特高压输电线路过电压的分析报告

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1、特高压输电线路过电压的分析与研究高电压技术目录刖言第一章：特高压输电技术的发展第二章：特高压输电系统的分类第三章：特高压输电线路的分析第四章：参考文献、白.、前言特高压电网指1000千伏的交流或+800千伏的直流电网。特高压电 网形成和发展的基本条件是用电负荷的持续增长以及大容量、特大容 量电厂的建设和发展，其突出特点是大容量、远距离输电.用电负荷 的持续增长以及大容量、特大容量电厂的建设和发展呼唤特高压电网 的发展建设。那么，在世界范围内，虽然特高压输变电技术的储备是 足够的，但取得的运行经验是初步的，还存在风险和困难，有些技术 问题还需要进行深入的研究，同时累积运行经验。特高压交流输电线

2、路具有输送容量大、输电损耗低、节约线路走廊等优点，特高压电网 的建设可很好地解决超高压线路输送能力不足、损耗大、经济发达地 区线路走廊紧张以及超高压系统短路容超标等问题，在发电中心向负 荷中心远距离大规模输电、超高压电网互联等情况下具有明显的经 济、环境优势，是我国电网发展的方向。随着我国电力需求的快速增长，建设特高压电网已成为解决电网 发展需求的必然选择。为了特高压输电工程的安全运行和经济性，限 制特高压系统的过电压水平和合理选择绝缘水平是特高压输电工程 建设的关键技术课题之一。第一章 特高压输电技术的发展一、国际特高压输电技术的发展现状(1) 美国的特高压技术研究美国在AEP、和通用电力公

3、司等于 1974年开始在皮茨菲尔德的特高压输电技BPA术研究试验站进行了 可听噪声、无线电干扰、电晕损失和其他环境效应的实测。美国邦纳 维尔电力公司从1976年开始在莱昂斯试验场和莫洛机械试验线段 上进行特高压 输电线路机械结构研究，并进行了电晕和电场研究， 生态和环境研究、噪声和雷电冲击绝缘研究等。美国电力研究院(EPRI) 于1974年开始建设10001500kV三相试验线路并投入运行，进行 了深入的操作冲击试验和污秽绝缘子工频耐压试验，测量了电磁环 境指标，并进行了特高压输电线路电场效应的研究，以及杆塔的安装 试验、特大型变压器的设计和考核的试验研究。(2) 前苏联的特高压技术研究20世

4、纪60年代，前苏联为了解决 特高压输电的工程设计、设备制造问题，国家组织动力电气化部技术 总局、全苏电气研究所、列宁格勒直流研究所全苏线路设计院等单位 济宁特高压输电的基础研究。从1973年开始，前苏联在白利帕斯特 变电站 建设特高压三相试验线段，长度1.17km，开展特高压实验研 究。1150 kV设备由白利帕斯特变电站的500kV开关站通过一组 1150/500/10kV, 3 X 417MVA 自耦变压器供电。(3) 特高压在我国的发展现状，从长远看随着能源开发重点逐 渐西医河北一，能源的远距离、大规模输送是发 展的必然趋势。日 前，输电在我国能源输送中的比重明显偏低。特高压输送容量大、

5、距 离远、能耗低，占地省、经济好，与输煤相比，输电在效率、环保和 经济性等方面具有明显优势。从2004年底提出发展特高压以来，我 国用4年多的时间，建成了日前世界上输送能力最大、代表国际输 变电技术最高水平的特高压交流输变电工程，这在我国乃至 世界电 力发展史上都具有里程碑意义。晋东南南阳荆门特高压交流试验 示范工程的建成投运，是中国特高压恢弘蓝图的精彩起笔。日前四川 至上海特高压直流示范工程已经全面开工，后续特高压工程正在快速 有序推进。一个以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的坚强国家 电网正在向我们走来，这一快捷高效的电力“高速公 路”将随着特 高压电网的建设与发展，建设结构合理、技术先

