王晨星， 王 聰， 彭 瓏， 王茂海

(1．華北電力科學(xué)研究院有限責任公司，北京 100045；2國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；3．國家電網(wǎng)公司華北分部，北京 100053)

0 引言

在華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)中，過電壓的計算與防護是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行工作中至關(guān)重要的一環(huán)[1-3]。為滿足各基建工程投產(chǎn)和運行的需要，通常會考慮系統(tǒng)調(diào)試和投入運行后可能出現(xiàn)的運行方式，進行工頻過電壓、操作過電壓等內(nèi)部過電壓的計算，并確定相應(yīng)的過電壓防護措施[4-10]。在高電壓、遠距離輸電工程中，由于工頻過電壓大小將直接影響操作過電壓幅值，并且其對設(shè)備運行性能等有重大影響，使得工頻過電壓成為影響和制約系統(tǒng)絕緣水平及輸送能力的重要因素[11-15]。因此，建立完善的工頻過電壓運行規(guī)則，進而對工頻過電壓的計算和防護提供充分且科學(xué)的判據(jù)，對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

目前，華北電網(wǎng)過電壓的計算與防護主要以現(xiàn)行標準[16-18]相關(guān)規(guī)定作為依據(jù)，但電源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)發(fā)展對工頻過電壓的運行規(guī)則提出了更加具體和完善的要求。隨著風(fēng)電等新能源大量替代傳統(tǒng)電源，截止2021年底，華北地區(qū)新能源裝機預(yù)計達到1.83億千瓦，占全部電源裝機的35.7%。尤其在錫盟交直流配套風(fēng)電大規(guī)模集中式送出背景下，暫態(tài)過電壓問題逐日凸顯，成為制約風(fēng)電輸送能力的重要因素[19-21]。以華北電網(wǎng)錫盟地區(qū)風(fēng)電送出系統(tǒng)為例，仿真計算和實際監(jiān)測中均出現(xiàn)了具有高幅值、短時限(小于100 ms)特征的工頻過電壓。對于該類過電壓，目前未有明確運行規(guī)定，而如果套用現(xiàn)行標準[16-18]中對長時限工頻過電壓運行限值的要求，將極大制約制錫盟地區(qū)整體風(fēng)電送出能力。因此，在現(xiàn)行過電壓規(guī)定基礎(chǔ)上，對風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)工頻過電壓運行規(guī)則作進一步地補充和細化，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

典型電氣設(shè)備在承受過電壓能力上具有反時限特點，從而為系統(tǒng)工頻過電壓規(guī)則的進一步完善在理論上提供了可能。從避雷器、變壓器、開關(guān)設(shè)備和互感器等設(shè)備性能角度出發(fā)，設(shè)備承受過電壓的能力通常呈現(xiàn)出耐受電壓大小與持續(xù)時間呈負相關(guān)的反時限特征[22-29]。因而在理論上，對于電力系統(tǒng)中的長時限(如持續(xù)數(shù)秒及以上)和短時限(如持續(xù)時間小于0.5 s)工頻過電壓，應(yīng)當具有不同的上限要求。鑒于現(xiàn)行標準及規(guī)程已經(jīng)對于長時限工頻過電壓上限做出了明確規(guī)定，因此補充和細化短時限內(nèi)工頻過電壓運行要求是完善電力系統(tǒng)過電壓運行規(guī)則的研究重點。

本研究在對華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)各電壓等級工頻過電壓現(xiàn)行規(guī)定進行梳理和總結(jié)的基礎(chǔ)上，劃分了系統(tǒng)工頻過電壓安全運行、禁止運行和待定3種情況，進而提出了完善現(xiàn)行工頻過電壓運行規(guī)則的方法；通過統(tǒng)計和分析各電壓等級避雷器工頻耐受時間特性數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)短時限內(nèi)工頻過電壓運行限值進行了擴展，形成了風(fēng)電集中式送出各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓運行規(guī)則的完善建議。

1 現(xiàn)行工頻過電壓運行規(guī)則

1.1 各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓限值要求

2)110 kV、220 kV系統(tǒng)不應(yīng)大于1.3 p.u.。

3)500 kV、1 000 kV系統(tǒng)母線側(cè)不宜超過1.3 p.u.，線路側(cè)不宜超過1.4 p.u.，持續(xù)時間不應(yīng)大于0.5 s。

