摘 要

随着高压、特高压输电线路的发展建设，输电线路和电气元件的使用安全和维护措施应该得到重视，尤其是因为误操作而引起的过电压。切空载线路在变电站中属于常规操作，而却因残留电压和电弧重燃会引发很大的操作过电压。本文对于切除空载线路引发的过电压的仿真分析，目的在于系统地介绍和仿真模拟这类过电压的触发机理和降压措施，为其他研究此过电压和降压措施的学者提供知识帮助和模型参考。

本文先对切除空载线路引发的过电压进行了物理过程的原因分析，在介绍了影响切空线过电压幅值的几个因素后，对多个电力电子常用模拟软件稍作分析后选择ATP-EMTP作为本次仿真的使用软件。选择J.Marti模型来搭建220kV架空线路电缆，在查阅了大量220kV输电电缆的参数后输入了一套合理参数设置出了LCC模型，对线路上的部分元件模型采用等值元件来替代，模拟仿真因为切除空载线路而引发的过电压的幅值，并分析了电弧重燃对过电压幅值的影响。在了解过电压的触发原理和对过电压幅值的影响因素后，分别从降低断路器触头间电压值、提前释放对地电容上的残留电压、用避雷器限制过电压幅值和控制触头间电压与对地电容电压的大小等角度来仿真降压程度，对每个措施和结果进行分析。

研究结果表明：在电弧不重燃的情况下，对地电容上的残留电压会比电源电压稍高一点但不会发生突变，在无泄流装置的情况下电压值基本不会发生变化。而电弧重燃在最理想的情况下会使对地电容中的残留电压根据重燃的次数成奇数次倍数增长。目前可行的降低过电压幅值的办法集中于降低断路器中触头间的恢复电压，包括使残留电压进行衰减自振，频率与电源电压一致或在断路器主、辅助触头间加装并联电阻让电阻上的恢复电压变小，亦可直接使用避雷器限制过电压幅值。未使用降压措施时过电压幅值在电弧重燃3次后直达5.298倍，但加装电抗器后幅值倍数均不超过1.5倍，加装避雷器时过电压幅值直接与避雷器伏安特性相关，加装并联电阻时过电压与并联电阻上的压降有关但基本不会超过电源电压1倍幅值。最根本的解决办法是改善断路器的结构使电弧不再重燃，但目前因使用、维护成本不理想而并未大范围使用。

关键词：空载线路；断路器；电弧；操作过电压

Abstract

With the development of high-voltage and UHV transmission lines, the safety and maintenance measures for transmission lines and electrical components should be taken seriously, especially due to over-voltage caused by misoperation. Cutting the no-load line is a normal operation in the substation, but it causes a large operating overvoltage due to residual voltage and re-ignition of the arc. In this paper, the simulation analysis of the overvoltage caused by the removal of the no-load line is aimed at systematically introducing and simulating the trigger mechanism and step-down measures of such overvoltage, and providing knowledge and model reference to other scholars who study this overvoltage and buck solution.

In this paper, the physical analysis of the overvoltage caused by the removal of the no-load line is carried out. After introducing several factors affecting the amplitude of the over-voltage of the cut-off line, the ATP-EMTP is used as the software for this simulation after a small analysis of the common simulation software of power electronics. The J.Marti model was selected to build a 220kV overhead line cable. After consulting a large number of 220kV transmission cable parameters, a reasonable set of parameters was set to set up the LCC model, and some component models on the line were replaced by equivalent simulation.Simulating the overvoltage induced by cutting off the no-load line, and the effect of arc re-ignition on the magnitude of the overvoltage is analyzed. After understanding the triggering principle of overvoltage and its influencing factors, the degree of voltage reduction is simulated by reducing the voltage between contacts of circuit breaker, releasing the residual voltage on ground capacitor in advance, limiting the amplitude of overvoltage with arrester and controlling the voltage between contacts and ground capacitor, and the results are analyzed.

The results show that the residual voltage on the ground capacitor will be slightly higher than that of the power supply without arc reburning, but there will be no sudden change in the voltage value without discharge device. In the most ideal case, arc reburning will increase the residual voltage of capacitor to ground by odd multiple according to the number of reburning. At present, the feasible methods to reduce the amplitude of overvoltage focus on reducing the recovery voltage between contacts in circuit breakers, including reducing the residual voltage to attenuate the self-oscillation, harmonizing the frequency with the power supply voltage, or installing parallel resistance between the main and auxiliary contacts of circuit breakers to reduce the recovery voltage on the resistance, or directly using arresters to limit the amplitude of overvoltage. When no step-down measures are used, the magnitude of overvoltage reaches 5.298 times after arc reburning three times, but the maximum magnitude is not more than 1.5 times after adding reactor. The magnitude of overvoltage is directly related to the voltage-ampere characteristics of arrester when adding arrester. When adding shunt resistance, the overvoltage is related to the voltage drop on shunt resistance, but it will not exceed the magnitude of power supply voltage by one time.The most fundamental solution is to improve the structure of the circuit breaker so that the arc will not be re-ignited, but it is not widely used because of the unsatisfactory cost of use and maintenance.

