(1)工频电压升高
工频电压升高主要是由空载线路电容效应、不称接地故障和甩负荷等原因引起的, 与系统结构、容量、参数及运行方式有关。由于特高压输电线路的充电功率大、线路长, 所以工频暂态过电压高。当采用避雷器限制这种过电压时, 为了防止避雷器的热崩溃, 对特高压系统工频暂态过电压的控制不仅要降低幅值, 而且还要控制持续时间。因此目前采用并联电抗器是限制工频过电压的有效措施。由于运行方式变化, 线路上的无功功率变化很大, 为了无功平衡和调压, 要求并联电抗器应能随线路输送功率而自动调节电感量, 因此目前国内外正在积极研究可控电抗器。
日本的特高压系统中并无并联电抗器, 而是采用继电保护方案限制工频过电压的持续时间。虽然它不限制工频过电压幅值, 但缩短了工频过电压的持续时间, 减小了金属氧化物避雷器(MOA)热负荷,可防止避雷器的热崩溃, 有利于选择MOA的额定电压。在可控电抗器技术尚不成熟的条件下, 我国可以借鉴这种方式。
继电保护的原理是: 在MOA接地引下线上,用TA取流过MOA电流信号, 甩负荷时, 线路末端过电压较高, 此电流幅值和持续时间大于某预定值,则立即向线路首端发出跳闸信号, 使过电压消除。因MOA具有优良耐受短时工频过电压的能力,采用此措施后, MOA的额定电压Ur 可以选用1.3 p.u. 而不是通常的原则,即Ur≥TOV( 1.5 p.u) ;相应地也使MOA的残压下降和使UHV过电压降低。由于我国拟建的特高压线路都在1 000 km 左右, 必须使用高压并联电抗器(高抗)补偿。尽可能考虑使用可控或可调高抗, 即在重负荷时, 运行在低补偿度, 有利于无功平衡和提高输送能力; 当出现工频过电压时, 快速控制在高补偿度。因此, 只要采用合适的限制措施, 我国特高压系统的工频过电压可以限制在1.3 p.u. ( 0.5 ～1 s) 和1.4 p.u.( 0.2 s) 以下。 (2)潜供电流
在特高压系统中, 不仅电压高而且线路的静电感应分量也大, 相应在故障相断开后, 由正常相静电感应产生的二次电弧电流(潜供电流) 也很大, 且持续时间长。因此在采用快速重合闸时, 故障点二次电弧的灭弧问题是保证重合是否成功的关键。能否使特高压线路的潜供电弧快速自灭, 是能否保证特高压系统稳定安全运行的关键之一。超高压系统中, 一般采用并联电抗器等方法达到限制潜供电流的目的。但我国特高压系统中, 如仍用固定并联电抗器, 则无功平衡和调压困难较大。为解决此问题,日本采用的一种新方法———高速接地开关(HSGS)方法可以借鉴, 接线如图1所示
高速接地开关操作过程描述如下:线路发生故障后约80ms, 两端线路断路器跳开;120ms时完成对两端断路器已经分闸的检查和确认;180ms时发出高速接地开关投入的指令;280ms时高速接地开关投入, 线路接地, 电弧熄灭;700ms时发出打开接地开关的指令;800ms时接地开关分闸;850ms时完成对高速接地开关已经打开的检查和确认;1000ms时线路两端断路器重合闸。整个无电流间隙时间小于1s, 有利于系统稳定。
在特高压系统中加快潜供电弧熄灭的措施有: a. 利用并联电抗器;
b. 采用高速接地开关HSGS。 (3)操作过电压
操作过电压是决定特高压系统绝缘水平的最重要依据。特高压系统主要考虑3种操作过电压:合闸( 包括单相重合闸)、和接地短路过电压。限制操作过电压的措施有: 依靠合闸、分闸电阻;依靠优良性能的避雷器。最大过电压倍数( λ) 与并联电阻值(R) 的关系如图2所示。
最大操作过电压为1.6～1.7 p.u( 相对地)，.6～2.8 p.u(相对相); 2 %统计过电压为1.5 ～1.6 p.u( 相对地) , 2.6～2.7 p.u.( 相对相)。在500kV系统中断路器不设分闸电阻, 因为SF6 断路器一般被认为不会重燃。对于UHV 系统, 两端电势相角差不大时, 其解列过电压就有可能超过1.6 p.u., 所以要把操作过电压限制在1.6 p.u以下, 就要在断路器上装分闸电阻( 合闸和分闸用一个电阻)。其目的是限制解列过电压。
目前, 特高压系统限制操作过电压的主要措施包括 a. 使用MOA, 它是限制操作过电压的主要手段之一; b. 使用断路器合闸电阻限制合闸过电压;
c. 考虑使用控制断路器合闸相位方法降低合闸过电压的可行性; d . 使用断路器分闸电阻限制甩负荷分闸过电压;__ e. 选择适当的运行方式降低操作过电压。 (4)内部过电压的计算方法
用于内部过电压的仿真计算方法主要有ATP -EMTP, Saber, PSpice,Matlab- Simulink 等[10,13～。ATP- EMTP 是以EMTP 为核心的图形化、交互式电磁暂态分析软件, 克服了EMTP 编程不方便的缺点。基于贝杰龙法的电磁暂态过程计算程序ATP- EMTP 是把求解分布参数
线路波过程的特性线法和求解集中参数电路暂态过程的梯行法结合起来, 形成的一种数值计算方法。
综上所述, 大量的研究和已有的运行经验表明,特高压系统的内部过电压不存在特殊的技术难题。
通过采用ATP- EMTP 等电磁暂态仿真计算研究, 选择合理的限制过电压的措施可将特高压系统的内部过电压限制在一定的水平。
五、特高压输电展望
根据我国的电力发展规划，到2020 年我国发电装机容量将达到995.00GW。根据世界各电网的发展规律，系统容量每翻两番就必须引进一个新的电压等级。考虑全国联网、西南水电外送、北部煤炭火电外送的需要，500kV 电压等级的输送容量和距离已不能满足需求。而特高压输电具有“容量大、损耗低、距离远”等优势，是实现能源资源优化配置的有效途径，在优化我国能源结构的同时，也能得到巨大的社会效益和经济效益。发展特高压电网能适应我国跨度极大的远距离、高容量的电力输送要求，促进煤电就地转化和水电大规模开发，实现跨地区、跨流域的水电与火电互济，将清洁的电能从西部、北部大规模输送到中、东部 地区。通过多年的研究，一系列重点工程的实践，证明了特高压输电技术在我国应用的可行性和可靠性。随着我国电力制造业工艺水平和生产实力的提高，国民经济进一步发展，国家政策的大力扶持，特高压技术必将发挥其优势，更加适应电力现代化地要求，开创电力工业发展新篇章。
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