按照以上要求，表1給出了華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出35 kV及以上電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓的運行限值。

1.2 工頻過電壓運行“3塊區(qū)域”劃分

由于電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓通常呈現(xiàn)隨時間不斷衰減直至達到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的特點，因此表1數(shù)據(jù)實際上也在時限層面上對電力系統(tǒng)工頻過電壓的運行做出了約束(為了便于分析，定義Uz為各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓規(guī)定上限，tz為最大工頻過電壓的允許持續(xù)時間)：

1)當持續(xù)時間在tz內(nèi)時，如果過電壓大小不超過Uz，必然能夠滿足現(xiàn)行標準和規(guī)程的要求。

2)當持續(xù)時間大于tz時，由于過電壓具有隨時間衰減的特點，因此tz之后工頻過電壓的大小也不應(yīng)超過表1給出的上限值。

表1 華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓(相對地)上限要求Table 1 Upper limits of power-frequency overvoltage (phase to ground) in centralized wind power transmission systems of different voltage levels in north China

3)在全時限范圍內(nèi)，考慮到避雷器對內(nèi)部過電壓的限制作用，工頻過電壓大小不應(yīng)超過現(xiàn)行標準對操作過電壓(持續(xù)時間一般小于20 ms)的規(guī)定上限[16-17]，如表2所示。

表2 各電壓等級系統(tǒng)中操作過電壓(相對地)上限要求Table 2 Upper limits of switching overvoltage (phase to ground) in power grids of different voltage levels

根據(jù)上述分析，以電力系統(tǒng)是否能夠安全運行為標準，可由工頻過電壓的大小和持續(xù)時間將系統(tǒng)運行情況劃分成3個區(qū)域，如圖1所示。

1)安全運行區(qū)：即過電壓大小和持續(xù)時間均低于現(xiàn)行標準規(guī)定限值的區(qū)域。例如：500 kV電壓等級系統(tǒng)中，工頻過電壓大小在規(guī)定上限值以下，且持續(xù)時間在0.5 s以內(nèi)的區(qū)域；以及在全時限范圍內(nèi)，在標準[30]規(guī)定系統(tǒng)最高運行電壓(即系統(tǒng)標稱電壓乘110%)以下的區(qū)域。

2)禁止運行區(qū)：即過電壓大小和持續(xù)時間均高于相關(guān)現(xiàn)行標準中規(guī)定上限的區(qū)域。例如：500 kV電壓等級系統(tǒng)中，工頻過電壓大小在表1所示規(guī)定上限以上，且持續(xù)時間長于0.5 s的區(qū)域。

3)待定區(qū)：即位于安全運行區(qū)與禁止運行區(qū)之間的運行區(qū)域，例如：500 kV電壓等級系統(tǒng)中，過電壓持續(xù)時間低于0.5 s，但大小高于表1所示規(guī)定上限(不超過表2所示操作過電壓規(guī)定上限)的區(qū)域；或者過電壓大小低于表1所示規(guī)定上限，但持續(xù)時間長于0.5 s的區(qū)域。

圖1 標準規(guī)定工頻過電壓運行要求示意圖Fig.1 Diagram of operating requirements of power-frequency overvoltage ruled by standards

1.3 現(xiàn)行工頻過電壓運行規(guī)則存在的不足

現(xiàn)行標準在一定程度上對各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓的大小和時限做出了規(guī)定，但仍存在一定不足，主要體現(xiàn)在：

1)如圖1所示，在不同時限內(nèi)，現(xiàn)行標準指出了工頻過電壓的安全運行和禁止運行條件，但仍存在運行判據(jù)未被明確的“待定區(qū)”。例如：在華北電網(wǎng)中，針對錫盟地區(qū)風(fēng)電送出能力的仿真計算和實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，500 kV系統(tǒng)出現(xiàn)了持續(xù)時間約為50 ms、大小約為1.4～1.6 p.u.的工頻過電壓，該過電壓即處于圖1中的現(xiàn)行過電壓運行規(guī)則未給出明確規(guī)定的“待定區(qū)”內(nèi)。鑒于工程中要求系統(tǒng)長期運行電壓不超過標準[30]規(guī)定上限，因此細化短時限(tz之內(nèi))過電壓運行規(guī)定的“待定區(qū)”是研究的關(guān)鍵——從另一個角度看，相當于對該時限范圍內(nèi)的安全運行條件和禁止運行條件作進一步擴展。