Key Words：No-load line；circuit breaker；Arc；Operating overvoltage

目 录

第一章 绪论 1

1.1 本文研究的目的与意义 1

1.2 切除空载线路过电压国内外研究现状综述 1

1.3 本文研究内容和工作安排 3

第二章 切空载线路引发过电压的基本原理 5

2.1 切空载线路引发过电压的原因 5

2.2 影响过电压幅值的因素 7

第三章 线路模型搭建和过电压仿真 9

3.1过电压的仿真软件选择与介绍 9

3.2 输电线路模型选择与分析 10

3.3 电缆模型建立与参数详解 13

3.4 不同情况下过电压的仿真情况 16

3.4.1 电弧不重燃时过电压仿真 16

3.4.2 电弧重燃三次时过电压仿真 17

第四章 限制过电压措施及模拟 19

4.1 改善断路器的结构 19

4.2 装设电抗器 19

4.3 装设避雷器 22

4.4 在断路器上加装并联电阻 24

第五章 总结 28

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

本文研究的目的与意义

自第二次工业革命以来，人类步入了“电气时代”，电也逐渐成为现代人生活中必备且不可缺少的重要能源。电给人类带来了便利和发展，但由于电的生产、变换、分配、输送和使用是同时进行的，不同于一般货物的生产运输，在发电输电方面有着较低的容错率。自1978年改革开放以来中国电力进入高速发展，各种电力等级的高压输电线路与特高压输电线路逐步设计建设出来。在变电输电时由于电气元件的特性、天气灾害和操作人员误操作等原因常常会有过电压产生。过电压包含由于天气灾害而产生的雷电过电压和由于电力系统内部电磁能量的转换和积累所引起的内部过电压。内部过电压分为暂时过电压和操作过电压，其中操作过电压的的持续时间一般在0.1s以内。过电压对输电线路的危害是不可忽视的，轻则造成机组停机、线路无法输电，重则对电气元件造成无法挽回的损伤。

在变电站中由于需要分合闸，也会带来以下操作过电压，如切断了空载线路引发的过电压或者切断了空载变压器引发的过电压。切空载线路是电网中的常见操作，而当断路器触头间的电弧熄灭的时候线路对地电容仍然存在的一定量的电压，在忽略泄露时此刻对地电容存留的电压将等于电源电压的幅值。此时若发生电弧重燃，基本上会产生电压大小接近3倍及以上的电源电压幅值的过电压。而由于在空载线路中没有能量的消耗途径，过电压现象最为显著。本文从此类过电压的触发机理开始分析，测试多种降低过电压的措施模拟，为降低切除空载线路过电压提出建议。

切除空载线路过电压国内外研究现状综述

中国的电力发展在近几十年极为迅速，装机量和发电量均已居于世界前列。而从上世纪80年代起中国就开始对特高压技术进行了跟踪研究，在2004年底开始大规模研究讨论、技术攻关和工程实践之后，我国特高压输电技术发展不断取得突破，先后建成、投运了特高压交流试验示范工程、特高压直流示范工程并持续安全稳定运行，标志着我国特高压技术已经成熟，自此中国先后规划、建设了多条国特高压线路。截至2017年底，中国已建成、投运十一条直流特高压线路、八条交流特高压线路，形成总长超过两万公里的输电骨干网架。为了更有效可靠地运行、维护特高压线路，必须将各种故障详情的发生机理和维护方式了解清楚，以便在出线短路、开路及过电压时能迅速准确地去排除故障，让高压输电和特高压输电有更好的运行保障。

