4.3 特高压工频过电压种类

4.3.1 特高压工频过电压分类

特高压系统工频过电压可由空载长线电容效应、不对称接地故障和三相甩负荷（或三相分闸）三种因素中的一种或几种共同作用引起。特高压系统中的主要工频过电压种类如图4-8所示，由于空载电容效应和不对称接地故障单独发生时过电压水平相对较低，一般不予考虑。

1）单回特高压线路

单回特高压输电线路工频过电压主要包括无故障甩负荷、单相接地甩负荷以及两相接地甩负荷，其示意如图4-9所示。

根据规程规定，通常重点考虑正常输电状态下甩负荷和在线路出现接地故障后甩负荷两类故障状态下的工频过电压。单回线路两相接地引起线路一端三相分闸的故障发生概率很小，通常可酌情考虑。一般情况下，单相接地甩负荷过电压高于无故障甩负荷过电压，因此通常将单相接地甩负荷过电压作为单回特高压线路工频过电压的主要研究对象。

2）同塔双回特高压线路

对同塔双回特高压输电线路同样考虑正常输电状态下甩负荷和线路出现接地故障后甩负荷两类故障状态下的工频过电压。

但同塔双回输电线路需分单回运行和双回运行两种工况进行研究。与单回特高压线路类似，同塔双回线路单回运行时须考虑运行回路无故障甩负荷和单相、两相接地甩负荷三种工频过电压。双回运行工况下要考虑一回甩负荷和双回甩负荷的情况。一回甩负荷包括一回无故障甩负荷和一回接地（包括一相接地和两相接地）甩负荷；两回甩负荷包括两回无故障甩负荷和接地故障后两回甩负荷，其中接地故障后两回甩负荷根据接地故障相不同又分为同名相两相接地甩负荷和异名相接地甩负荷。同塔双回特高压线路单回运行和双回运行工况时的工频过电压的故障状态分别如图4-10和图4-11所示。

与单回线路一样，同塔双回线路单回运行时两相接地故障发生概率极小，同时同塔双回线路实际运行经验表明，两回同名相和异名相接地故障发生概率也很小。故同塔双回线路上一般主要考虑无故障甩负荷过电压和由单相接地引起的甩负荷过电压，而对于一回线路两相接地故障、两回同名相和异名相接地故障引起的工频过电压则均酌情考虑。

4.3.2 各种工频过电压的系统比较

工频过电压由于种类繁多，导致计算量大，故有必要对不同种工频过电压幅值进行比较，得出幅值较高的工频过电压种类，在研究计算中对其进行重点考虑，使工频过电压计算简化。

1）单回特高压线路

无故障甩负荷主要由误操作及继电器误动导致，有一定出现概率；单相接地故障则较为常见，占线路故障总数的80%以上[10]；而两相接地甩负荷过电压仅由雷电反击造成，在反击耐雷水平为150～175kA的500kV系统从未出现过反击造成两相接地的故障，计算表明1000kV系统反击耐雷水平超过250kA，更不可能出现反击造成的两相接地故障，故可认为两相接地故障几乎不会发生，不应作为研究重点。故从出现概率角度出发应主要考虑无故障甩负荷过电压和单相接地甩负荷过电压。

无故障甩负荷与接地甩负荷过电压的区别由接地故障造成。接地故障使健全相电压发生变化，单相接地前后健全相工频电压之比可用下式表示[11]：

式中，K为零正序阻抗比；Kj1为单相接地故障系数，U0、U分别为发生单相接地前后健全相上的工频电压。

由式（4-8）可以看出，从故障点向系统看过去的零正序阻抗比若大于1，则接地故障会使健全相电压升高。从故障点向系统看过去，首先是线路，然后才是电源，故从故障点向系统看过去的零正序阻抗比主要受线路阻抗影响，而特高压线路零正序阻抗比约为2.6，远大于1，故从故障点向系统看过去的零正序阻抗比一般也大于1，从而使接地甩负荷过电压幅值高于无故障甩负荷过电压幅值。故从过电压幅值角度考虑，单回特高压线路应重点考虑接地故障后甩负荷过电压。

对长度为400km的单回线路进行仿真，结果如图4-12所示。

从图中可以看出单相接地甩负荷过电压幅值均比无故障甩负荷过电压幅值高。因此，单相接地甩负荷过电压是单回线路工频过电压的最主要计算对象。

2）同塔双回特高压线路

与单回线路类似，同塔双回线路上一回两相接地故障和同名相、异名相接地故障均只可能由雷电反击造成，1000kV系统反击耐雷水平超过250kA，雷电反击导致这三种故障发生的概率极低，故规程认为酌情考虑上述三种故障引起的甩负荷过电压即可。因此，在实际工频过电压计算中不应将一回两相接地一回甩负荷过电压，同名相及异名相接地甩负荷引起的过电压作为研究重点。

从出现概率的角度排除了上述几种过电压之后，同塔双回线路工频过电压还有以下五种：单回运行方式下的一回无故障甩负荷和单相接地一回甩负荷，两回运行方式下的一回无故障甩负荷、单相接地一回甩负荷以及两回无故障甩负荷，如表4-2所示，本节将对这五种不同工频过电压的严重程度进行比较。