2)不同電壓等級系統(tǒng)的最大工頻過電壓允許持續(xù)時間tz存在差異。對于500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，按照現(xiàn)行標準規(guī)定以及工程中過電壓保護動作要求，取0.5 s；但對于35 kV、110 kV和220 kV系統(tǒng)，現(xiàn)行標準未給出明確規(guī)定，并且通過對華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在該電壓等級下工程中未對tz值設(shè)置相應(yīng)的工頻過電壓保護動作，即220 kV及以下電壓等級系統(tǒng)最大工頻過電壓允許持續(xù)時間有待進一步明確。

2 系統(tǒng)工頻過電壓安全運行限值擴展方法

系統(tǒng)過電壓運行滿足現(xiàn)行標準[16-18]的相關(guān)規(guī)定是保證電力系統(tǒng)安全可靠運行的基本前提，除此之外，系統(tǒng)中主要電氣設(shè)備耐受過電壓性能也是確定系統(tǒng)工頻過電壓安全運行條件的重要考慮因素——后者也正是對系統(tǒng)工頻過電壓運行限值進行擴展的主要依據(jù)。對于現(xiàn)行標準中未給出明確運行要求的“待定區(qū)”，細化該區(qū)域等同于對工頻過電壓安全運行條件或禁止運行條件進行擴展，擴展主要分以下4個步驟進行：

1)第一步，以35 kV～1 000 kV電力系統(tǒng)過電壓的現(xiàn)行標準規(guī)定為依據(jù)，由工頻過電壓大小及持續(xù)時間劃分出安全運行區(qū)、禁止運行區(qū)和待定區(qū)。

2)第二步，廣泛統(tǒng)計工程中典型電氣設(shè)備承受工頻過電壓能力的相關(guān)性能數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的絕緣水平、避雷器的TOV耐受特性、變壓器的過勵磁性能等。實際上，考慮到對于部分設(shè)備性能，相關(guān)標準并未提出具體要求和明確規(guī)定，因此有必要對工程中相關(guān)制造廠家提供的設(shè)備過電壓運行能力數(shù)據(jù)進行充分收集和分析。

3)第三步，從典型設(shè)備耐受工頻過電壓能力數(shù)據(jù)中，總結(jié)規(guī)律并篩選出最劣性能，并以之作為擴展系統(tǒng)過電壓運行規(guī)則的依據(jù)。根據(jù)“木桶原理”，電力系統(tǒng)過電壓運行要求在原則上應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中設(shè)備的最劣過電壓耐受特性?！白盍印钡暮x包括兩個：一是比較各廠家設(shè)備工頻耐受性能數(shù)據(jù)，耐受電壓最小、允許持續(xù)時間最短者為最劣；二是將篩選出的最劣性能點作為該類設(shè)備過電壓耐受能力的上限，即一旦過電壓大小或時間超過該數(shù)值，設(shè)備即發(fā)生故障。

4)第四步，結(jié)合系統(tǒng)過電壓運行標準規(guī)定、設(shè)備過電壓耐受能力標準規(guī)定、設(shè)備過電壓耐受能力廠家數(shù)據(jù)3個方面的依據(jù)，細化系統(tǒng)過電壓的安全運行和禁止運行條件，擴展不同時限內(nèi)工頻過電壓運行限值，形成具有反時限特性的系統(tǒng)過電壓運行規(guī)則。原則上，系統(tǒng)過電壓禁止運行區(qū)應(yīng)為由各類設(shè)備性能得到的禁止運行區(qū)的“并集”，即其為各類電氣設(shè)備過電壓禁止運行條件的加和；而系統(tǒng)過電壓安全運行區(qū)應(yīng)為各類設(shè)備安全運行區(qū)的“交集”，即在該區(qū)域需滿足各類設(shè)備均能夠安全運行。

