西北电网安柞南系统工频过电压计算分析

在线路较短的特殊情况下，可不考虑长线特性，略 去沿线的工频电压升高，也就不考虑电压传递系数 。 故障处的入口阻抗 Z R 了（电压传递系数 ε = 1 ） 为线路感抗和电源感抗的串联值。设 X1、X2 和 X0 为 从故障点看进去网络的正序、负序和零序电抗，并 近似地取 X1≈X2，故障点 M 在故障前的相对地电压 . 为U A0，则式 1-1 可写成
1 概述
安康电厂处于陕西安康地区汉江中下游，是该 地区唯一同西北 330kV 主网联络的主力水电厂。安 康电厂装机规模为 5 台机共 85.25 万千瓦，其中一 台 5.25 万千瓦的小机和 20 万千瓦的大机接入当地 110kV 系统，并通过一台 330/110kV 联变同 330kV 侧的三台 20 万千瓦大机联络。 由于安康地区同关中 电网之间隔有秦岭山脉，330kV 线路造价高昂，安 康电厂仅通过两回 330kV 线路同陕西关中 330kV 主 网形成薄弱联络，其中安康-（关中）南郊变线路长 度约 230 公里，存在一定程度的工频过电压隐患， 而该线路仅在南郊侧安装一台 6 万千乏的高压电抗 器。本文对西北 330kV 电网中的安康-柞水-南郊三 角环网（简称安柞南系统，如图 1 所示）中的各条 线路在发生不对称短路时的工频过电压水平进行具
• • •
I1 = I 2 = I 3 =
Z R1
E1 + Z R2 + Z R3
•
（1-1）
′ 愈高，计算工频电压所 跳闸前输送功率愈大，则 E d
用等值电势愈大，工频电压升高就愈大；二是线路 末端断路器跳闸后，空载线路仍由电源充电，线路
. . . U 1= E 1- I 1 Z R1 . . U 2= - I 2 Z R2 . . U 0= - I 0 Z R0
式中算子 α = e
° j120
线路的增长，线路电容增大，K 的绝对值减少，单 （1-5） （1-6） 相接地时非故障相的工频电压升高增大。当 K=-2 时，达到串联谐振，理论上其电压可至无穷大。实 际上，中性点不接地系统所接线路不长，零序电容 远远不会达到谐振条件。不过，若为了防雷及其他 需要，三相对地装有电容器时，仍需加以验算，防 止工频电压升高超过允许值。 （2 ） 中性点经消弧线圈接地 所谓消弧线圈就是接于系统中性点与地之间 的一个电感线圈 L，用以补偿零序电容。当 L 的感
体的计算分析，并得出相关结论。
2 理论基础
电力系统内部过电压系指电力系统中由于断路 器操作、故障或其他原因，使系统参数发生变化， 引起电网内部电磁能量的转化或传递所造成的电压 升高。 内部过电压分两大类：因操作或故障引起暂态 电压升高，称操作过电压；因系统的电感电容参数 配合不当，出现各种持续时间很长的谐振现象及其 电压升高，称谐振过电压。 内部过电压的能量来源于电网本身，所以它的 幅值与电网工频过电压基本上成正比。一般将内部 过电压与电网最高运行相电压幅值之比，称为内部 过电压倍数 Kn。用此倍数表示内部过电压的大小。
愈长，电容效应愈显著，工频电压愈高；三是原动 机的调速器和制动设备具有惰性，甩负荷后不能立 即收到调速效果，使发电机转速增加（飞逸现象） ， 造成电势和频率都上升的结果，于是网络工频电压 升高就更严重。 不对称短路是输电线路中最常见的故障形 式，在单相或两相不对称对地短路时，非故障相的 电压一般说将会升高，其中单相接地时非故障相的 电压可达到较高的数值。特殊情况下，两相短路接 地也会出现较高的数值，但概率较小。此外，单相 接地时的工频过电压水平是确定阀式避雷器灭弧电 压的依据。 单相接地故障时，故障点三相电流和电压是 不对称的， 为计算非故障相电压升高的方便,可采用 对称分量法，通过复合序网络进行分析。
中国• 海南
中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集
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条件和保护效果。例如避雷器最大允许工作电压是 由工频电压升高决定的，如要求避雷器最大允许工 作电压较高，则其冲击放电电压和残压也将提高， 相应地，被保护设备的绝缘强度亦应随之提高。再 如，断路器并联电阻因工频电压升高而使断路器操 作时流过并联电阻的电流增大，并联电阻要求的热 容量亦随之增大，造成低值并联电阻的制作困难； （3）工频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其 运行性能有重大影响。例如，油纸绝缘内部游离， 污秽绝缘子闪络、铁芯过热、电晕及其干扰等。 通常合闸后 0.1 秒时间内出现的电压升高叫作 操作过电压。往后，0.1 秒至 1 秒时间内，由于发
YU Zheng （State Power North West Power Grid，Xi’an 710004，Shaanxi Province China）
ABSTRACT: Power frequency over voltage has deep influence on power system running reliability. Installing shunt reactor can limit power frequency over voltage. Using PSASP to analyze the power frequency over voltage of north west power grid Ankang-Zhashui-Nanjiao area system, concludes that shunt reactor and over voltage relay protection should be installed. KEY WORDS: Power system； Frequency over voltage 图 1 安康-柞水-南郊三角环网示意图
