10kV配电网空载长线合闸过电压影响因素分析

摘要：为研究不同特征参数对10kV空载长线合闸过电压的影响，以珠江三角洲某地区10kV空载长线为例，利用PSCAD仿真软件，分析了线路合闸时间、断路器并联合闸电阻阻值以及合闸时间配合对合闸过电压的影响，并通过对仿真结果的分析提出了限制合闸过电压的措施，以防止因合闸过电压过大而导致重合闸不成功，为10kV配电网长线路的运行提供了一定的参考。

关键词：10kV空载长线；PSCAD仿真；合闸过电压；重合闸；合闸成功率

作者简介：陈泽兴（1992-），男，广东汕头人，华南理工大学电力学院本科生。（广东 广州 510641）

中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）30-0191-02

在我国电力系统中，10kV配电线路的供电半径一般在10km以内，如果供电半径过长，不仅影响线路末端电压质量，线路损耗亦会增大。但是对于某些负荷密度较小的地区，为减小输变电工程的投资，适当延长供电半径是完全有必要的。[1，2] 供电半径的增长，使得线路对地电容增大，电容效应的问题更加突出。加上10kV配电网绝缘水平低，因故障跳闸次数多，在故障跳闸后重合空载长线时，由于空载长线电容效应引起工频电压的升高，会对操作过电压的幅值产生一定的影响。当过电压幅值超过重合闸的耐受电压，可能会引起继保动作，自动重合闸再次跳起，合闸不成功。[3-5]

目前，在高压输电网中合闸空载长线产生的过电压问题上，各国学者已经进行了较为详尽的分析，然而在低压配网长距离供电网络中，空载长线过电压的研究却不多。[6-9] 为此，本文建立10kV空载长线模型，通过PSCAD软件建立仿真模型，对影响合闸过电压的3种因素进行了详尽的分析，包括线路合闸时间、断路器并列合闸电阻阻值等方面，并总结出相应的解决和应对措施。

一、合闸过电压产生机理分析

在10kV配电网中，假设输电线路三相接线完全对称，且三相断路器同时合闸，则可按单相电路分析，等值电路可视为正弦电压源合闸于LC振荡回路的情况。[3，4]若考虑线路上存在的电阻，可将正弦电压合闸于RLC电路瞬间微分方程列写如下：

（1）

其中

则方程（1）的解的形式为：

（2）

式中：，

，

、分别为该方程解的暂态分量和稳态分量，暂态分量是迅速衰减的谐波函数。

从该微分方程解的形式可知，空载线路合闸时，产生过电压的根本原因是电容电感产生的振荡电压叠加在了稳态电压上，其过电压的幅值受到振荡电压大小的影响。[3，4]

二、仿真模型的建立

本文以珠江三角洲某地区10kV空载长线为例，通过PSCAD软件仿真分析该线路的重合闸过电压。该线路为架空电缆混合长线，总长约30km，其中电缆线路21.8km，架空线路8.2km。基于10kV配电网线路以该特征为主，因此对该长线路分析所得的结论具一定参考价值。

仿真时间从0时刻开始计时，开关合闸时刻电源电压处于峰值。仿真结果显示，进行合闸操作后，线路的电压波形的初始合闸时刻发生畸变，产生过电压，后趋于稳态，合闸过电压幅值可达稳态值的2.3倍。

上述对于合闸过电压的仿真仅基于特定情况（合闸时刻电源电压处于峰值、无并联合闸电阻等）下进行仿真，为使仿真结果更具一般性，通过仿真分析不同因素对合闸过电压的影响。

三、合闸过电压影响因素分析

1.合闸时刻对合闸过电压的影响

在交流输配电系统中，由于电源正弦交变，合闸时刻的不同影响了微分方程求解的条件，进而影响振荡电压幅值的大小，致使线路合闸过电压的幅值因合闸时刻的不同而不同。

为分析不同合闸时刻对合闸过电压的影响，基于上述空载长线模型，在正弦电源变化的一个周期内设置不同的合闸时间（第0.02s为电源电压过零点），利用PSCAD仿真分析，结果如图1所示。由图1分析可知：合闸空载长线时合闸时间对过电压幅值有一定影响，均在1/4和3/4个周期的时刻合闸过电压幅值达到最大，可以达稳态值的2.3倍，而在电源电压过零时，合闸过电压基本不存在。

