第5章工频过电压计算

1第5章工频过电压计算目录5.1空载长线路的电容效应...................................................................................45.1.1空载长线路的沿线电压分布.........................................................................45.1.2并联电抗器的补偿作用................................................................................65.2线路甩负荷引起的工频过电压.........................................................................95.3单相接地故障引起的工频过电压....................................................................115.4自动电压调节器和调速器的影响....................................................................155.5限制工频过电压的其他可能措施....................................................................155.6工频过电压的EMTP仿真..............................................................................162第5章工频过电压计算工频过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象，属于电力系统内部过电压,是暂时过电压的一种。3电力系统内部过电压是指由于电力系统故障或开关操作而引起电网中电磁能量的转化，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电压升高。内部过电压分为暂时过电压和操作过电压两大类。在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于0.1s(5个工频周波)至数秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压。由于现代超、特高压电力系统的保护日趋完善，在超、特高压电网出现的暂时过电压持续时间很少超过数秒以上。暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。电力系统在正常或故障运行时可能出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或者接近工频的电压升高,称为工频过电压。工频过电压产生的原因包括空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的正常相电压升高、负荷突变等，工频过电压的大小与系统结构、容量、参数及运行方式有关。一般而言，工频过电压的幅值不高，但持续时间较长，对220kV电压等级以下、线路不太长的系统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。但工频过电压在超（特）高压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着决定性的作用，因为：①工频过电压的大小直接影响操作过电压的幅值；②工频过电压是决定避雷器额定电压的重要依据，进而影响系统的过电压保护水平；③工频过电压可能危及设备及系统的安全运行。我国超高压电力系统的工频过电压水平规定为：线路断路器的变电站侧不大于1.3.p.u（.p.u为电网最高运行相电压峰值）；线路断路器的线路侧不大于1.4.p.u。特高压工程工频过电压限值参考取值为：工频过电压限制在1.3.p.u以下，在个别情况下线路侧可短时(持续时间不大于0.3s)允许在1.4.p.u以下。电力系统中由于出现串、并联谐振而产生的过电压称为谐振过电压。电力系统中的电感，包括线性电感、非线性电感(如高压电抗器和变压器的励磁电抗)和4周期性变化的电感，当系统发生故障或操作时，这些电感可能与其串联或并联的电容(如线路电容和串、并联补偿电容)产生谐振从而分别引发线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。目前，人们采取改变回路参数、破坏谐振条件、接入阻尼电阻等多项措施，使谐振过电压得到有效限制。高压输电系统的电磁暂态和过电压的计算可用EMTP进行仿真计算研究。5.1空载长线路的电容效应5.1.1空载长线路的沿线电压分布对于长输电线路，当末端空载时，线路的入口阻抗为容性。当计及电源内阻抗(感性)的影响时，电容效应不仅使线路末端电压高于首端，而且使线路首、末端电压高于电源电动势，这就是空载长线路的工频过电压产生的原因之一。长度为l的空载无损线路如图5-1所示，E为电源电动势；1U、2U分别为线路首末端电压；SX为电源感抗；00C/CLZ为线路的波阻抗；00CL为每公里线路的相位移系数，一般工频条件下，km/06.0。线路首末端电压和电流关系为)cos()sin(j)sin(j)cos(221221lIlZUIlIZlUUCC(5-1)图5-1空载长线路示意图若线路末端开路，即02I，由式(5-1)可求得线路末端电压与首端电压关系5)cos(12lUU(5-2)定义空载线路末端对首端的电压传递系数为)cos(11212lUUK(5-3)线路中某一点的电压为)cos()cos()cos(12xlxUxUU(5-4)式中，x为距线路末端的距离。