6、进、资源配置能力强 的现代化大电网，促进大煤电基地、大核电和大型可再生能源基地的 集约化开发，不断促进能源资源在全国乃至更大范围内的合理配置， 保障国家能源安全，促进能源可持续发展，为我经济社会发展提供更 清洁、更高效、更经济的能源支撑。二、特高压电网的发展日标发展特高压输电有三个主要日标：(1)大容量、远距离从发电中心 向负荷中心输送电能。（2）超高压电网之间的强互联，形成坚强的互 联电网，日的是更有效地利用整个电网内各种可以利用的发电资源， 提高互联的各个电网的可靠性和稳定性。（3）在已有的、强大的超高 压电网之上覆盖一个特高压输电网日的是首端和末端之间大容量输 电的主要任务从原来超高压输

7、电转到特高压输电上来，以减少超高 压 输电的距离和网损，是整个电力系统能继续扩大覆盖范围，并更 经济更可靠运行。建设这样一个特高压电网的必然结果是以特高压输 电网为骨干网架，形成特高压、超高压和高压多层次的分层、分区， 结构合理的特高压电网。发展特高压输电的三个日标，实际上也是特 高压输电的三个主要作用。如何发挥特高压的输电作用，由国家电力 工业的的发展环境决定，同时也受到环境的制约。国家特高压骨干网 正在逐渐形成。根据超高压电网形成的过程、规律和特高压输电的作 用，以及中国发电资源和负荷中心的地理分布特点，中国特高压输电 预 计将从特高压远距离大容量输电工程或跨省区电网的强互联工程 开始，随

8、着用电负荷的持续增长，更多高效率的特大型发电机组投 入运行、更多大容量规模发电厂和发电基地的建设，“西电东送、 南北互供”输电容量的持续增加，将逐渐发展成为国家特高压骨干网， 从而逐步形成国家特高压电网。三、发展特高压的意义从中长期来看，我国能源消费仍将以煤炭为主，而我国煤炭资源 多分布在西部和北部地区。与此相对应，东中部地区已经基本没有环 境空间。考虑到东西部地区在环境空间、人口密度、电源装机密度等 方面的差异，通过发展特高压电网，加大西部、北部煤炭产区燃煤电 厂建设和电力外送力度，将煤炭资源更高比例地转化成电力，并远距 离输送至东中部地区，既可以缓解东中部地区的环境压力，充分利用 西部、北

9、部地区的环境容量空间，又可以减少全国的环境损失，具有 较大的环境效益。提升社会效益增强能源供给安全性，相较于超高压 输电，特高压输电还能够大量节省输电走廊，节约宝贵的土地资源。 我国西部地区地广人稀，建设燃煤电厂的土地使用条件较为宽松。东 中部地区经济发达、人口密集，土地价值高，资源十分稀缺。通过扩 大跨省跨区电力输送规模，可以大量节约东中部土地资源，在西部、 北部利用价值较低的土地资源建设电厂，替代东中部建厂的土地占 用，通过产业布局在全国范围内的优化，进一步提高土地资源的整体 利用效率。发展特高压电网，实际上还节约了燃煤运输资源，能够更 好地保障电力供应。未来，随着东中部地区煤炭资源的逐渐

10、枯竭和环 境条件制约，煤炭生产建设重点逐步西移、北移，煤炭运输距离将越 来越远，规模将越来越大。发展特高压电网，“输煤输电并举、加快 发展输电”是解决我国煤电运综合平衡难题的关键举措，对提高能源 生产、转换、输送和利用效率，优化利用全国环境资源，增强能源供 给的安全性意义重大。第二章特高压输电系统的分类特高压输电技术是指在500kV以及750kV交流和 500kV百流之上 采用更高一级电压等级的输电技术，包括交流特高压输电技术和直流 特高压输电技术两部分，由特高压骨干网架、超高压、高压输电网、 配电网及高压直流输电系统共同构成的分层、分区,结构清晰的大电 网。特高压输电是在超高压输电的基础上发

