蘇州-上海特高壓線路斷路器不裝合閘電阻的可行性研究
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李振強(qiáng)，王紅超，何慧雯，何櫻
（1．中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074;2中國(guó)電力國(guó)際有限公司，北京 100188）
摘要：為節(jié)省工程投資、提高斷路器的運(yùn)行可靠性，分析了交流特高骶線路斷路器不裝合閘電阻的可行性．提出了取消特高壓線路斷路器合閘電阻的判據(jù)。通過分析指出取消特高壓線路斷路器合閘電阻的難度比500 kV工程大．但仍是有可能的。采用EMTP程序建立仿真計(jì)算模型，模擬計(jì)算了蘇州一上海特高壓線路斷路器取消合閘電阻后的合閘和單相重合閘過電壓、波前時(shí)間及線路閃絡(luò)率。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，并基于取消合閘電阻的判據(jù)，提出蘇州側(cè)線路斷路器應(yīng)裝設(shè)合閘電阻，而上海側(cè)可以考慮不裝合閘電阻。
關(guān)鍵詞：特高壓；斷路器；合閘電阻：過電壓；波前時(shí)間：閃絡(luò)率
0引言
合閘空載線路和單相重合閘操作過電壓是超／特高壓輸電線路重要的操作過電壓類型。限制合閘和單相重合閘過電壓措施一般有斷路器合閘電阻、避霄器、選相合閘斷路器等。工程中，特高壓線路斷路器裝設(shè)合閘電阻是限制合閘操作過電壓的主要手段．避雷器作為后備保護(hù)，即所謂的“兩道防線”．這也是中國(guó)500 kV輸電系統(tǒng)初期限制合閘過電壓的策略。此種限制措施對(duì)合閘和單相重合閘過電壓的限制作用顯著，一般情況下能夠把長(zhǎng)度500 km以下的特高壓線路合閘和單相重合閘過電壓限制在文獻(xiàn)[8]規(guī)定的1.7 pu（1 pu=ll 002/3，相應(yīng)操作波前時(shí)間為1 000us）以下。目前國(guó)內(nèi)外特高壓工程的線路斷路器均裝設(shè)了合閘電阻。
在實(shí)際應(yīng)用中，斷路器合閘電阻也存在一些局限性。裝有合閘電阻的斷路器機(jī)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴．同時(shí)故障率高，降低了斷路器的安全運(yùn)行可靠性。國(guó)內(nèi)外的超高壓輸電工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均表明，長(zhǎng)期運(yùn)行的斷路器合閘電阻的操作機(jī)構(gòu)有相當(dāng)大的比例存在缺陷和故障，甚至多次發(fā)生因斷路器主觸頭不能及時(shí)短接合閘電阻，造成合閘電阻爆炸、外瓷套碎片橫飛、損壞斷路器和周圍設(shè)備的事故。不過隨著科技和設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步．現(xiàn)在帶有合閘電阻的特高壓線路斷路器的可靠性較以前有一定提高。但是帶有合閘電阻的特高壓氣體絕緣全封閉組合電器( GIS)或SF6罐式斷路器價(jià)格昂貴，合閘電阻片需要進(jìn)口。對(duì)于過電壓水平不高的特高壓線路，線路斷路器不裝合閘電阻．僅用線路兩端的避雷器來限制過電壓是可能的。若斷路器不裝合閘電阻，2組斷路器可節(jié)約上千萬元的投資，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益．同時(shí)提高了線路斷路器的運(yùn)行可靠性。
淮南一南京一上海特高壓工程中蘇州 -上海特高壓線路長(zhǎng)度僅60 km,其過電壓水平較低，存在取消線路斷路器合閘電阻的可能。本文依托蘇州一上海特高壓輸變電T程，分析了取消特高壓線路斷路器合閘電阻的可能性和難度，提出了取消合閘電阻的判據(jù)，采用EMTP程序模擬計(jì)算了線路取消合閘電阻后的合閘和單相重合閘過電壓、波前時(shí)間及其閃絡(luò)率，對(duì)是否裝設(shè)特高壓線路斷路器合閘電阻提出了建議。
1 取消特高壓線路斷路器合閘電阻的可行性分析