3 基于避雷器特性擴展過電壓運行規(guī)則

3.1 由避雷器擴展工頻過電壓運行限值可行性

與常規(guī)電氣設(shè)備相比，避雷器對于電力系統(tǒng)過電壓運行規(guī)則的確定具有特殊意義，其原因在于避雷器不僅要承受過電壓作用，還要對其他設(shè)備提供過電壓保護。避雷器的伏安特性是決定其過電壓保護作用的關(guān)鍵性能，以500 kV系統(tǒng)變電站側(cè)避雷器(型號：Y20W-420/1046)為例，其典型伏安特性曲線如圖2所示。圖2中，UNmA為避雷器起始動作電壓，即拐點電壓，拐點處有電流為毫安級(NmA)的殘壓值，通常N=1，即1 mA直流電流通過避雷器內(nèi)部電阻元件時，在其兩端所測得的直流電壓值。在拐點電壓以下，避雷器近乎關(guān)斷而處于“不動作區(qū)”，可認為其不對設(shè)備提供過電壓保護；當系統(tǒng)電壓高于避雷器拐點電壓時，避雷器導(dǎo)通電流隨電壓增加而驟增，處于動作區(qū)的避雷器由于呈現(xiàn)低阻值狀態(tài)而將被保護設(shè)備兩端電壓限制在一定水平——此時，只要避雷器能夠承受該過電壓，則被保護設(shè)備必然能夠得到有效的過電壓保護。

圖2 500 kV系統(tǒng)避雷器(變電站側(cè))典型伏安特性曲線Fig.2 Typical volt-ampere characteristics of arresters (substation side) in 500 kV systems

實際上，工程中避雷器的拐點電壓近似等于系統(tǒng)暫時過電壓(峰值)規(guī)定上限(如表1所示)，因此當系統(tǒng)過電壓高于暫時過電壓上限時，避雷器即處于動作狀態(tài)以對變壓器等設(shè)備提供過電壓保護。由圖1可知，在長時限(>0.5 s)區(qū)域，系統(tǒng)過電壓應(yīng)低于暫時過電壓上限，因而此時避雷器處于不動作狀態(tài)；而在短時限(<0.5 s)區(qū)域，當系統(tǒng)過電壓超過暫時過電壓規(guī)定上限時，避雷器處于動作狀態(tài)，此時避雷器對設(shè)備提供過電壓保護。

避雷器能夠?qū)υO(shè)備提供有效過電壓保護的原理在于二者的伏秒特性配合，圖3給出了避雷器與被保護設(shè)備伏秒特性配合的典型示意圖。由圖3可以看出，相比于被保護設(shè)備，避雷器的伏秒特性曲線位置較低、較為平坦，使得在相同過電壓作用下避雷器能夠先于設(shè)備放電，對過電壓能力進行吸收，從而防止設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，形成對設(shè)備的有效保護。

圖3 避雷器與被保護設(shè)備伏秒特性配合示意圖Fig.3 Diagram of voltage-time characteristics coordination of arresters and protected equipment

顯然，在短時限(<0.5 s)內(nèi)，只有當動作狀態(tài)避雷器耐受過電壓低于被保護設(shè)備時，避雷器才能提供有效的過電壓保護。實際上，對于不同類型過電壓，現(xiàn)行標準要求設(shè)備耐受水平與避雷器保護水平間存在一定安全裕度，并將二者之比定義為配合系數(shù)[16]。因此，從過電壓運行角度，只需將系統(tǒng)中過電壓限制在避雷器耐受電壓以下，就能確保其他各類被保護設(shè)備的安全運行。

3.2 避雷器工頻耐受時間特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

避雷器耐受暫時過電壓(TOV)的能力是決定其能否對被保護電氣設(shè)備正常發(fā)揮過電壓保護作用的關(guān)鍵性能，該性能通常由避雷器的工頻電壓耐受時間特性表征。避雷器的工頻電壓耐受時間特性是表明避雷器在運行中，吸收了規(guī)定的過電壓能量以后耐受暫時過電壓的能力，其在理論上是指在規(guī)定條件下對避雷器施加不同的工頻電壓后，避雷器不發(fā)生熱崩潰時所的電壓與最大持續(xù)時間對應(yīng)關(guān)系曲線。

