胡玉生，商立群，刘培

（西安科技大学电气与控制工程学院，西安710054）

特高压串补输电线路熄灭潜供电弧的方法

胡玉生，商立群，刘培

（西安科技大学电气与控制工程学院，西安710054）

单相自动重合闸的成功合闸与潜供电弧的快速熄灭关系密切。在特高压串补输电线路发生单相接地故障时，为加快熄灭潜供电弧，提出采用一定数值的电阻短接故障相电容的方法。详细地阐述了潜供电流的频率特性，并给出直流分量的大小及衰减的快慢与故障时刻、弧道电阻的关系。最后以实际工程为例进行仿真计算。结果表明，该方法对潜供电弧的熄灭是实用和有效的。

特高压串补输电线路；潜供电弧；直流分量；短接电阻

当特高压串补输电线路发生单相瞬时性接地故障时，故障相两端断路器动作，切断一次短路电流，但此时电弧并未熄灭，由于非故障相通过静电耦合和电磁耦合仍然给故障点的对地电弧提供能量维持电弧的燃烧，该电弧即为潜供电弧。

为加快熄灭潜供电弧就必须阻断健全相对其提供能量，对于特高压输电系统而言，一般都装有并联电抗器来抑制工频过电压，所以在阻断健全相和故障相之间的能量传递时，目前工程上多采用在并联电抗器中心点接小电抗的方法[1]来抑制这种能量传递。为提高特高压输电系统的静态稳定性和线路的传输能力，串联电容器补偿在电网中被广泛应用；但串补的接入给潜供电弧引入了低频分量，加大了潜供电弧的自熄难度，目前在超高压中采用联动旁路故障相电容的方法消除低频分量。文献[2]仅就特高压输电线路在加装串联电容补偿后，在发生单相瞬时性故障时，分析了潜供电弧难以熄灭的原因，并指出串补可能给线路运行带来的过电压、次同步谐振等问题，但并未给出实际的抑制潜供电弧方法。文献[3-5]都仅仅从实验的角度描述了特高压潜供电弧的自灭特性，由于潜供电弧自灭特性受气象条件、绝缘子长度等随机性因素影响，所以实际中还是通过减小潜供电流和恢复电压来加速其自熄。本文从实际出发，研究单相接地故障时潜供电流中直流分量的特性及如何消除其对潜供电弧熄灭的影响。

1 特高压串补线路潜供电弧的特性分析

特高压串补输电线路在发生单相瞬时性接地故障时，由于串联电容器和并联电抗器的振荡作用，潜供电流和恢复电压中都会有低频分量的存在，该低频分量会导致潜供电流过零点次数减少，加大了潜供电弧的自熄的难度。为消除低频分量通常采用旁路串联电容的措施[6]，但在某些情况下潜供电弧还是难以快速自熄，原因在于在滤除低频分量后，潜供电流中还有较大的直流分量。

本文仿真我国特高压交流试验示范工程晋东南至南阳段南阳为开关站，线路长度为360 km，输电线路的参数为

在晋东南、南阳之间t=0.05 s时，分别距晋东南、南阳260、100 km处A相单相接地短路，接地电阻为30 Ω，0.08 s后线路动作，跳开A相，仿真时间为1 s，其等效电路见图1。图中C1、C0分别为输电线路单位长度的相间电容和对地电容；X1、X0分别为并联电抗器中性点接小电抗等效的相间感抗和对地感抗[7]；l为线路长度。

图1 单相接地故障时静电感应分量的等效电路Fig.1Equivalent circuit of static inductance component under single-phase earth fault

当开关K闭合时，开关处流过的电流即为潜供电流中静电感应分量，由于其占很大的比重，其值近似潜供电流的大小，潜供电流的计算式为

式中：C2为C1和X1并联的等效电容；E为故障前输电线路的电压幅值。串补线路潜供电流波形见图2。由图3可见，串补线路的潜供电流是一个幅值逐渐衰减的振荡曲线[8]，对其进行谐波分析，可以得到图3的频谱分析和表1中串补部分包含的各分量值。

图2 串补线路潜供电流波形Fig.2Waveform of secondary arc current with series compensation

图3 潜供电流的频谱分析Fig.3Frequency analysis of secondary arc current

表1 潜供电流各分量值Tab.1Each component value of secondary arc current

从图3和表1中知道串补线路潜供电流中主要包含工频分量、直流分量和一幅值较大的低频分量，该低频是在断路器跳开后，串补电容中的储能在回路中充放电产生的，严重影响电弧的熄灭[9]；为消除该低频的影响，工程上通常采用旁路电容器的方法。旁路电容后的潜供电流波形见图4。

图4 旁路后的潜供电流波形Fig.4Waveform of secondary arc current without series compensation

对图4中的旁路电流波形进行傅里叶分析可得到表1旁路串补部分的结果：潜供电流中仅含有工频分量和幅值较大的逐渐衰减的直流分量。

从表1中可得，串补线路在未旁路故障电容时潜供电流中包含直流分量、工频分量及低频分量，导致电弧难以自熄；旁路故障电容后，潜供电流中的低频分量被滤除，但是直流分量却变大了，电弧同样难以自熄。所以为保证潜供电弧的成功自熄，必须对直流分量进行分析，去除其对电弧自熄的影响。

2 潜供电流中直流分量的特性分析

假设A相发生单相接地故障时，其一次电弧期间的等效电路简化为图5所示。

图5 A相接地一次电弧期间等效电路Fig.5Equivalent circuit of A-phase earth fault occurred during the primary arc

