工頻過電壓

工頻過電壓（power frequency overvoltage）指系統中由線路空載、不對稱接地故障和甩負荷引起的的頻率等於工頻（50Hz）或接近工頻的高於系統最高工作電壓的過電壓。

基本介紹

• 中文名：工頻過電壓
• 外文名：power frequency overvoltage
• 性質：電壓
• 特徵：接近工頻
• 學科：電力工程
• 領域：能源

簡介

特高壓電網工頻過電壓主要考慮無接地三相甩負荷和單相接地三相甩負荷2種工頻過電壓。系統結構、電源容量、輸電潮流、線路參數及線路高抗補償情況是影響系統工頻過電壓的關鍵因素。

根據我國特高壓電網的規劃，在特高壓交流輸電通道中單段線路的長度差別較大，從幾十公里到上百公里都有可能存在，且由於海拔和線路走廊的要求，有些特高壓線路將會採用同塔雙回和單回混合架設的方式；由於線路送端電源性質的不同，特高壓系統有“廠對網”結構(送電端為電廠)和“網對網”結構(送電端為電網)之分。上述情況可能導致不同特高壓系統工頻過電壓水平存在較大差異。

工頻過電壓系統

工頻過電壓（power frequency overvoltage）系統中在操作或接地故障時發生的頻率等於工頻（50 Hz）或接近工頻的高於系統最高工作電壓的過電壓。當系統操作、接地跳閘後的數百毫秒之內，由於發電機中磁鏈不可能突變，發電機自動電壓調節器的慣性作用，使發電機電動勢保持不變，這段時間內的工頻過電壓稱為暫時工頻過電壓。隨著時間的增加，發電機自動電壓調節器產生作用，使發電機電動勢有所下降並趨於穩定，這時的工頻過電壓稱為穩態工頻過電壓。產生工頻過電壓的主要原因是：空載長線路的電容效應，不對稱接地引起的正序、負序和零序電壓分量作用，系統突然甩負荷使發電機加速旋轉等。限制工頻過電壓應針對具體情況採取專門的措施，常用的方法有：採用並聯電抗器補償空載長線的電容效應，選擇合理的系統中性點運行方式，對發電機進行快速電壓調整控制等等。

不同類型線路的工頻過電壓差異性

首先對相同系統條件下，長400 km 特高壓輸電線路分別採用單回架設、同塔雙回架設及單/雙回混合架設(分別用S、D及S&D 表示)3 種類型的工頻過電壓進行計算分析，結果列於表3。其中單/雙回混合比例為1:1。另外，當線路採用D和S&D架設時，研究了雙回運行和單回運行(分別用LD和LS 表示)2種方式，其中LS方式下，考慮了停運線路兩側接地刀閘懸空和接地(分別用LS-H 和LS-G表示)2種情況。

1）單回架設、同塔雙回架設及同塔雙回與單回混合架設3 種線路類型之間，線路零序電抗與正序電抗之比X0/X1 存在差異，使得同一線路長度的3種線路在單相接地甩負荷時，線路側工頻過電壓數值存在差異，而無故障甩負荷母線側和線路側以及單相接地甩負荷母線側過電壓差別較小。

2）對於同塔雙回線路，單回運行時，甩負荷引起的工頻過電壓比雙回運行方式更為嚴重；單回運行方式下，停運線路兩側接地刀閘接地對工頻過電壓的抑制作用明顯。同塔雙回與單回混合架設的線路，停運線路兩側接地刀閘接地對工頻過電壓抑制效果應與單雙回混合比例有關，在1:1 情況下，幾乎沒有抑制作用。

負荷時線路側工頻過電壓研究結果可以看出：

1）相同系統條件下，各長度的3種架設方式的線路中，同塔雙回線路的工頻過電壓水平最低，單回架設的線路過電壓水平比其高0.1pu 左右。

2）單/雙回混合架設的線路過電壓水平隨同塔雙回所占的比例增大而減小，當同塔雙回所占比例50%時，過電壓水平與全線單回架設時相當；當同塔雙回線所占比例>50%時，過電壓水平比單回架設方式低，但仍高於同塔雙回架設方式，如所占比例為83.3%時，過電壓水平比其高0.05pu左右。考慮到後續特高壓工程中，同塔雙回線路類型套用較多，此後本文將重點針對特高壓同塔雙回輸電系統的工頻過電壓特性開展研究。

線路串補對工頻過電壓的影響分析

1）串補對電源電勢、線路輸送潮流的影響。

特高壓線路裝設串補後，補償了線路部分電抗，相當於縮短了線路長度，一方面，會使得線路輸送潮流增加，可能帶來工頻過電壓的增加；另一方面，使得在相同輸送潮流下，送電端電源電勢比無串補時要低，這對降低工頻過電壓又是有利的。

2）串補對接地係數的影響。

線上路發生單相接地故障後，若串補不旁路，則線路正序電抗降低，線路增加，從而導致線路單相接地甩負荷引起的工頻過電壓增加。但事實上，當判斷為單相永久接地故障，線路三相兩側斷路器跳閘的同時，會命令串補旁路開關閉合，將三相串補旁路，串補只是在旁路開關合閘的較短時間內(一般小於50ms)，對單相接地甩負荷操作過電壓產生了一定的影響，而對操作過電壓過後的工頻過電壓是不起作用的。

3）串補對沿線電壓分布的影響。

對於加裝串補的線路一般採取串補位於高抗線路側的布置方式，以改善串補線路的沿線電壓分布特性。當線路發生甩負荷後，將形成線路空載，此時容性無功流過串補，因此串補對線路側電壓有降低作用，但容性電流較小，作用並不明顯。綜上所述，串補主要影響線路輸送潮流和甩負荷前電源電勢，從而影響甩負荷引起的工頻過電壓水平。

線路設立開關站對工頻過電壓的影響分析

一般當輸電距離超過 600 km 時，考慮線上路中間設立開關站，表示成2300 km、2350 km…。而對於該類線路，需考慮如下線路運行方式。

方式1：全線雙回運行，用“LD-LD”表示；

方式2：全線單回運行，用“LS-LS”表示；

方式3：前段線路s1 雙回運行，後段線路s2 單回運行，用“LD-LS”表示；

方式4：前段線路s1 單回運行，後段線路s2 雙回運行，用“LS-LD”表示。

以長2300 km、2400 km 的特高壓同塔雙回線路為例，研究線路中間設立開關站對系統工頻過電壓的影響，長600 km 單段線路的工頻過電壓情況。高抗補償度均按87%考慮。

可以看出：

1）由於開關站無負荷落點，此處實質是線路中間點，各種運行方式下，母線側工頻過電壓水平均高於採用單段線路的情況，出現在開關站母線上。

2）線路中間設立開關站後，在全線雙回及全線單回的對稱運行方式下，變電站或開關站線路側工頻過電壓水平與採用單段線路時基本相當。

3）中間有開關站的特高壓同塔雙回線路前、後兩段線路不對稱的運行方式，增加了線路零序電抗與正序電抗的比值，單相接地甩負荷工頻過電壓明顯高於採用單段線路的情況。若線路較長、輸送潮流較重，上述工況下的工頻過電壓問題可能更為突出。而實際上，從運行角度考慮，對於此類線路，當出現某段線路中的一回線退出運行時，另一段線路的兩回線均在運行狀態不是必要，因此可以採取全線單回的運行的方式，以避免此類不對稱運行方式的出現。