工程中，避雷器TOV耐受特性主要以制造廠家提供的數(shù)據(jù)作為參考。按照相關(guān)標準[22]，廠家應(yīng)進行避雷器工頻耐受時間特性型式試驗，列出從TOV曲線中得到的對應(yīng)于時間點0.1 s、1 s、10 s、100 s和1 000 s的耐受值，并應(yīng)包括有預(yù)負載和無預(yù)負載的數(shù)據(jù)，應(yīng)注明公布的曲線和列表適用避雷器額定值的范圍。對于標稱放電電流In≥5 kA的避雷器，避雷器制造廠家應(yīng)公布0.1～1 s、1～10 s、10～100 s和101～3 600 s 4個時間段內(nèi)在有預(yù)負載情況下的工頻電壓耐受時間特性數(shù)據(jù)。

華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)中，由于不同制造廠家避雷器的工頻電壓耐受時間特性可能存在差異，為此廣泛收集了主流避雷器廠家(在華北地區(qū)風(fēng)電送出35 kV及以上系統(tǒng)避雷器市場份額占比高于70%)TOV耐受特性數(shù)據(jù)，被統(tǒng)計避雷器的主要參數(shù)如表3所示。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，同一電壓等級下，不同廠家避雷器的工頻電壓耐受時間特性差異不大，尤其對于避雷器0.1s的TOV值，各廠家數(shù)據(jù)具有較高的一致性。從系統(tǒng)過電壓最嚴格運行條件角度出發(fā)，由各廠家避雷器數(shù)據(jù)得到的最劣工頻電壓耐受時間特性統(tǒng)計如表3所示。

表3 各電壓等級交流系統(tǒng)被統(tǒng)計避雷器(變電站側(cè))的典型參數(shù)Table 3 Typical parameters of arresters (substation side) in AC power grids of different voltage levels

表4 華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出各電壓等級系統(tǒng)避雷器(變電站側(cè))最劣TOV耐受特性(相對地)統(tǒng)計Table 4 Statistics of worst TOV withstand characteristic (phase to ground) of arresters (substation side) in centralized wind powertransmission systems of different voltage levels in north China

圖4 由避雷器TOV耐受特性擴展500千伏系統(tǒng)工頻過電壓運行規(guī)則示意圖Fig.4 Diagram of extension of power-frequency overvoltage operating rules based on TOV characteristics of arresters

可以看出，圖4在現(xiàn)行標準規(guī)定(見圖1)基礎(chǔ)上對各時限范圍內(nèi)待定區(qū)的工頻過電壓運行規(guī)則進行了細化和完善：

1)運行時限在0.1 s以內(nèi)：由避雷器TOV耐受特性，將安全運行區(qū)由不超過現(xiàn)行標準[16-18]規(guī)定工頻過電壓上限1.3 p.u.擴展至不超過避雷器在0.1 s的工頻耐受電壓1.6 p.u.。

2)0.1 s～0.5 s運行時限范圍內(nèi)，將安全運行區(qū)由不超過現(xiàn)行標準規(guī)定工頻過電壓上限1.3 p.u.擴展至不超過避雷器在1.0 s的工頻耐受電壓1.45 p.u.；將禁止運行區(qū)由操作過電壓上限2.0 p.u.之上擴展至避雷器在0.1 s的工頻耐受電壓1.6 p.u.之上。

3)0.5 s以上運行時限，將0.5 s～10 s、10 s～1 200 s的安全運行區(qū)由不超過系統(tǒng)長期運行最高電壓1.0 p.u.分別擴展至不超過現(xiàn)行標準規(guī)定上限1.3 p.u.和不超過避雷器在1 200 s的工頻耐受電壓1.2 p.u.；將1 200 s之后禁止運行區(qū)由現(xiàn)行標準規(guī)定工頻過電壓上限1.3 p.u.之上擴展至避雷器在1 200 s的工頻耐受電壓1.2 p.u.之上。

需要注意的是，圖4中由避雷器TOV耐受特性得到的禁止運行區(qū)可直接在現(xiàn)行規(guī)定禁止運行條件基礎(chǔ)上進行擴展；而對于由避雷器TOV特性得到的安全運行區(qū)，理論上還需由其他電氣設(shè)備的工頻過電壓耐受性能進行校驗。