故障电流满足表达式

其通解对应的齐次方程为

其解即为短路电流的直流分量，即

它按指数规律衰减，其中C为常数，是直流分量的起始值，Ta=L/R为衰减时间常数，其衰减的快慢与R、L相关。在L不变的前提下，R越大直流分量衰减的越快，即故障时接地电阻越大直流分量衰减越快。

在感性线路中，根据楞次定律，通过电感的电流是不能突变的，即短路前一瞬间的电流值必须与短路后一瞬间的电流值相等，所以直流分量的起始值C为短路前瞬时电流与短路后交流分量瞬时值之差；短路前瞬时电流越大，直流分量的起始值就越大。而短路前瞬时电流的大小又与电源电压的幅值有关，又由于短路的任意性，其幅值大小无法确定，所以直流分量大小也无法确定，但总存在某个时刻短路时，直流分量起始值有一个最大值。如果短路恰好发生在某些直流分量比较大的时刻，较大的直流分量就会导致潜供电弧的难以自熄。

综上所述：当直流分量的起始电流值过大，衰减的速度过慢时，即使旁路故障相补偿电容，消除了低频分量的影响，直流分量仍然会因为衰减的不够快幅值过大而造成潜供电弧的难以自熄，导致重合闸的失败。

3 小电阻短接故障相串补熄灭潜供电弧

由于潜供电流中的直流分量衰减快慢与短路的时刻和接地电阻有关，而短路瞬时的任意性和接地电阻阻值的不确定性，在大多数情况下仍会阻碍潜供电弧的自熄；并且在旁路故障相串补消除潜供电弧中低频分量时，又增加了直流分量，潜供电弧就更加难以自熄。

为消除这种阻碍潜供电弧快速自熄的直流分量，依据式（4）中直流分量的衰减快慢与R大小的关系，本文采用电阻短接故障相串补的方法来熄灭潜供电弧，同时为达到旁路串补消除低频分量的目的，电阻的阻值应选取较小的数值。

图6给出了在稳态下的潜供电流的沿线分布，包括短接故障相串补和未短接故障相串补两种情况，其中短接电阻为0相当于旁路故障相串补电容。从图中可以得到，短接故障相串补电容会使得潜供电流有所减小，但沿线分布的趋势并没有变；另外潜供电流的大小会受到短接电阻大小的影响，根据电路知识可知，短接电阻越小，串补度越小，潜供电流也就会越小。

图6 短接故障相串补对潜供电流的影响Fig.6Secondary arc current influence with shorting series compensation of fault phase

图7为短接故障相串联电容补偿的电阻阻值分别为0 Ω、10 Ω、30 Ω、50 Ω时，潜供电流的EMTP暂态仿真结果。从图中可看到潜供电流中的低频分量已被消除，直流分量的衰减速度得到加快。并且短接用的电阻阻值越大，潜供电流衰减越快，在短接电阻为10 Ω时，潜供电流衰减过慢，电弧难以自熄；在短接电阻为30 Ω、50 Ω时，熄弧效果良好，能够保证重合闸的成功。

图7 短接故障相串补时的潜供电流波形Fig.7Waveforms of secondary arc current with shorting series compensation of fault phase

图8所示是选取接地电阻为0、30 Ω时的恢复电压大小，可以得到，在采用小电阻短接故障相串补时，恢复电压的大小也会略有降低。

对于特高压交流试验示范工程晋东南至南阳段，本文建议可采用30～50 Ω的小电阻在故障时短接串补电容，既可加快潜供电流的衰减还可减小恢复电压的大小，从而保证潜供电弧的顺利自熄。

图8 短接故障相串补时的恢复电压Fig.8Waveforms of the recovery voltage with shorting series compensation of fault phase

4 结语

（1）在旁路故障相串补时，潜供电流中的低频分量被消除，但增大了直流分量。

（2）直流分量的起始值与故障时刻密切相关，而衰减速度随接地电阻变大而变大，但故障时刻和接地电阻都具有不确定性，在直流分量起始值很大而接地电阻很小的情况下，会导致熄弧困难。

（3）利用小电阻短接故障相串补能够加快直流分量的衰减，同时对恢复电压也有一定的抑制，能够加快电弧的自熄，提高了重合闸的可靠性。本文建议对于晋东南至南阳段采用小电阻为30～50 Ω之间的阻值较为合适。

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Secondary Arc Extinction in UHV Transmission Line with Series Capacitor Compensation

HU Yu-sheng，SHANG Li-qun，LIU Pei
（School of Electrical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

Successful single-phase-reclose is closely related to the quick self-extinguish of the secondary arc.In order to acceleratingly extinguish the arc，a method via a certain resistor to short up the fault phase capacitance is proposed when a single-phase ground fault occurres in UHV transmission line with series compensation.This paper elaborates frequency characteristics of secondary-arc currents，and indicates the relationship between the value，attenuation rate of DC component of the secondary arc and the fault time，arc way resistance.The result confirms that this method is feasible and effective to extinguish secondary arc.

ultra-high voltage（UHV）transmission line with series compensation；secondary arc；direct current component；shorting resistance

TM773

A

1003-8930（2014）08-0029-05

胡玉生（1986—），男，硕士研究生，研究方向为自适应重合闸。Email：290028965@qq.com

2012-12-27；

2013-06-07

陕西省教育厅科研计划资助项目（12JK0568）

商立群（1968—），男，博士，教授，研究方向为电力系统及其自动化。Email：851973009@qq.com

刘培（1989—），女，硕士研究生，研究方向为故障测距。Email：1311732258@qq.com