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1、504 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 中国 海南 西北电网安柞南系统工频过电压计算分析 于 峥 （西北电网有限公司,陕西省 西安市 710048）NORTH WEST ANKANG-ZHASHUI-NANJIAO POWER SYSTEM FREQUENCY OVER VOLTAGE ANALYSIS YU Zheng（State Power North West Power Grid，Xian 710004，Shaanxi Province China）ABSTRACT:Power frequency over voltage has
2、 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 shoul
3、d be installed.KEY WORDS:Power system；Frequency over voltage 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 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 330k
4、V 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
5、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体的计算分析，并得出相关结论。图 1 安康-柞水-南郊三角环网示意图 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
6、。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 505 条件和保护效果。例如避雷器最大允许工作电压是由
7、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，由于发电机自动电压调整器的惰性，发电机电势dE尚保持不变，在的基础上再加上空载线路的电容效应所引起的工频电压升高，总
8、称为暂态工频电压升高。时间再长，发电机自动电压调整器发生作用，母线电压逐渐下降，在 23 秒以后，系统进入稳定状态，这时的工频电压升高为稳态工频电压升高。对于过电压防护和绝缘配合影响大的是暂态工频电压升高。稳态工频电压升高则对系统的并列、电气设备的老化、游离等影响较大。dE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，UC=E+UC。即空载
9、输电线路上的电压高于电源电压，这就是空载线路的电感-电容效应（简称电容效应）所引起的工频电压升高。在输电线路传输重负荷时，线路末端断路器跳闸，突然甩去负荷，是造成线路工频电压升高的另一原因。影响甩负荷引起工频电压升高的主要因素有三个：一是线路输送大功率时，发电机的电势必然高于母线电压，甩负荷后，发电机的磁链不能突变，将在短暂时间内维持输送大功率时的暂态电势。跳闸前输送功率愈大，则dE愈高，计算工频电压所用等值电势愈大，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
10、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。我们已知长线路上各点电压是不相等的，设线路上某点 M 处 A 相接地，如图二所示，根据故障点的 A相电压.UA=0，非故障相的故
11、障电流.IB=0，.IC=0，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，E.1为故障点 M 在故障前的对地零序正序电压，ZR1、ZR2、ZR3 分别为从故障点望入（电源电势短接）的正序、负序、零序入口阻抗，.U1和.I1、.U2和.I2、.U0和.I0分别为故障点的正序、负序、零序电压和电流。可得：1I=2I3I3211RRRZZZE+（1-1）.U1=.E1-.I1ZR1 （1-2）.U2=-.I2ZR2 （1-3）.U0=-.I0 ZR0 （1-4）于是故障点 M 处非故障相的电压为 506 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
12、集 中国 海南.UB=2.U1+.U2+.U0 （1-5）.UC=.U1+2.U2+.U0 （1-6）式中算子=120je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了（电压传递系数1=）。故障处的入口阻抗ZR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 X1X2，故障点 M 在故障前的相对地电压为.UA0，则式 1-1 可写成.I1=.I2=.I0=()0102XXJUA+（1-7）令K=10XX.UB=2.UA0-+001102AUXXXX （1-8）考虑到故障前故障点 B 相对地电压
13、U，故:020ABU=+=+=UUUKKUUBABB00021（1-9）式中021AUKKU+=同理，+=UUUCC0 （1-10）非故障相电压的数值可利用余弦定理求得：?120cos210200AAACBUUUUUUU+=（1-11）=2121120+KKKKAU 式中 3=212+KKK称为接地系数。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。随着线路的增长，
14、线路电容增大，K 的绝对值减少，单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的感抗XL=031C（C0=为每相零序电容）时，网络处于全补偿运行，K=；XL031C时为欠补偿，K可接近-；XL 031C时为过补偿，K可接近+。故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
15、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，110220kV 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 K3，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=1.52.5，这样非故障相电压升高在 0.75 倍线电压以下。当线路末端发生接地时，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