中同500 kV電網(wǎng)初期．線路斷路器是有合閘電阻的．隨著500 kV電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和科研單位對(duì)操作過電壓的深入研究，后續(xù)工程的線路斷路器一般都取消了合閘電阻，大量的工程和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，斷路器不裝合閘電阻是可行的。隨著特高壓網(wǎng)架的不斷增強(qiáng)，針對(duì)具體工程過電壓水平的差異性，對(duì)于出線較多、線路長(zhǎng)度較短的特高壓變電站，取消線路斷路器合閘電阻是有可能的。但是特高壓電網(wǎng)有自身的特點(diǎn)，相對(duì)500 kV電網(wǎng)而言，特高壓線路取消合閘電阻的難度更大，原因如下：
(1)相比500 kV．特高壓電壓等級(jí)更高，即使將來形成大區(qū)、乃至全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，其電網(wǎng)規(guī)模和密度也遠(yuǎn)小于500 kV,通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)而使操作過電壓下降的程度不會(huì)很明顯，也就是說未來特高壓線路的操作過電壓水平不會(huì)比初期低太多（個(gè)別短線路除外）。
(2) 500 kV線路允許的最大操作過電壓為2.0 p．u．（1 p．u．=550、／2／、／7r，相應(yīng)的操作波前時(shí)間為250IJLS），而特高壓線路允許的最大操作過電壓較低，僅為1.7( pu)。大量500 kV線路操作過電壓的仿真計(jì)算表明．在沒有合閘電阻的情況下，合閘和單相重合閘過電壓一般都小于2.O(pu)，沒有超過其允許值。文獻(xiàn)[14-16]中對(duì)部分特高壓線路取消合閘電阻后的合閘過電壓進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果表明60 km以上的特高壓線路合閘過電壓一般均大于1.7( pu)，對(duì)取消合閘電阻不利。
(3)線路斷路器合閘電阻的存在不但降低了合閘過電壓的幅值，同時(shí)也增大了合閘過電壓的波前時(shí)間，取消合閘電阻后線路的合閘過電壓波前時(shí)間變短，可能會(huì)小于1 000us。500 kV電網(wǎng)的操作波絕緣配合中，無論有無合閘電阻，操作沖擊波前時(shí)間均采用的是標(biāo)準(zhǔn)波250 us，不受波前時(shí)間的影響。而特高壓線路南于有合閘電阻．絕緣配合中操作過電壓的波前時(shí)間采用的是1 000 us，取消合閘電阻后部分線路的操作沖擊波前時(shí)間可能要采用標(biāo)準(zhǔn)波250uS，對(duì)于同一間隙，其操作U.sc)r/e放電電壓要低于1 000uS。這也是不利于取消合閘電阻的一個(gè)方面。
基于上述原因，可以看出，特高壓線路取消合閘電阻的不利因素多于500 kV，難度更大。但是操作過電壓的大小并不是取消合閘電阻最關(guān)鍵的指標(biāo)．過電壓最終還是要體現(xiàn)在對(duì)絕緣的作用上，也就是說要看過電壓對(duì)絕緣的影響程度，即線路的閃絡(luò)率。即使某些線路沿線最大的過電壓較高，但只要線路的閃絡(luò)率在允許范圍之內(nèi)，就可以考慮取消線路斷路器合閘電阻。兇此從上述兩個(gè)方面來看．對(duì)于取消特高壓線路斷路器合閘電阻，難度大，但存在可能性。
2取消特高壓線路斷路器合閘電阻的判據(jù)
國(guó)標(biāo)中規(guī)定的特高壓線路沿線最大的相對(duì)地統(tǒng)計(jì)操作過電壓不宜大于1.7 (pu)和平均操作過電壓閃絡(luò)率宜不高于0.01次／年，這兩項(xiàng)判據(jù)可作為是否取消斷路器合閘電阻的判據(jù)。國(guó)標(biāo)中將我國(guó)特高壓輸電線路操作過電壓幅值規(guī)定不宜超過1.7( pu)，是基于我國(guó)特高壓T程操作過電壓一般不大于1.7(pu)，在確定特高壓線路和變電站最小空氣間隙的絕緣水平中，代表性過電壓采用了幅值1.7 (pu)、波前時(shí)間1 000 us來進(jìn)行絕緣配合的。因此，1.7( pu)的過電壓水平是以波前時(shí)間1 000 us為前提的，可以保證線路的安全運(yùn)行。但當(dāng)波前時(shí)間變化時(shí)，1.7 (pu)的過電壓就可能保證不了線路的安全運(yùn)行。因此，本文認(rèn)為以線路的操作過電壓閃絡(luò)率為判據(jù)更加合理，主要原因如下。