11、展的，其目的仍是继续提 高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以及实现远距离的电力 系统互联，建成联合电力系统。其具体分为特高压直流输电系统和特 高压交流输电系统。2、特高压直流输电系统概述目前，特高压直流输电技术在全世界都还没有成熟的应用经验， 在可行性研究阶段不仅需要对电磁环境影响、绝缘配合和外绝缘特性 等关键技术进行研究，而且还需要结合特高压的特点对输电方案拟 定、换流站站址选择、线路路径选择以及系统方案比较等主要技术原 则进行充分论证，才能为项目业主和政府主管部门提供可靠的决策依 据。在全世界范围内，20世纪80年代前苏联曾动工建设哈萨克斯坦一 中俄罗斯的长距离直流输电工程，输送距离

12、为2400km，电压等级为 750kV，输电容量为6GW；巴西和巴拉圭两国共同开发的伊泰普工程采 用了 600kV直流和765kV交流的超高压输电技术，第一期工程已于 1984年完成，1990年竣工，运行正常；1988-1994年为了开发亚马逊 河的水力资源，巴西电力研究中心和ABB组织了包括800kV特高压 直流输电的研发工作，后因工程停止而终止了研究工作。3、特高压交流输电系统概述特高压交流输电是指1000千伏及以上的交流输电，具有输电容 量大、距离远、损耗低、占地少等突出优势。特高压交流输电线路具 有输送容量大、输电损耗低、节约线路走廊等优点，特高压电网的建 设可很好地解决超高压线路输送

13、能力不足、损耗大、经济发达地区线 路走廊紧张以及超高压系统短路容量超标等问题，在发电中心向负荷 中心远距离大规模输电、超高压电网互联等情况下具有明显的经济、 环境优势，是我国电网发展的方向。特高压交流输电系统具有如下的 优势：按自然传输功率计算，1条特高压线路的传输功率相当于45 条500kV超高压线路的传输功率（约40005000MVA），这将节约宝贵 的输电走廊和大大提升中国电力工业可持续发展的能力。技术的角度 看，采用特高压输电技术是实现提高电网输电能力的主要手段之一， 还能够取得减少占用输电走廊、改善电网结构等方面的优势；从经济 方面的角度看，根据目前的研究成果，输送10GW水电条件下

14、，与其它 输电方式相比，特高压交流输电有竞争力的输电范围能够达到1000 1500公里。如果输送距离较短、输送容量较大，特高压交流的竞争优 势更为明显。特高压交流输电的发展前景：电力系统和输电规模的扩 大，世界高新技术的发展，推动了特高压输电技术的研究。从上世纪 60年代开始，前苏联、美国、日本和意大利等国，先后进行基础性 研究、实用技术研究和设备研制，已取得了突破性的研究成果，制造 出成套的特高压输电设备。前苏联已建成额定电压1150kV（最高运行 l200kV）的交流输电线路1900多公里并有900公里已经按设计电压运 行；日本已建成额定电压l0OOkV（最高运行电压llOOkV）的同杆双

15、回输 电线路426公里。百万伏级交流线路单回的输送容量超过5000MW，且 具有明显的经济效益和可靠性。4、特高压系统过电压的主要特点操作过电压是特高压线路和变电站绝缘配合的重要控制因素。 因此，要求把特高压系统操作过电压的相对值限制至相当低的水平。 500kV电网的操作过电压水平允许值为2.0p.u.以下，750kV电网的操 作过电压水平允许值为1.8p.u.以下，而1000kV电网的操作过电压水 平允许值要求降至1.7p.u.以下，甚至更低。3、课题研究内容本文基于特高压输电线路的特点，分别从内部过电压和外部过电 压两个方面对输电线路过电压原理和计算进行了简单的分析。内部过 电压方面：空载