16、比之从首端看去的 K 值要大些。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分析程序（PSASP）版本号：5.1 计算数据选择：西北电网冬小运行方式 计算内容：考虑在安柞南三角环网不同运行方式下，每种方式下任一条线路两侧发生永久单相接地短路故障时三相跳开时线路断口的工频过电压水平。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 507 4 计算结果（不同运行方式下过电压发生地点和超过规定的幅值）：（1）柞水一台 15 万千伏安主变运行，低压电抗器投入运行；安康母线1#高压电抗器退出运行（因社会原因无法运行）；南郊 2#高压
17、电抗器随线路投退；安康电厂开机出力（千瓦）：1-2 台机：10 万；3 台机：30 万；4 台机：40万，机端电压：0.98（355kV）安康地区负荷（万千瓦）：有功负荷 P：8.6，无功负荷 Q：3.5 柞水负荷（万千瓦）：有功负荷 P：0.5，无功负荷 Q：0.3 计算结果见表 1 表 1 运行方式（1）计算结果 安厂大机全停 安厂 1#机 安厂 330kV 一台机 安柞南合环（安南 2 安侧 1.408/南侧 1.261）有（安南 2 安侧1.42/南侧1.33）有（安南 2 安侧1.423/南侧1.326）柞南一线停运 有（安南 2 安侧1.418/南侧 0.951）有（安南 2 安侧
18、1.413/南侧1.291）有（安南 2 安侧1.413/南侧1.268）安柞一线停运 有（安南 2 安侧1.414/南侧 0.942）有（安南 2 安侧1.409/南侧1.256）有（安南 2 安侧1.413/南侧1.242）安厂 330kV 两台机 安厂三台机 安厂四台机 安柞南合环 有（安南 2 安侧1.428/南侧 1.367）有（安南 2 安侧1.427/南侧1.367）有（安南 2 安侧1.428/南侧1.38）柞南一线停运 有（安南 2 安侧1.412/南侧 1.329）有（安南 2 安侧1.414/南侧1.36）有（安南 2 安侧1.414/南侧1.383）安柞一线停运 有（安
19、南 2 安侧1.413/南侧 1.316）有（安南 2 安侧1.414/南侧1.351）有（安南 2 安侧1.415/南侧1.376）（2）柞水两台 15 万千伏安主变运行，其他同上，计算结果见表 2 表 2 运行方式（2）计算结果 安厂大机全停 安厂 1#机 安厂 330kV 一台机 安柞南合环有（安南 2 安侧1.408/南侧 1.257）有（安南 2 安侧1.419/南侧1.328）有（安南 2 安侧1.419/南侧1.318）柞南一线停运有（安南 2 安侧1.417/南侧 0.951）有（安南 2 安侧1.413/南侧1.23）有（安南 2 安侧1.413/南侧1.232）安柞一线停运
20、有（安南 2 安侧1.413/南侧 0.938）有（安南 2 安侧1.408/南侧1.256）有（安南 2 安侧1.408/南侧1.245）安厂 330kV 两台机 安厂三台机 安厂四台机 安柞南合环 有（安南 2 安侧 1.423/南侧 1.348）有（安南 2 安侧1.424/南侧1.365）有（安南 2 安侧1.425/南侧1.377）柞南一线停运有（安南 2 安侧 1.413/南侧 1.314）有（安南 2 安侧1.414/南侧1.351）有（安南 2 安侧1.414/南侧1.374）安柞一线停运有（安南 2 安侧 1.409/南侧 1.321）有（安南 2 安侧1.409/南侧1.3
21、55）有（安南 2 安侧1.410/南侧1.378）5 分析和结论：（1）在国家颁发的电力系统设计技术规程（SDJ161-85）的中，明确规定：330KV 及以上网络的工频过电压水平，线路断路器的变电所侧及线路侧应分别不超过网络最高相电压（有效值/千伏）的1.3 及 1.4 倍；其计算应以正常运行方式为基础，加上一重非正常运行方式及一重故障形式，故障形式可取线路一侧发生单相接地三相断开或仅发生无故障三相断开两种情况。以上规定的工频过电压水平是指工频暂态过电压水平，当加装氧化锌避雷器时，工频过电压水平可适当提高，线路一侧发生单 508 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会
22、2004 年学术年会论文集 中国 海南 相接地三相断开的线路侧工频暂态过电压水平不可超过网络最高相电压的 1.5 倍。（2）在系统轻负荷运行，工频过电压较严重的方式下，安南二线单相接地短路故障分别发生在线路两侧时，线路三相跳闸后，线路末端工频过电压有不同程度的升高，由于南郊侧安装了高压电抗器，过电压受到一定的限制，安康电厂侧由于该厂唯一的一台 60MVAR 高压电抗器加装在母线上，对线路不对称故障时产生的工频过电压基本没有限制作用，导致工频过电压超过规定倍数，即网络最高相电压的 1.4 倍。目前安南二线也没有加装过电压保护装置，建议将该厂高压电抗器改装到线路侧，同时加装过电压保护装置。（3）一
23、和表二比较，可知随着柞水变主变运行方式的增大，即主变低压侧并联电抗器的投入，对工频过电压有降低作用，但效果甚微。（4）一或表二可知，当安康的开机方式由 110kV一台机改变为 330kV 一台机时，工频过电压有所上升，这是因为 110kV 一台机通过#5 联变和系统联系，这犹如增加了电源的感抗，恶化了电源运行方式，导致过电压上升；当安康电厂的开机方式继续增大时（330kV 两台机全厂四台机），由于在综合程序计算参数库中，安康电厂 330kV 侧的 24 号机组的升压主变在开机方式为两台机时就挂在330kV 母线节点之上，所以从故障断口看进去的零序阻抗就不再变化，而正序阻抗再不断减小，比值K 逐
24、渐增大，反而导致过电压倍数增高，这也从另一个侧面反映了计算结果同理论分析相符。（5）电网规划阶段，有关规划部门在进行系统工频过电压计算时采用尽可能严重的系统潮流方式，充分预计工频过电压的升高倍数，为电网安全可靠运行打下良好的基础。（6）一和表二中，安康电厂大机全停，仅留 110kV侧一台 5 万小机满发，安康电厂从系统受电的运行方式下，330kV 系统合环运行时，南郊侧工频过电压水平仍然较高，但一旦解环运行，则水平很低，比稳态电压（0.92 左右）仅上升到 0.95 左右，这个问题还有待分析解释。参考文献 解广润.电力系统过电压 水利电力出版社 1985 作者简介 于 峥:男 1974.11 生 西北电网有限公司调度通信中心运行方式处工程师 专业工作及研究方向：电网规划与新设备启动，电力系统过电压与短路电流计算分析，电力系统潮流与稳定计算分析。