3.3 0.1 s短時限內(nèi)工頻過電壓運行限值擴展

雖然系統(tǒng)過電壓安全運行條件需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)各類電氣設(shè)備承受過電壓的能力，但在0.1 s短時限內(nèi)可完全以避雷器TOV特性作為擴展系統(tǒng)過電壓安全運行規(guī)則的依據(jù)，理由如下：

1)0.1 s短時限內(nèi)，避雷器的工頻耐受電壓全面低于其他被保護設(shè)備，即避雷器是系統(tǒng)工頻過電壓運行的“短板”設(shè)備。受到現(xiàn)行標準及工程實際過電壓保護動作約束，持續(xù)時間超過一定時限的工頻過電壓不得高于規(guī)定上限——例如對于500 kV系統(tǒng)，0.5 s時限以上的工頻過電壓不得高于1.3 p.u.，此時避雷器處于近乎關(guān)斷的狀態(tài)而不對設(shè)備提供過電壓保護。但在0.1 s之內(nèi)，當系統(tǒng)過電壓高于標準規(guī)定暫時過電壓上限時，設(shè)備的過電壓保護主要由避雷器實現(xiàn)。由圖3可知，動作狀態(tài)下避雷器的伏秒特性低于被保護設(shè)備，即相同時限下避雷器的工頻電壓耐受值一定低于被保護設(shè)備。

2)避雷器0.1 s時限耐受工頻電壓是現(xiàn)行標準及工程規(guī)定明確提出需要由制造廠家公布的重要參數(shù)，因而可以作為系統(tǒng)短時限內(nèi)過電壓安全運行的可靠依據(jù)。根據(jù)標準[22]，避雷器制造廠家應(yīng)用表格形式列出從曲線中得到的對應(yīng)于時間點0.1 s、1 s、10 s、100 s和1 000 s的TOV耐受值。通過對華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)各電壓等級避雷器TOV耐受數(shù)據(jù)進行調(diào)研，得到同電壓等級下不同廠家避雷器0.1 s工頻耐受電壓基本一致，各電壓等級避雷器(變電站側(cè))0.1 s耐受工頻電壓如表5所示。

表5 華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出各電壓等級系統(tǒng)避雷器(變電站側(cè))0.1 s工頻耐受電壓Table 5 Power-frequency withstand voltages of arresters (substation side) in 0.1 second in wind powertransmission systems of different voltage levels in north China

4 風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)工頻過電壓運行規(guī)則完善建議

4.1 工頻過電壓安全運行條件的擴展原則

基于上文分析，在現(xiàn)行標準對各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓運行規(guī)定基礎(chǔ)上，可由避雷器TOV耐受特性對短時限內(nèi)的工頻過電壓的安全運行條件進行擴展。不同時限工頻過電壓的運行規(guī)則如下：

1)過電壓時限在0.1 s之內(nèi)時，以避雷器TOV耐受值作為工頻過電壓上限。例如500 kV系統(tǒng)，將安全運行區(qū)由不超過現(xiàn)行標準[13]規(guī)定工頻過電壓上限1.3 p.u.擴展至不超過避雷器在0.1 s的工頻耐受電壓1.6 p.u.。

2)過電壓時限在0.1 s至最大工頻過電壓允許持續(xù)時間時，以現(xiàn)行標準規(guī)定及工程要求最大工頻過電壓作為上限。關(guān)于工頻過電壓的大小，各電壓等級系統(tǒng)的工頻過電壓上限要求如表1所示。關(guān)于最大工頻過電壓的允許持續(xù)時間，根據(jù)現(xiàn)行標準[16-18]，結(jié)合對華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)的工程調(diào)研：對于500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，現(xiàn)行標準及工程過電壓保護動作都有明確要求，為0.5 s；對于35 kV、110 kV和220 kV系統(tǒng)，現(xiàn)行標準未給出明確規(guī)定，工程中也通常不會對該值設(shè)置工頻過電壓保護動作。然而，考慮到35 kV、110 kV和220 kV電壓等級交流系統(tǒng)中電氣設(shè)備在絕緣裕度上通常大于500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，同時又由于避雷器在最大工頻過電壓下的耐受時間遠高于0.5 s(按照標準[14]規(guī)定，不應(yīng)小于10 s)，因此參照500 kV和1 000 kV系統(tǒng)，將0.5 s之內(nèi)工頻過電壓限制在規(guī)定上限以下，應(yīng)能滿足220 kV及以下電壓等級系統(tǒng)運行的要求。因此，對于35 kV～1 000 kV電壓等級系統(tǒng)，當過電壓時限在0.1 s至0.5 s時，以現(xiàn)行標準規(guī)定及工程要求最大工頻過電壓作為上限。