(1)以1.7 (pu)的過電壓大小為判據(jù)未顧及線路實(shí)際的絕緣水平。國(guó)標(biāo)中的1.7( pu)的過電壓是針對(duì)操作過電壓波前時(shí)間1 000 us而言的，取消線路斷路器合閘電阻后操作過電壓波前時(shí)問變短，若波前時(shí)間小于1 000us，則采用標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波250 us的U。%放電電壓低于1 000us，即過電壓的允許值低于1.7 (pu)。
(2)以1.7( pu)的過電壓為判據(jù)沒有考慮到線路過電壓出現(xiàn)的概率沿線分布。線路沿線的過電壓分布不是一個(gè)值，往往是中部大，端部小，呈弓形分布。
(3)1.7(pu)統(tǒng)計(jì)操作過電壓不便于定量地比較不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、不同限壓措施和線路故障后果對(duì)取消線路合閘電阻的影響。
(4)線路的絕緣是白恢復(fù)型絕緣。GB/T31 1.2-2002的3.3條指出：“對(duì)于線路白恢復(fù)型絕緣應(yīng)選用統(tǒng)計(jì)法，在使用統(tǒng)計(jì)法中首先需要根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定可接受的故障率。故障率給出絕緣故障的概率。”因此線路的安全運(yùn)行最終應(yīng)體現(xiàn)在線路的故障率上。GB/T311.2-2002的3.2條指出：不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)中不同部分、不同設(shè)備和故障類型所產(chǎn)生的故障后果的嚴(yán)重程度是不同的。據(jù)此，宜取不同的故障率或?qū)Σ煌南到y(tǒng)、系統(tǒng)和設(shè)備制造發(fā)展不同的階段取不同的絕緣水平。當(dāng)然這要結(jié)合具體工程情況計(jì)算比較確定。
由于取消合閘電阻后，合閘過電壓主要由避雷器限制，需要校核其吸收能量。不過特高壓避雷器采用4柱并聯(lián)，允許的單次吸收能量達(dá)40 MJ，操作過電壓吸收能量很容易滿足此要求，因此可僅作為校核條件。
綜上所述，建議取消特高壓線路斷路器合閘電阻的判據(jù)為：線路的平均操作過電壓閃絡(luò)率不高于0.01次／年。
3特高壓斷路器無合閘電阻的操作過電壓水平和閃絡(luò)率
3.1 線路參數(shù)
蘇州一上海特高壓輸電線路長(zhǎng)度為60 km，由同塔四回（與雙回500 kV或220 kV共架）和同塔雙回線路組成．與500 kV同塔四回線路長(zhǎng)度為18.3 km,與220 kV同塔四同線路長(zhǎng)度為13.5 km。線路的組成如下：蘇州站出線1km為同塔雙回，接著與500 kV線路組成18.3 km的同塔四回線路，接下來是4.8 km的特高壓同塔雙回線路，然后與220 kV線路組成13.5 km的同塔四回線路，最后是22.4 km的同塔雙同線路進(jìn)入上海特高壓變電站。1 000 kV線路全部采用V串，全線海拔在200 m以下。線路無高抗。
1 000 kV導(dǎo)線型號(hào)為8xjLK/G-630/45，500 kV導(dǎo)線型號(hào)為4xjL/GIA-630/45，220 kV導(dǎo)線型號(hào)為2xjI/G1A-630/45，地線為JLB20A-240和光纖復(fù)合架空地線( OPGW)。
同塔雙同線路1 000 kV下相導(dǎo)線對(duì)地平均高度為36 m.同塔四回線路1 000 kV下相導(dǎo)線對(duì)地平均高度為44 m;計(jì)算中特高壓避雷器采用目前工程m的避雷器模型，即額定電壓828 kV，2 kA操作沖擊殘壓（峰值）為l 460 kV；每相斷路器合閘相角在一個(gè)工頻周波內(nèi)隨機(jī)均勻分布；系統(tǒng)為華東地區(qū)的等值電網(wǎng)參數(shù)。
蘇州一上海特高壓工程接入特高壓系統(tǒng)示意圖見圖1所示。
3.2運(yùn)行方式
合空線操作時(shí)考慮丫以下的線路運(yùn)行方式：
(1)蘇州一上海特高壓線路一同合空線操作時(shí)另一回停運(yùn)或運(yùn)行，蘇州站的蘇州一泰州特高壓線路和上海站的上海一浙北特高壓線路均運(yùn)行。
(2)蘇州一上海特高壓線路一回合空線操作時(shí)另一同停運(yùn)或運(yùn)行，蘇州站的蘇州一泰州特高壓線路和上海站的上海一浙北特高壓線路均停運(yùn)。
3.3 閃絡(luò)率的計(jì)算
3.3.1 計(jì)算方法
