0 引言

超高压输电线路通常需要安装高压并联电抗器，以限制工频过电压^[1-3]。随着电力系统规模的不断增加，新建超高压变电站时，常通过对原有长线路进行破口而Π形接入系统，长线路随即变短。考虑到地区无功补偿裕度需求，破口后线路通常保留了原配置的高压电抗器，导致线路补偿度发生变化，出现高补偿、过补偿现象，有可能造成原有高压电抗器的参数与改破建形成新线路的参数配合不合理，出现非全相工频谐振现象^[2-6]。对于工频谐振过电压的限制，通常采取在线路高压电抗器中性点安装小电抗器的措施，以补偿线路相间电容，同时降低线路潜供电流^[7-11]。但是，如果小电抗器参数选择不当，可能会发生谐振过电压。在95%~100%的高补偿度情况下，采用小电抗器限制谐振过电压实际上已失去作用^[12]。因此，对于切改破建形成的补偿线路，由于线路长度发生了变化，需重新校验新线路参数与高压电抗器及其中性点小电抗器参数匹配的合理性^[13]。

本文以某实际切改工程为研究对象，基于PSCAD/EMTDC软件，针对切改后形成的高(过)补偿线路进行线路高压电抗器与中性点小电抗器匹配情况的校验研究，确保工程投运后电网的安全稳定运行。

1 系统结构与参数 1.1 系统概况

某500 kV乙输变电工程新建500 kV乙变电站，破口接入原甲丙双回线路，形成500 kV线路4回，即甲乙Ⅰ、Ⅱ线和乙丙Ⅰ、Ⅱ线，工程涉及的网架结构示意图如图 1所示。破口前甲丙双回线路长度约为137 km，分别在甲丙Ⅱ线甲侧和甲丙Ⅰ线丙侧配置150 Mvar线路高压电抗器。破口后形成的甲乙Ⅰ线长度为131.1 km，甲乙Ⅱ线长度为130.5 km；乙丙Ⅰ线长度为37.5 km，乙丙Ⅱ线长度为38.7 km。破口对线路的三相平衡性影响较小，甲乙双回线基本为完全换位线路，乙丙双回线无换位。考虑区域无功补偿裕度需求，原线路高压电抗器保留，分别配置在甲乙Ⅱ线甲侧和乙丙Ⅰ线丙侧。

1.2 线路及其高压电抗器参数

本文涉及线路及其高压电抗器参数见表 1、表 2，仿真分析基于EMTDC/PSCAD软件，建立了图 1所示系统结构的电磁暂态仿真计算模型，线路采用分布参数模型，变电站采用等值电源模型，线路高压电抗器采用纯电感模型。

2 潜供电流和恢复电压计算 2.1 甲乙Ⅱ线潜供电流和恢复电压计算结果

在表 1和表 2所示线路及其高压电抗器参数配置情况下，计算甲乙Ⅱ线的潜供电流和恢复电压，结果如表 3所示。

由表 3可见，无补偿时，甲乙Ⅱ线的潜供电流最大值为23.319 A，恢复电压为47.897 kV。若潜供电弧弧道长度以3.7 m计算，则恢复电压梯度为12.945 kV/m。有关规程^[14]要求，无补偿线路当恢复电压梯度为16.8 kV/m，潜供电流为24 A时，潜供电弧的自熄灭时间推荐值为0.55~0.80 s。同时，考虑潜供电弧熄灭后的弧道介质恢复时间约为0.1 s和潜供电弧熄灭后的无电流间隙所留裕度0.1 s，则无补偿的甲乙Ⅱ线断路器的最小单相重合闸时间可按1.0 s考虑。

可以看出，有补偿时，随着中性点小电抗器阻值的增加，甲乙Ⅱ线潜供电流水平逐渐降低。这里，甲侧小电抗器阻值推荐值为570 Ω，此时潜供电流值为1.533 A，恢复电压为18.724 kV。根据规程，则有补偿时甲乙Ⅱ线断路器的最小单相重合闸时间可按0.30 s考虑。

若无中性点小电抗器，则断开相感应电压值高达456.968 kV。因此，甲乙Ⅱ线甲侧线路高压电抗器中性点小电抗器退出或检修时，需同时退出甲侧线路高压电抗器，甲乙Ⅱ线可以运行。

2.2 乙丙Ⅰ线潜供电流和恢复电压计算结果

在表 1和表 2所示线路及其高压电抗器参数配置情况下，计算乙丙Ⅰ线的潜供电流和恢复电压，结果如表 4所示。可以看出，无补偿时，乙丙Ⅰ线的潜供电流最大值为7.723 A，恢复电压为55.767 kV。根据规程，对于无补偿的乙丙Ⅰ线断路器的最小单相重合闸时间可按0.70 s考虑。有补偿时，随着中性点小电抗器阻值的增加，乙丙Ⅰ线的潜供电流和恢复电压水平增大，且均大于中性点小电抗器退出运行时的水平。潜供电流最小值为20.022 A，恢复电压为75.526 kV，此时小电抗器取值最小为806.6 Ω。若潜供电弧弧道长度以3.7 m计算，则恢复电压梯度为20.412 kV/m，超出了规程要求的恢复电压梯度范围，无法选择乙丙Ⅰ线断路器的最小单相重合闸时间。因此，需重新对乙丙Ⅰ线的中性点小电抗器参数进行选值计算。

2.3 乙丙Ⅰ线中性点小电抗器参数选值计算

上述计算表明，在原有线路高压电抗器及中性点小电抗器配置情况下，有补偿时乙丙Ⅰ线恢复电压高，恢复电压梯度超出规程给定参考范围。以下对乙丙Ⅰ线线路高压电抗器的中性点小电抗器的取值范围进行计算，并给出建议。