3)長運行時限(>0.5 s)下，以現(xiàn)行標準[23]規(guī)定系統(tǒng)最高運行電壓作為電壓上限。

4.2 各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓安全運行限值

以500 kV系統(tǒng)為例，工頻過電壓安全運行條件如圖5(a)所示，圖中713 kV、653 kV、594 kV、534 kV分別為持續(xù)時間為0.1 s、1 s、10 s、1 200 s避雷器(變電站側(cè))工頻耐受電壓(峰值)。圖5(a)中，時限在0.1 s以內(nèi)的系統(tǒng)工頻過電壓以避雷器0.1 s工頻耐受電壓713 kV為上限；0.1 s至0.5 s時限內(nèi)，仍以標準[13]規(guī)定最大工頻過電壓585 kV作為上限(即1.3 p.u.)；0.5 s以上時限內(nèi)，以標準[23]規(guī)定系統(tǒng)最高運行電壓449 kV作為上限。同理可以得到1 000 kV、220 kV、110 kV和35 kV系統(tǒng)工頻過電壓安全運行條件，分別如圖5(b)～(e)所示。

圖5 風(fēng)電集中式送出各電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓(相對地)安全運行條件擴展示意圖Fig.5 Diagram of extension of safe operating requirements of power-frequency overvoltage (phase to ground) in centralized wind power transmission systems of different voltage levels

實際上，將0.1 s內(nèi)系統(tǒng)工頻過電壓上限峰值由現(xiàn)行規(guī)定限值擴展至避雷器0.1 s的TOV耐受值，對于華北地區(qū)風(fēng)電送出能力的提升效果是十分顯著的。以華北電網(wǎng)錫盟地區(qū)風(fēng)電集中式送出500 kV系統(tǒng)為例，如果按照現(xiàn)行標準規(guī)定，將0.5 s內(nèi)的工頻過電壓運行限值設(shè)置為1.3 p.u.(峰值為585 kV)，錫盟地區(qū)整體風(fēng)電送出能力約為150萬千瓦；而如果依據(jù)避雷器工頻電壓耐受時間特性，將系統(tǒng)0.1 s內(nèi)的工頻過電壓限值由1.3 p.u.擴展至避雷器0.1 s的TOV耐受值1.6 p.u.(峰值713 kV)，則錫盟地區(qū)整體風(fēng)電送出能力將提升至約350萬千瓦，為前者的2.3倍以上。在本研究基礎(chǔ)上，后續(xù)將在實際工程中進一步驗證系統(tǒng)工頻過電壓運行限值擴展規(guī)則的可行性，以降低過電壓問題對風(fēng)電送出的制約。

5 結(jié)語

華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出35 kV及以上電壓等級系統(tǒng)工頻過電壓計算和防護的現(xiàn)有判據(jù)存有空白亟待補充和完善。本研究梳理總結(jié)了35 kV、110 kV、220 kV、500 kV和1 000 kV電壓等級電力系統(tǒng)工頻過電壓現(xiàn)行規(guī)定，提出了擴展過電壓運行規(guī)則的原則和方法，基于華北地區(qū)風(fēng)電集中式送出系統(tǒng)避雷器工頻耐受時間特性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，對短時限內(nèi)系統(tǒng)工頻過電壓的運行規(guī)則進行了擴展，提出將0.1 s短時限內(nèi)工頻過電壓安全運行上限由現(xiàn)有規(guī)定限值擴展至避雷器0.1 s工頻耐受電壓值，進而形成了完善華北電網(wǎng)35 kV～1 000 kV各電壓等級系統(tǒng)不同時限內(nèi)工頻過電壓安全運行的建議。