取消合閘電阻后的過電壓概率分布一般不符合正態(tài)、極值或威布爾分布，因此應(yīng)采用計(jì)算出的實(shí)際過電壓分布。
n個(gè)絕緣串并聯(lián)時(shí)的閃絡(luò)率為
計(jì)算中把線路分為m段，每一段過電壓分布由EMTP計(jì)算得出，某一相，如A相的全線閃絡(luò)率為
式中：P為第i段的單相n個(gè)絕緣子串并聯(lián)的閃絡(luò)率。
三相的全線總閃絡(luò)率為
式中：P、P、P為A相，B相和C相的全線絕緣閃絡(luò)率。
目前．利用計(jì)算機(jī)可以方便地進(jìn)行全線絕緣操作波閃絡(luò)率計(jì)算。
(1)它不假?zèng)]全線過電壓為同一數(shù)值．而是考慮實(shí)際過電壓的沿線分布：
(2)它不假設(shè)過電壓幅值分布為正態(tài)分布。由于MOA的限壓作用，線路過電壓幅值分布不符合正態(tài)分布。計(jì)算中采用實(shí)際的過電壓幅值分布。
(3)考慮多間隙并聯(lián)對(duì)放電電壓的影響。
(4)線路絕緣間隙放電電壓采用標(biāo)準(zhǔn)操作波真型塔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(5)考慮間隙的放電電壓的分散性，標(biāo)準(zhǔn)偏差盯取5%。
(6)特高壓線路每年合閘操作的次數(shù)按3次考慮。
3.3.2 波前時(shí)間的計(jì)算
波形對(duì)絕緣閃絡(luò)強(qiáng)度有一定影響，因此必須確定試驗(yàn)中采用的波形與實(shí)際系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓波形的關(guān)系。目前，國(guó)際上操作沖擊試驗(yàn)電壓波形參數(shù)的主要有多種定義方法。本文采用文獻(xiàn)中推薦的對(duì)波前時(shí)間進(jìn)行計(jì)算
式中：T，為與實(shí)際系統(tǒng)中操作過電壓等效的操作沖擊試驗(yàn)電壓的波前時(shí)問；To%為操作過電壓到達(dá)70%U，的時(shí)問。K=1.45。
3.3.3合閘過電壓和閃絡(luò)率的計(jì)算結(jié)果
線路正常運(yùn)行時(shí)，蘇州側(cè)母線電壓為1 072 kV，上海側(cè)母線電壓為1 065 kV。表1列出了特高壓線路斷路器無合閘電阻時(shí)，分別在蘇州側(cè)和上海側(cè)合空線過電壓、波前時(shí)間和線路的閃絡(luò)率的計(jì)算結(jié)果。特高壓V串絕緣子長(zhǎng)為9.8 m，而導(dǎo)線對(duì)橫擔(dān)、塔身的空氣間隙僅為6.7—7.0 m，操作過電壓下空氣間隙先于絕緣子放電，因此表1中給出的是空氣間隙的操作沖擊50%放電電壓。線路閃絡(luò)率的計(jì)算方法在前文已經(jīng)介紹．具體的計(jì)算過程涉及全線三相導(dǎo)線的間隙放電電壓、過電壓的沿線分布、多間隙并聯(lián)對(duì)放電電壓等，比較復(fù)雜．均是編程計(jì)算完成的。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：
(1)線路斷路器無合閘電阻，在蘇州站和上海站的其他1 000 kV出線均停運(yùn)的情況下，蘇州一上海合空線操作相地2%過電壓最大，可達(dá)1.70 p.u．，其操作過電壓的波前時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖，過電壓沿線分布如圖3。避雷器的最大吸收能量為1.12 MJ．在允許范圍內(nèi)。
(2)操作過電壓大于1.6( pu)的波前時(shí)問在200～400uS，因此在絕緣配合時(shí)，需要采用標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波下的放電曲線。
(3)在蘇州站和上海站的其他1 000 kV出線均停運(yùn)的情況下，在蘇州側(cè)合閘，蘇州一上海特高壓線路的合閘過電壓閃絡(luò)率為0.018次／年：在上海側(cè)合閘．線路的合閘過電壓閃絡(luò)率為0.003 4次／年。在變電站有特高壓出線的情況下，線路的合閘過電壓閃絡(luò)率均遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.01次／年。
3.3.4單相重合閘過電壓和閃絡(luò)率的計(jì)算結(jié)果