16、线路的电容效应、接地故障（单相或两相）引起的工 频电压的升高、空载线路跳闸过电压进行分析，导出过电压计算公式， 为电力设备选型、继电保护提供一定的选择依据。外部过电压方面： 由于输电线路过电压主要原因是雷电灾害，主要讲解雷电过电压。第三章 特高压输电线路的分析（一）内部过电压1、线路末端的工频过电压工频电压升高主要是由空载线路电容效应、不对称接地故障和甩 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L、C串联电路中，如果容抗大于感抗，即1/L，电路中将流 过容性电流，它在电感上的压降Ul抬高了电容电压Uc，即Uc=E+U

17、L， （E为电源电动势），这种现象称为电容效应。空载长线路可以看成 是无数个串联连接的L、C回路，由于总的对地容抗一般远大于导线的 感抗，由于电容效应的影响，线路上的电压高于电源电压，而且越到 终端，电压越高。在电力系统稳态分析课程中，我们已经推导出了输 电长线路电压、电流的方程如下：U =U coshy I +1 Z sinhy i（1）122 cI = I coshy i +（U /Z ） sinhy i（2）122 c式中：U、I为线路任意点的电压、电流；U、I为线路末端电压、1122电流；Z = R + * 线路波阻抗，R、L、G、C分别是单位长度线路的 c ： G + jwC电阻、电

18、感、对地漏电导、电容；y (R + jwL)(G + jwC)输电线路传输常数；z 线路长度;对于和3,忽略对地电导G和线路R后，简化如下：y , (R + jwL)(G + jwC) = j 4LC(3)Z = :R + jwL = L(4)c G + jwC C线路末端接有负载的等值电路可由下图表示图1线路末端接有负载的等值电路根据上图，可列出电源电势、电压、电流的关系式:e=U +U +1 Z121 s将(1)(2)式代入上式可得末端电压U和电源电势E的关系如下:2U/ ZZ(1 + zs ) cosh yZ + ( zc + ZS) sinh yZ22 c当线路末端开路，i =0，Z

19、= 8，由y= j 3 JLC = j a，Z =L，则末端线路电压U与首端电源电势E的关系如下： 2U = E = E cos 甲2 cos a -、sin a g回 + 甲)c式中，Z为电源阻抗，Z为线路波阻抗，a为相位系数，在频率为Z50Hz 是，a = 0.06o/km,tan中=zs。如果电源容量为无穷大，即Z =0，c中=0，则有U = 1.2 =Ecosal图中画出了不同线路长度下的终端电压升高与长度的关系。可以看出，当a l=亶=90o，即1=90o/0.06。=1500km时，终端电压将趋于无 2穷大。当电源容量有限时，z0,由（7）式可知，这会增强电容效应，就如增加了导线长

20、度一样，谐振点提前了，如上图中曲线2所示，曲线 1对应于电源阻抗为零的情况。这是由于电源电抗的作用，线路始端电压U高于电源电动势，因而增大了线路的电容电流，使电路的工 1频电压升高趋于严重。电源容量越小，情况就越严重。所以，在估计 最严重的工频电压升高时，应以可能出现的电源容量最小的运行方式 为依据。2、空载合闸过电压合闸过电压在特高压系统的绝缘配合中，上升为主要矛盾，成为 选择特高压系统绝缘水平的决定性因素。在正常合闸时，若断路器的 三相完全同步动作，则按单相电路进行分相研究，可得到图（a）所 示的等值电路。在做定性分析时，还可忽略电源合线路电阻的作用， 这样就可以进一步简化成图（b）所示的

21、简单振荡回路。图（b）的回路方程为L# + u = u（t），考虑最不利的情况，即在电源 t电压正好经过幅值时合闸。有u =U + A sin t + B cos t式中振荡回路的自振角频率A、B积分常数当t =生时，u达到最大值，有匕=2U。实际上，回路存在电阻与能0cC 中量损耗，振荡将是衰减的，通常以衰减系数5来表示。即：u = U （1 -e-5t co 院 t），波形如图：C因在于这时线路上有一定残余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加表达式将为:u = U (cost 一 e-& cos t)， 波形如图:而电源电压并非直流电压U中，而是工频交流电压u(t)，这时的激烈，且在合闸过电