为确定表4-2各种过电压可按故障种类或运行方式分为几类，下面以同一类过电压的比较为切入点，对表4-2中各种工频过电压进行比较。

（1）相同运行方式下的不同类型工频过电压的比较

与单回线路类似，考虑不对称接地对健全相电压的提升作用，同塔双回线路单相接地甩负荷过电压的幅值会高于相同运行方式下无故障甩负荷过电压，如图4-13所示。

以长度为400km的双回线路为例进行仿真，计算三种情况下的甩负荷过电压幅值，计算中考虑电源正序阻抗及零正序阻抗比的变化，结果如图4-14所示。

从式（4-1）可知，单相接地甩负荷过电压随系统零正序阻抗比增大而增大，系统零正序阻抗比由线路和电源两部分决定，由于线路零正序阻抗比一般不变，故系统零正序阻抗比主要受电源零正序阻抗比的影响。电源零正序阻抗比越小，则系统零正序阻抗比越小，过电压越低。考虑极端情况，电源零正序阻抗比最小为0.4，故电源零正序阻抗比为0.4时，单相接地甩负荷过电压最小。图4-14中即使电源零正序阻抗比低至0.4时，单相接地甩负荷过电压仍大于无故障甩负荷过电压。事实上，电源零正序阻抗比很少低至0.4，对于电源零正序阻抗比很小的点对点线路，其等值电源零正序阻抗比一般也在1左右，此时，单相接地单回甩负荷过电压会更高于单回无故障甩负荷过电压。

（2）不同运行方式下相同类型工频过电压的比较

两种运行方式甩负荷前后线路结构的差异决定了两种方式下过电压幅值的相对大小。单回运行时（如图4-15（a）所示），运行的回路在甩负荷后仅与首端电源连在一起；两回运行时（如图4-15（b）所示），甩负荷的回路不仅与首端电源相连，而且还通过另一回线路与末端电源相连，相当于两个并联的电源与甩负荷后的空载线路相连，其电源的等值阻抗小于单回运行方式。因此双回运行方式下单回甩负荷工频过电压会比单回运行方式下小一些。同样，对于单相接地一回甩负荷，双回运行方式下不对称接地故障对健全相电压的抬升幅度也不如单回运行方式，导致其工频过电压也低于后者。对于一回无故障甩负荷和单相接地一回甩负荷的工频过电压，双回线路在不同运行方式下的工频过电压相对大小关系如图4-16所示。

对于不同电源正序阻抗下的双回线路，不同运行方式下一回无故障甩负荷和单相接地一回甩负荷引起的工频过电压幅值，结果如图4-17所示。

从图4-17可以看出，对于一回无故障甩负荷过电压和单相接地一回甩负荷过电压，两回运行方式时的幅值均小于单回运行方式。

（3）三种无故障甩负荷过电压的比较

三种无故障甩负荷时甩掉的容量差别造成其过电压差异。一般情况下，甩掉容量越大，则产生的过电压越严重。由于两回运行方式下一回线路传输容量小于单回运行方式下线路传输容量，而单回运行方式下线路传输容量又小于两回运行时总容量，导致两回运行时一回无故障甩负荷、单回运行时无故障甩负荷以及两回运行时两回无故障甩负荷三种故障情况下的工频过电压幅值依次递增，三者关系如图4-18所示。

以长度为400km的双回线路为例进行仿真计算。计算上述三种无故障甩负荷过电压幅值，由于无故障甩负荷与零正序阻抗比无关，但受正序阻抗影响，故计算中仅考虑电源正序阻抗变化的影响，结果如图4-19所示。

从图4-19可以看出，在三种无故障甩负荷过电压中，幅值从高到低的顺序依次为：两回运行方式下两回无故障甩负荷过电压、单回运行方式下无故障甩负荷过电压、两回运行方式下一回无故障甩负荷过电压。

综合以上分析，可得出如图4-20所示的同塔双回线路各种工频过电压相对大小关系。

可以看出，对于单回运行方式下一回无故障甩负荷和单相接地一回甩负荷、双回运行方式下一回无故障甩负荷和单相接地一回甩负荷这四种过电压，单回运行方式下单相接地一回甩负荷过电压最大。然而，仅从图4-20还无法判别两回无故障甩负荷过电压和单回运行方式下单相接地一回甩负荷过电压的大小关系，下面将进一步对两者的大小关系进行比较，以确定幅值最高的工频过电压种类。

（4）比较单回运行方式下单相接地甩负荷过电压与双回运行方式下两回无故障甩负荷过电压

计算比较单回运行方式下单相接地甩负荷过电压与双回运行方式下两回无故障甩负荷过电压，计算中考虑电源正序阻抗的影响。由于电源零正序阻抗比会对单相接地甩负荷过电压造成影响，计算时也对其进行考虑。计及零正序阻抗比的变化，结果如图4-21所示。

从图中可以看出，两回无故障甩负荷过电压随着电源正序阻抗的增加而增加；单回运行方式下单相接地甩负荷过电压同时受电源正序阻抗和电源零正序阻抗比影响，电源正序阻抗越大、电源零正序阻抗比越大，单回运行方式下单相接地甩负荷过电压越大。

图4-21中，梯形ABFD为单回运行方式下单相接地甩负荷过电压幅值的区域，在ABOED所包含的区域内，单回运行方式下单相接地甩负荷过电压均大于两回无故障甩负荷；仅有三角形EFO的面积内单回运行方式下单相接地甩负荷过电压小于两回无故障甩负荷。

也就是说，单回运行方式下单相接地甩负荷过电压与两回无故障甩负荷过电压的大小关系应视具体情况而定：对于电源正序阻抗较大、零正序阻抗比较小的线路，两回无故障甩负荷过电压较大；而对于电源零正序阻抗比较大的线路，单回运行方式下单相接地甩负荷过电压更高。但在极大多数情况下，电源零正序阻抗比很少会明显低于1，故通常情况下单回运行方式下单相接地甩负荷过电压会比双回运行方式下两回无故障甩负荷过电压更高。

综上，对于同塔双回线路工频过电压，单回运行方式下单相接地甩负荷过电压一般是最严重的。