線路單相接地故障后，保護(hù)動(dòng)作、故障切除后斷路器單相重合閘，產(chǎn)生單相重合閘過電壓，因此線路的單相重合閘操作次數(shù)與單相接地故障有關(guān)，、特高壓線路單相接地故障大多數(shù)情況是由雷擊引起的，一般特高壓線路的雷擊跳閘率不大于0.1次/100 km．年，因此，本線路長(zhǎng)度60 km．其雷擊跳閘的次數(shù)不大于60x0.1/100=0.06次／年。其它原因造成的線路單相接地故障按每年0.01次，故本線路單相接地故障為每年0.07次。
表2列出了線路斷路器不裝合閘電阻時(shí)，蘇州側(cè)和上海側(cè)單相重合閘的過電壓、波前時(shí)間和線路閃絡(luò)率的計(jì)算結(jié)果。重點(diǎn)研究了線路正常運(yùn)行方式和過電壓最嚴(yán)重的工況（兩側(cè)變電站其他1 000 kV 出線均停運(yùn)）。
由計(jì)算結(jié)果可知，單相重合閘過電壓引起的線路閃絡(luò)率遠(yuǎn)小于合閘過電壓，蘇州側(cè)合閘線路的閃絡(luò)率僅為8.4x10-5次／年：上海側(cè)合閘線路的閃絡(luò)率僅為1.8 xl0-5次／年。單相重合閘過電壓引起的線路閃絡(luò)率很低的原兇是：(1)最大的單相重合閘過電壓小于合閘過電壓；(2)本線路每年單相重合閘操作的次數(shù)僅為0.07次，小于合閘的3次；(3)除故障相外的其他兩相正常運(yùn)行，其過電壓很低。
4對(duì)蘇州一上海特高壓線路斷路器是否裝設(shè)合閘電阻的討論
根據(jù)第3節(jié)蘇州一上海特高壓線路斷路器不裝合閘電阻后合閘和單相重合閘過電壓及線路閃絡(luò)率的計(jì)算．蘇州側(cè)合閘和單相重合閘過電壓引起的線路閃絡(luò)率為0.018+0.000 084=0.018 084—0.018 1次／年，大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.01次／年．不應(yīng)取消線路斷路器的合閘電阻：在上海側(cè)合閘，線路的閃絡(luò)率為0.003 4+0.000 018 =0.003 418—0.003 4次／年，小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.01次／年，可以考慮取消線路斷路器的合閘電阻。
由上述分析可見．雖然蘇州一上海特高壓線路只有60 km,仍然不能全部取消兩側(cè)變電站中所有線路斷路器的合閘電阻。一方面原岡如第1節(jié)的分析．特高壓線路斷路器取消合閘電阻的難度較大：另一方面是岡為本工程特高壓線路全線采用V串絕緣子．其間隙的標(biāo)準(zhǔn)操作波沖擊放電電壓較低。
需要說明的是．本T程的研究成果并不能說明后續(xù)的特高壓T程都不能取消斷路器合閘電阻．這是因?yàn)楹罄m(xù)工程大多數(shù)采用的是I串的同塔雙回線路，其放電電壓高于V串（均在最小操作間隙下對(duì)比），這對(duì)降低線路的閃絡(luò)率是有利的。
5結(jié)論
(1)建議取消特高壓線路斷路器合閘電阻的判據(jù)為：線路的平均操作過電壓閃絡(luò)率不高于0.01次／年。
(2)線路斷路器無合閘電阻，蘇州一上海合空線操作過電壓可達(dá)1.70( pu)；操作過電壓大于1.6(pu)的波前時(shí)間在200～400us，在閃絡(luò)率的計(jì)算時(shí)，需要采用標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波下的放電曲線；避雷器的最大吸收能量為1.12 MJ，在允許范圍內(nèi)。
(3)蘇州一上海特高壓線路斷路器不裝合閘電阻．蘇州側(cè)合閘和單相重合閘過電壓引起的線路閃絡(luò)率約為0.018 1次／年，大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.01次／年，不宜取消線路斷路器的合閘電阻：在上海側(cè)合閘，線路的閃絡(luò)率約為0.003 4次／年，小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.01次／年．上海側(cè)線路斷路器可以考慮不裝合閘電阻。
對(duì)于取消特高壓線路斷路器合閘電阻，不宜盲目樂觀，但也不能一概否定，應(yīng)結(jié)合具體工程，進(jìn)行詳細(xì)的研究。后續(xù)工程大多數(shù)采用的是I串的同塔雙網(wǎng)線路．其操作沖擊放電電壓高于V形串，這對(duì)降低線路的閃絡(luò)率是有利的。
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