如绪论所言，过电压中的内部过电压分为暂时过电压和操作过电压，而操作过电压中含有切除空载线路而引发的过电压。文献[1]对过电压产生原因进行了较为详细的物理过程的文字说明和分析，并简单举例了三种降低过电压的措施。浙江大学的赵智大教授借用行波理论和分布参数等值电路并以图形与文字结合的形式详细的分析了过电压产生主要机理，阐述了一些国电压得影响因素，同时亦介绍了一些降低过电压的方案和理由^[2]。长春工程学院电气与信息工程学院的张龙斌先生则在简单地解释了过电压产生原因后利用MATLAB软件中的SIMULINK程序建立了一个比较简单粗略的线路仿真模型，运行仿真程序后得出比较理想明显的电压波形，进一步展现了此类过电压的发生机理^[3]。虽然有很多研究材料中只有对切断空载线路引发过电压的简单阐述和初步重现，但也有不少研究人员开始对这类过电压重视了起来，开始更为深层次地探究。江苏的张华荣先生开始分析过电压的影响因素并探讨降压方案^[4]。内蒙古的杨朋威先生等人则搭建了±800kV扎鲁特换流站500kV交流系统仿真模型，对500kV线路的各项操作过电压进行仿真研究。以±800kV扎鲁特换流站交流场扎科三条线路为例，介绍了线路操作过电压原理，并利用EMTPE/EMTS电磁仿真软件进行了仿真建模，对切空载线路过电压进行了仿真分析，为系统调试提供了理论依据^[5]。文献[6]在考虑了切空载线路引发过电压的影响因素之后提出了对110kV线路电压等级的真空断路器的设想，通过综合分析，给出了最优切换瞬间控制策略和同步切换控制策略。考虑了真空断路器的合闸动作时间和预击特性，推导并计算了受控开关技术的最优时间点。根据110kV真空断路器的耐压性能和力学特性，用算法得到预电弧和最佳时间，并在EMTP-ATP中测试了该算法中建立的同步开关控制器的变压器系统。文献的实验结果表明，该控制开关更有效地满足了降低此操作过电压的要求。文献[7]从珠海市隧道电缆多次短路故障猜想电缆或其接头的损坏可能是由于过电压所引起的，基于最主要电气设备的珠海220 kV交流输电工程设计原理，建立了瞬时电压研究的仿真模型，在模拟了多个操作过电压后发现切空载线路引发的过电压幅值是最大的。

特高压交流输电技术的研究始于上世纪60年代后半期，当时的西方工业国家的电力工业处于快速发展时期，前苏联、美国、加拿大、意大利、日本、德国等等国家都根据本国的电力需求和经济增长预测，制定了国内特高压发展的计划。由于国外特高压研究比国内起步要早，各类相关文献也比国内研究文献要多一些或深入一点。来自泰国清迈大学的三位学生，Thararak P、Jirapong P和Janngoen P详细介绍了切空载线路引发的过电压的触发机理，并用PSCAD/EMTDC对从Khanom发电厂到Samui岛变电站的连接115kV地下和海底电缆系统进行了建模仿真，从控制断路器开关和加载避雷器的角度去尝试降低过电压倍数，发现在断路器中加入开光控制器虽为降低过电压的一种有效手段，但因使用和维护成本过高所以不推荐^[8]。来自美国的Gregory A. Franklin与Thararak P他们研究类似，均为详细介绍过电压触发机理后建立空载电缆模型并仿真分析。不同的地方在于Gregory A. Franklin主要研究了PSCAD/EMTDC与EMTP-RV/EMTPWorks两个仿真软件的对于仿真切空载线路引发的过电压的准确度和反应速度。在用两个软件分别仿真了电弧不重燃和电弧重燃后的过电压值后尝试在断路器加入并联电阻后仿真以测试此方法能否使过电压大小降低或无影响。在精度方面两个软件差异不大，在计算速度方面EMTP-RV/EMTPWorks稍有优势^[9]。来自伊朗tabriz城市Ebrahim Babaei等人的亦从解释过电压开始，而后在考虑降压方案时在给断路器主、辅触头添加并联元件时尝试了分别添加电阻、电感、电容。仿真结果显示添加并联电阻时降低过电压的效果最为显著^[10]。文献[11]在讨论降低过电压幅值的方案时考虑了在线路末端降低避雷器与在断路器中添加控制开关以控制电弧重燃，两种方法都明显地降低了过电压幅值，但如Thararak P所言，在断路器中添加控制开关这个方法确实可行且降幅值效果很明显，但安装、使用和维护成本过高，现阶段在高压和特高压输电线路上使用这个方案并不切合实际。来自伊朗的Heresh Seyedi, Smko Golabi和Zaher Abam三人为探讨在断路器中加装并联电阻的必要性对伊朗的阿塞拜疆省网络进行了全面的开关暂态研究，将与Tabriz 400 kV变电站相连的输电线路共计6条线路从线的两端分别进行模拟进行交流研究，每一段线路都拆分建立了11个电缆模型，每一次仿真均记录了每一段电缆模型末端的过电压。其后在断路器分别添加了100Ω电阻和200Ω电阻后依次对模型进行仿真，并依照伊朗当地对操作过电压的幅值最大值对每一段线路是否需要插入并联电阻和需要多大阻值的并联电阻提出了建议^[12]。

从上述国内外研究现状可以看出关于切空线过电压的研究成果已有不少，尤其是国外的学者研究方向比较广泛。本文将针对切除空载线路引发的过电压的触发机理、降压措施及降压仿真模拟进行系统、直接地阐述和阐释。

1.3 本文研究内容和工作安排

本论文将对切空载线路引发的过电压的原因深入理解，在理解了过电压的触发机理后利用ATP-EMTP选择JMARTI模型来搭建合适的LCC模型进行过电压仿真模拟并测试电压幅值。在测试完直接切断断路器的电压幅值和断路器电弧三次重燃时的电压幅值后分别尝试并入电抗器、在断路器主辅触头间加入并联电阻和在线路末端并接避雷器三个方案来测试降低过电压幅值的可行性，并给出合理总结。

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