以上分析只是基于残余电荷为0的情况，由过电压产生的机理分析可知，当线路存在残余电荷时，合闸过电压幅值会更大。

在合闸空载长线过程中，合闸时间存在不确定性，因此线路上的过电压也不是定值，这使得在电力系统过电压防护的措施中，要从合闸时间上限制合闸过电压不太现实。通过合闸过电压与合闸时间的关系分析，得出因合闸时间不同可能出现的最大过电压，对采取其他措施限制过电压具一定的借鉴意义。

2.并联合闸电阻阻值对合闸过电压的影响

在断路器中装设并联合闸电阻是限制合闸过电压较为常见的措施，[3-4]其原理可描述为：在主开关K2两端并联一个电阻，然后两者再与辅助开关K1串联，合闸时K1先闭合，然后经过几个毫秒K2闭合，从而完成合闸动作。

为了降低合闸过电压，闭合开关K1和K2的两个阶段中对电阻R值的选取是矛盾的。在合闸第一阶段，为了加强阻尼，减小过电压，电阻越小越好；而在第二阶段则相反，因为这样可以使电阻R在短接时回路的振荡减弱，降低过电压。

为确定线路合适的并联合闸电阻阻值，在该空载长线模型上，利用PSCAD软件进行仿真，并将合闸时间间隔取10ms，分析合闸过电压的大小随断路器并列合闸电阻阻值大小的变化关系，其结果如图2所示。

由图2分析可得，随着断路器并联合闸电阻值的增大，混合线路中的合闸过电压呈现出一条V形曲线。在并联电阻值约为160Ω时，合闸过电压幅值最小且与电路稳态电压值基本一致。

因此可以得出以下结论：在10kV架空电缆混合长线中，断路器并联合闸电阻的投入对合闸过电压幅值起到很大的衰减作用。合闸开关并联阻值在160Ω附近时线路合闸过电压幅值最小，基本上消除了过电压。故在10kV配电网架空电缆混合长线的应用上，建议将断路器并联合闸电阻的阻值设置为160Ω。

3.并联合闸电阻合闸时间配合对合闸过电压的影响

断路器并联合闸电阻能有效地限制空载长线的合闸过电压。而在并联合闸电阻的应用上，存在两个合闸开关合闸时间取值的配合问题。对此，在该空载长线模型上，利用PSCAD进行仿真研究，在K1不同的合闸时间下，设置不同的合闸间隔合闸K2，分析其时间配合对过电压幅值的影响。在进行仿真的过程中，将合闸电阻定为160Ω，K1合闸时间在电源电压变化一个周期内取值，在K1合闸时刻一定的情况下，分析K2的最适合合闸时间配合，其结果如表1所示。

由于K1合闸时间具有不确定性，故最合适合闸时间间隔的确定也具有不确定性。同时在仿真中发现，装设并联合闸电阻后，即使控制不同的合闸时间配合，最大合闸过电压也只有15.6kV，约为稳态值的1.1倍，故该合闸过电压对线路不会造成很大的影响。

由表1数据分析可知：合闸时间间隔的设置可以在一个周期内取值，综合考虑合闸电阻的热效应以及合闸时间间隔过小的不利影响，可将合闸时间间隔设置在6ms～14ms之间。

四、结语

在10kV配电网中，为减小输变电工程的投资，在某些负荷密度较小的地区可采用10kV长距离供电，但由于长线产生电容效应的影响，合闸过电压幅值过高的问题将不容忽视。

通过对10kV配电网架空-电缆混合长线的建模，分析了线路合闸时间、断路器并联合闸电阻阻值以及合闸时间配合对合闸过电压的影响，对10kV长距离供电合闸过电压问题提出了相应的解决措施：

第一，并联合闸电阻的投入可以对合闸过电压幅值起到很大的衰减作用。合闸开关并联阻值等于160Ω时线路合闸过电压幅值最小，基本上消除了过电压。

第二，合闸开关配合的时间间隔可以设置在一个周期内取值。综合考虑合闸电阻的热效应和合闸时间间隔过小的不利影响，可将合闸时间间隔设置在6ms～14ms之间。

参考文献：

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