由式(5-4)可知，线路上的电压自首端1U起逐渐上升，沿线按余弦曲线分布，线路末端电压2U达到最大值，如图5-2所示。图5-2空载长线路沿线电压分布若90l时，从线路首端看去，相当于发生串联谐振，12K,2U，此时线路长度即为工频的1／4波长，约1500km，因此也称为1／4波长谐振。同时，空载线路的电容电流在电源电抗上也会形成电压升，使得线路首端的电压高于电源电动势，这进一步增加了工频过电压。考虑电源电抗后，根据式(5-1)，可得线路末端电压与电源电动势的关系为2SS11)]sin()[cos(UlZXlXIjUEC(5-5)6定义线路末端的电压对电源电动势的传递系数EUK202，令CS1ZtanX，代入式(5-5)，得)cos(cos)sin()cos(1S02llZXlKC(5-6)由式(5-6)可知，电源电抗SX的影响通过角度表示出来，当90l时，02K,2U，图5-3中曲线2画出了21时02K与线路长度的关系曲线（虚线），此时90l，线路长度为1150km时发生谐振。可见，电源电抗相当于增加了线路长度，使谐振点提前了。曲线1对应于电源阻抗为零的情况。从图5-3中看出，除了电容效应外，电源电抗也增加了工频过电压倍数。图5-3空载长线路末端电压升高与线路长度的关系5.1.2并联电抗器的补偿作用为了限制电容效应引起的工频过电压，在超、特高压电网中，广泛采用并联电抗器来补偿线路的电容电流，以削弱其电容效应。如图5-4所示，假设在线路末端并接电抗器PX，将P22XIjU代入式（5-1），并令PC1ZtanX，可求得线路首末端电压的传递系数为7)cos(cos1212lUUK(5-7)图5-4线路末端接有并联电抗器在线路末端并接电抗器，相当于缩短了线路长度，因而降低了电压传递系数。此时由首端看进去的入端阻抗将增大，用式（5-1）同样可以求出线路末端开路时入端阻抗为)cot(jZ)tan(jZ)sin()cos()sin()cos(j)sin()cos()sin(j)cos(jZCCCPCPCCPCP11RlllZXlllZXZlZXllZlXIU(5-8)式(5-8)中，PC1ZtanX，CP1ZtanX,且有90。通常采用的欠补偿情况下，线路首端输入阻抗仍为容性，但数值增大，空载线路的电容电流减少，同样电源电抗的条件下，降低了线路首端的电压升高。首端对电源的电压传递系数)cot(Z)cot(ZjZZCSCSRR101lXlXEUK(5-9)由式(5-7)和式(5-9)可求得线路末端对电源的电压传递系数，通过化简可得)cos(coscos120102lKKK(5-10)其中，沿线电压最大值出现在x处，线路最高电压为8)cos(cosθlEU(5-11)因此，并联电抗器的接入可以同时降低线路首端及末端的工频过电压。但也要注意，高抗的补偿度不能太高，以免给正常运行时的无功补偿和电压控制造成困难。在特高压电网建设初期，一般可以考虑将高抗补偿度控制在80％~90％，在电网比较强的地区或者比较短的特高压线路，补偿度可以适当降低。[例题5-1]某500kV线路，长度为400km，电源电动势为E，电源电抗100SX，线路单位长度正序电感和电容分别为mH/km9.00L、μF/km0127.00C,求线路末端电压对电源电动势的比值。若线路末端并接电抗器1034PX，求线路末端电压对电源电动势的比值及沿线电压分布中的最高电压。解：参数计算。线路的波阻抗：7.2651001275.0109.0/6300CCLZ波速：km/s1095.21001275.0109.01/156300CLv相位系数km/061.01001275.0109.01801006300CL6.20265.7100tanZtan1CS1X1.当线路空载，末端不接电抗器，线路末端电压最高，线路末端电压对电源电动势的比值为32.1)6.20400061.0cos(6.20cos)cos(cos02lK2.当线路空载，末端并接电抗器，94.141034265.7tanZtan1PC1X线路末端电压对电源电动势的比值为05.1)6.204.144.24cos(6.20cos4.14cos)cos(coscos02lK线路最高电压为EElE09.1)6.204.144.24cos(6.20cos)cos(cos5.2线路甩负荷引起的工频过电压输电线路输送重负荷运行时，由于某种原因，线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。此时影响工频过电压有三个因素：①甩负荷前线路输送潮流，特别是向线路输送无功潮流的大小，它决定了电源电动势E的大小。一般来讲，向线路输送无功越大，电源的电动势E也越高，工频过电压也相对较高。②馈电电源的容量，它决定了电源的等值阻抗，电源容量越小，阻抗越大，可能出现的工频过电压越高。③线路长度，线路愈长，线路充电的容性无功越大，工频过电压愈高。此外还有发电机转速升高及自动电压调节器和调速器作用等因素，也会加剧工频过电压升高。设输电线路长度为l，相位系数为，波阻抗为CZ，甩负荷前受端复功率为QPj，电源电动势为E，电源感抗为SX；1U、2U分别为线路首末端电压；。甩负荷前瞬间线路首端稳态电压为10)]j)(tan(j1)[cos()sin(jj)cos()sin(j)cos(**2*2C22C21QPllUlUQPZlUlIZlUU(5-12)式中，**QP、为以C22BZUS为基准的标幺值。同样，甩负荷前瞬间线路首端稳态电流为)]j)(cot(j1)[sin(j)cos()sin(j**2221QPllZUlIlZUICC(5-13)由等值电路可知，S11djXIUE，将式(5-12)和式(5-13)代入，可得甩负荷瞬间的电源电动势为)]}tan([j)tan()(1){cos(S*S*S*2dlZXPlZXQZXQlUECCC(5-14)dE的模值为2S2*2S*S*2d)]tan([)]tan()(1[)c