22、压中，以三相重合闸的情况最为严重，其过电压 理论幅值可达3U中3、两相接地故障K ifaUfa ,ie,Un ,7fc,Ufc!1如图表示f点发生两相(b、c相)短路接地，其边界条件显然是I =0； U =U =0fafb fc很类似，只是电压和电流互换，因此其转换为对称分量的形式为:上式与单相接地短路的边界条件UU=0. I +1 +1 =0f f （2）f （0）根据以上边界条件，可画出满足该条件的复合序网，即三个序网在故障点并联。由复合序网可求得故障处各序电流为I二fUA0z (2)z (0)七 z（1）L （2）+z （0）I = I -pf(2)f z 十 z (0)f (0)故障相

23、的短路电流为I = a 2 I + a I +1 = I fbf f (2) f (0) f (a 2 z (2二(0)z +z (0)I =aI +a21 +1 =I fc f f (2) f (0)f z + a2 zz (2) + z (0)两相短路接地时流入地中的电流为 _ I +Ifc=3 fz +z (0)由复合序网可求得短路电压的各序分量为 Z7 ZU =U =U = I (0)()(2)f f (2)f (0) f 乙、 + zy (2) (0)zy= UA0ZA 0 z zv (0)(0)()(2)+ Z ,Z ,+ Z ,Z ,短路处非故障相电压为. .UU/气若为纯电抗，

24、且、z= E，则&乙（0）U =3U Z faA 0X1 + 2 乙（0）& 乙U / U 与 x / x的关系曲线如右所示，对于中性点不接 地系统，非故障相电压升高最多为正常电压的1.5倍，小于单相短路 时电压的升高。（二）外部过电压1、雷击过电压雷电过电压指雷云放电时，在导线或电气设备上形成的过电压。由于特高压输电线路杆塔高度高，导线上工作电压幅值很大，比 较容易产生从导线向上先导，从而引起避雷线屏蔽性能变差。雷击是 造成输电线路跳闸停电事故的主要原因输电线路雷害事故引起的跳 闸，不但影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修 工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电输电线路的雷害事

25、故引起的 跳闸，不断影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维 修工作量，而且由于输电线路上的落雷引起的雷电波可能会沿着线路侵入变电所，造成不可估量的财产损失和人员伤亡。2、(1)输电线路雷电绕击的计算方法(2-1)(2-2)用电气几何模型，采用EGM进行特高压直流线路绕击雷电性能 的评估。EGM的基本原理为：由雷云向地面发展的先导头部到达距被 击物体临界击穿距离(简称击距)的位置以前，击中点是不确定的，先 到达哪个物体的击距之内，即向该物体放电，击距同雷电流幅值有关。 且采用了 IEEE标准所推荐的击距公式，见式(2-1)、(2-2)。r = 1010.65s3.6 + 1.7ln(

26、43 - y )10.65 (y 40m)c式中：I 一雷电流，kA；rs 一雷电对避雷线的击距，m；r 一雷电对大地的击距，m；Yc 一导线平均高度，m。对于导线的击距首先还需考虑其上的工作电压，雷电对导线的击距可 由下式确定。r =1.63(5.01510.578 U )1.125(2-3)式中：rc 一雷电对其上有工作电压的导线的击距，m；七一导线上工作电压瞬时值，MV。其次是地势影响，将地形分成三类：平原、丘陵和山岳。对于这三类 地形，在确定导线高度的参数时采用不同的原则，如：平原的导线高 度取导线平均对地高度，即考虑了导线弧垂；丘陵的导线高度取导线悬挂高度；山区的导线高度取2倍的导线