= U A0 式中
K −1 K −1 1+ + K +2 K + 2
α= 3
1+ K + K2 称为接地系数。 K +2
3
计算条件和计算内容
计算条件：中国电力科学研究院电力系统综合
现按电网不同的中性点运行方式，分析非故障相的 电压升高。 （1） 性点不接地系统 当线长在 1500kM 以内时，其零序电抗必为负 值，而其正序电抗必为正值，故 K 值必为负值。当 线长在 200kM 以内，K 值约为-40 左右，单相接地时 非故障相的工频电压升高约为 1.1 倍线电压。随着
. . X − X1 • 2 U A0 U B= α U A0- 0 2X1 + X 0
•
（1-8）
2 •
考虑到故障前故障点 B 相对地电压 U B 0 = α U A0 ， 故:
• • K −1 • U A0 = U B 0 + ∆ U （1-9） U B = U B0 − 2+K • K −1 • U A0 式中 ∆ U = − 2+K • •
摘要： 电力系统工频过电压对电网的安全可靠运行影响很 大。为了限制和降低系统工频过电压水平，在电网中可以加 装高压电抗器，其运行状态对系统的工频过电压有着直接的 影响。通过中国电力科学研究院电力系统综合分析程序 （PSASP）对西北 330kV 电网中的安康-柞水-南郊三角环网 中的工频过电压水平进行了具体的计算分析，建议安康-南 郊线路安康电厂侧应装设线路高压电抗器及过电压保护装 置。 关键词：电力系统；工频过电压
同理， （1-10） 非故障相电压的数值可利用余弦定理求得：
U B = U C = U A0 ∆U ∆U D 1+ U − 2 U cos 120 A0 A0
2
2
U C = U C0 + ∆U
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•
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当线路末端发生接 （1-11） 电压升高在 0.75 倍线电压以下。 地时， 故障点非故障相电压上升要比首端接地时高， 这是因为从末端看去的 K 值比之从首端看去的 K 值 要大些。
Kn 值与电网结构、系统中各元件的参数、中性点运
行方式、故障性质及操作过程等因素有关，并具有 明显的统计性。 电力系统在正常或故障时可能出现幅值超过最 大工作相电压、 频率为工频或接近工频的电压升高， 统称工频电压升高。 工频电压升高本身对系统正常绝缘的电气设备 一般是没有危险的，但在超高压远距离输电确定系 统绝缘水平时，却起着重要的作用，必须予以充分 重视。因为: （1） 工频电压升高的大小将直接影响操作过电 压的幅值； （2） 工频电压升高的大小将影响保护电器的工作
. . . I 1= I 2= I 0=
X0 X1
U A0 J (2 X 1 + X
•
0
)
（1-7）
令K =
1 （C0 =为每相零序电容）时，网络处于 3ωC0 1 时为欠补偿，K 可接 全补偿运行，K=∞；XL＞ 3ωC0 1 时为过补偿，K 可接近+ XL= 障相电压将升至线电压。 （3） 性点直接接地或经低阻抗接地 中性点直接接地或经低阻抗接地的系统的零 序电抗是感抗，因此，K 值是正的。非故障相的电 压随着 K 值的增大而上升。高压和超高压系统采取 中性点直接接地方式，110～220kV 系统由于继电保 护、系统稳定等方面的要求，需限制不对称短路电 流，要选用较大的 K 值，一般 K≤3，其非故障相电 压升高不大于 1.4 倍相电压（约 0.8 倍线电压） 。 330kV 及以上的电力系统，为了降低过电压值，不 采取限制短路电流的措施，而是将全部变压器中性 点接地，其 K 值较小，K=1.5～2.5，这样非故障相
′ 尚保持 电机自动电压调整器的惰性， 发电机电势 Ed ′ 的基础上再加上空载线路的电容效应所 不变， 在 Ed
我们已知长线路上各点电压是不相等的，设线路上 引起的工频电压升高，总称为暂态工频电压升高。 某点 M 处 A 相接地，如图二所示，根据故障点的 A . . . 时间再长，发电机自动电压调整器发生作用，母线 相电压 U A=0，非故障相的故障电流 I B=0， I C=0， 电压逐渐下降， 在 2～3 秒以后， 系统进入稳定状态， 的条件，按对称分量关系可作出图三所示的复合序 . 网络。其中， 1 为故障点 M 在故障前的对地零序正 E 这时的工频电压升高为稳态工频电压升高。对于过 序电压， Z R1、 Z R2、 Z R3 分别为从故障点望入（电 . 电压防护和绝缘配合影响大的是暂态工频电压升 源电势短接）的正序、负序、零序入口阻抗， 1 U . . . . . 高。稳态工频电压升高则对系统的并列、电气设备 和 I 1、U 2 和 I 2、 U 0 和 I 0 分别为故障点的正序、 的老化、游离等影响较大。 负序、零序电压和电流。可得： 产生工频电压升高的主要原因是空载线路的 电容效应、发电机突然甩负荷、不对称接地故障。 输电线路具有分布参数，但在距离较短的情况 下，工程上可用集中参数电感 L 和电容 C 来代替。 由于空载线路的工频容抗 XC 大于工频感抗 XL，因此 在电源电势 E 的作用下，线路中的电容电流在感抗 上的压降 UL 将使容抗上的电压 UC 高于电源电势，