2.3.1 理论值计算

根据表 1线路参数，乙丙Ⅰ线的线路正序电纳B'₁和零序电纳B'₀分别为：

(1)

(2)

式中：C₁为线路单位长度正序电容值，0.012 9；C₀为线路单位长度零序电容值，0.008 1。

根据表 2线路高压电抗器参数，高压电抗器和中性点小电抗器的正序电纳为：

(3)

式中：x_p为线路高压电抗器阻抗值。

线路补偿度F为：

(4)

根据电力设计手册^[12]，若把线路相间电容全部补偿掉，中性点小电抗器的导纳取值应为：

(5)

其中，零序导纳B'_n = 3B'₀/B₁'/(B₁' - B'₀) = 7.694 2 × 10^-4 S。

则中性点小电抗器的阻抗值x_n为：

(6)

理论计算结果表明，当完全补偿相间电容时，中性点小电抗器的取值约为90 Ω。

2.3.2 仿真计算分析

中性点小电抗器取值0~600 Ω时，潜供电流和恢复电压仿真计算结果见表 5。

计算结果表明，中性点小抗器取值为120 Ω时，潜供电流和恢复电压值最小，与理论计算值存在一定差别，这是因为应用理论计算公式进行中性点小电抗器最佳取值计算时只考虑了电容分量。可以看出，在550 Ω以下时，恢复电压梯度在规程给出的参考范围内，可以根据规程规定选择线路的单相重合闸时间。

3 工频谐振过电压计算

根据电力工程电气设计手册^[15]，80%~100%的补偿度是一相开断或两相开断的谐振区，应尽量避免采用。甲乙Ⅱ线的补偿度约为90.6%，处于谐振区域内。因此，需要对甲乙Ⅱ线带高压电抗器运行时的断相工频过电压进行计算，结果见表 6。工频谐振过电压计算基准值为449.07 kV。

由表 6可以看出，对甲乙Ⅱ线，当甲侧线路高压电抗器中性点小电抗器退出运行时，出现了断相工频谐振过电压现象，断一相谐振过电压倍数为1.44，即幅值为646.244 kV；断两相谐振过电压倍数为1.16，即幅值为518.828 kV。当中性点小电抗器投入运行时，较好地限制了工频谐振过电压。因此，甲乙Ⅱ线甲侧线路高压电抗器中性点小电抗器退出或检修时，同时退出甲侧线路高压电抗器，甲乙Ⅱ线可以运行。

4 更换中性点小电抗器校验计算

对乙丙Ⅰ线，中性点小电抗器退出运行或参数取值为550 Ω以下时，恢复电压梯度在规程给定的参考范围内，可以满足要求。结合工程实际情况，目前存在一组满足上述阻值要求的退役中性点小电抗器，通过对中性点小电抗器选值进行理论和仿真计算，结合工程实际情况更换了已退役中性点小电抗器。退役中性点小电抗器型号为XKD-198/110，额定容量为180 kvar，其他参数见表 7。

以下对乙丙Ⅰ线丙侧线路高压电抗器配置上述退役中性点小电抗器时的潜供电流和恢复电压、工频谐振过电压进行校验计算分析，结果分别如表 8和表 9所示。工频谐振过电压计算基准值为449.07 kV。

由表 8可以看出，有补偿时，当丙侧线路高压电抗器配置退役中性点小电抗器时，小电抗器阻值推荐值为183.19 Ω，线路有补偿时潜供电弧的自熄灭时间推荐值为0.10 s，同时，考虑潜供电弧熄灭后的弧道介质恢复时间约为0.10 s和潜供电弧熄灭后的无电流间隙所留裕度0.10 s，则有补偿的乙丙Ⅰ线断路器的最小单相重合闸时间可按0.30 s考虑。

由表 9可以看出，当乙丙Ⅰ线丙侧线路高压电抗器配置现有退役中性点小电抗器时，不会发生非全相工频谐振过电压现象。

5 结论

本文基于PSCAD/EMTDC软件，对某切改破建工程形成的高(过)补偿线路进行线路高压电抗器与中性点小电抗器的匹配合理性校验计算，研究结论如下：

(1) 切改破建工程涉及补偿线路时，由于切改后长线路变短，线路补偿度发生变化，需对线路高压电抗器及中性点小电抗器的参数匹配合理性进行校验计算。

(2) 对切改后形成的高补偿线路，工频谐振过电压校验计算表明中性点小电抗器不允许单独退出运行。尤其是补偿度处于谐振区域80%~100%时，存在非全相运行谐振风险，需对线路进行非全相工频谐振过电压校验计算，以核实所配置中性点小电抗器对谐振过电压的抑制效果。实际工程规划设计中，应尽量避免高补偿度。

(3) 切改后形成的过补偿线路，潜供电流和恢复电压计算结果表明，原有中性点小电抗器参数配置不再适合切改后形成线路，存在恢复电压过高的问题。由于补偿度较原有线路发生了很大变化，原有中性点小电抗器参数配置不再适合切改后形成线路，不合理的中性点小电抗器反而会增大潜供电流和恢复电压水平，无法选择断路器的最小单相重合闸时间。实际工程规划设计中，对过补偿线路可以将线路高压电抗器移至母线或者重新对中性点小电抗器的参数进行合理配置。

(4) 本研究较好地解决了工程启动调试中遇到的技术难题，确保了工程启动后电网的安全稳定运行，可以为其他新建或改破建工程提供参考。