27、悬挂高度。导线对地的平均高度h因地形而异，计算方法见下公式： d平原：h = h 2S /3 丘陵：h d=h：d(2-4)山地：h = 2hld d t各种地形下避雷线对地的平均高度h计算方法见公式(2-5):bh =h + (h h ) + 2(S S )b db t d t 3 d b(2-5)式中：h 一杆塔上导线高度； h ； t 一杆塔上避雷线高度； S 一导线弧垂；S 一避雷线弧垂。再次是雷电入射角，以往在进行常规的输电线路雷电绕击计算中，雷 电先导是按垂直大地考虑的，但实际上也有雷电先导侧向击中导线的 情况发生，所以在本次绕击计算中考虑了雷电先导和垂直大地平面成 一定入射角(W

28、)的情况，入射角概率密度(g(W)采用日本的研究成 果，如式(2-6)所示。（2-6）g 邸）=0.75cos3（w）(2)、输电线路雷电反击计算方法输电线路雷电反击计算采用行波法计算。运行经验证明，雷击避 雷线的档距中间且与导线发生闪络引起闪络的情况是极罕见的，可不 予考虑。故在反击计算中仅考虑了雷击杆塔的情况。雷击塔顶时，导线上的电压七有如下3个电压分量:u = u (1k ) + u k +U sins t (2-7)c roi co ph式中：UR 一雷击塔顶在导线上形成的感应过电压分量；U1 一雷击点(塔顶、避雷线)的电压；Uph 一导线上工作相电压峰值；k 一避雷线与导线间的几何耦

29、合系数；k。一避雷线与导线间考虑避雷线上冲击电晕影响后的耦合 系数。雷击杆塔时，导线上的感应过电压的磁分量比电分量要小得多，故仅 考虑后者。若忽略导线至地面间场强的变化，且视为与地面处相同， 则雷电流斜角波作用下杆塔处导线上的感应过电压的电分量为：u =巴 ln妇(2-8)R p-c(1+p)(H t + d r)式中：B 一反放电速度与光速c的比值，取为0.3；ht 一杆塔高度，m；H 一导线的平均高度，m；dR 一雷击杆塔时，迎面先导的长度，m；a 一雷电流陡度，kA/it so对于迎面先导长度dR，取其等于击距(七)的50%，即：d = 510.65(2-9)对于输电线路的杆塔，杆塔主体

30、可依据横担位置分为几段，均等值成圆柱体，杆塔主体各段的等效半径按测量结果的经验公式计算：r = 3r r 2(2-10)式中:七一杆塔主体各段的等效半径，m； 七一杆塔主体各段顶部的半径，m； 、一杆塔主体各段底部的半径，m； n 一杆塔主体各段的标号。塔杆塔主体各段波阻抗Z可用式（2-11）计算：gtnZ =60 in h +90、-60（2-11）gtn r h engtn式中：hgtn 一杆塔主体各段的最大高度，m。杆塔的各横担，可用一个高ham、等值半径ram水平放置的圆柱体来 模拟。其波阻抗Z按水平传输线的波阻抗公式计算，见式（2-12）：Z =60 in f 2ham 1 （2-1

31、2）gam尸am）式中：r 一杆塔横担的等值半径，m；h 一杆塔横担的对地高度，m；m 杆塔横担代号，（m=1、2、）。（3）、特高压输电线路的防雷保护措施1）、减少发生雷击线路的绕击闪络率，主要有效的措施是减小 避雷线保护角，在不特别加大线路工程造价的情况下，应尽可能采用 较小的避雷线保护角，或通过综合计算对不同地形条件下的线路采用 不同的保护角。2）、减少发生雷击线路的反击闪络率，主要措施是增加线路绝 缘和减小杆塔接地电阻，对于单回特高压直流输电线路，因耐污和电 磁环境的要求，线路的绝缘子较长，且导线间距大，使线路的反击耐 雷水平较高。但对于同塔双回特高压直流线路而言，由于上导线对下 横担的距离较小，可能成为雷击闪络的频发点。参考文献1、电力系统暂态分析第三版2、特高压直流输电系统过电压及绝缘配合（刘振亚）3、高压电技术（第三版）4、电力系统过电压及电气绝缘保护（乔占俊）