是西安电瓷研究所特制的，因为线路中间避雷器需置于铁塔之上，由于结构上的原因，该避雷器的伏安特性与两侧避雷器不能完全一致，中间避雷器在操作冲击电流2 kA时的冲击残压为900 kV，而两侧线路型避雷器在操作冲击电流2 kA时的冲击残压为862 kV，中间避雷器残压提高4.4%，从而导致线路的过电压水平和线路闪络率相应提高。尽管所提高的相对值不大，但对取消合闸电阻的长线路来说，这也是影响过电压的一个因素。
3 结论
500 kV惠汕线是当前国内出线断路器取消合闸电阻的最长线路。工程于1997年12月18日顺利投产，说明了计算研究工作是正确的和科学的。
惠汕线在限制内在过电压方面有如下设计特点：1)惠汕线是当前国内出线断路器取消合闸电阻最长的500 kV线路；2)取消合闸电阻后使统计操作过电压放线路闪络率偏高，为确保合空线的成功和便于运行操作，在揭阳侧加装一组444 kV MOA(氧化锌避雷器)，属国内首创；3)为限制潜供电流，线路两侧各装置一组120 Mvar高抗，中性点小电抗值为750 Ω；4)计算研究采用线路参数随频率的变化的精确模型，使过电压值比常规模型可降低约10%，因此在运行上减少10%的裕度。
作者：广东省电力设计研究院 黄庆宜 吴宝英
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