6.4 分闸过电压
特高压交流系统分闸过电压包括甩负荷分闸过电压和故障清除过电压[1][3]：
（1）特高压交流系统甩负荷分闸过电压主要包括单相接地甩负荷分闸过电压和无故障甩负荷分闸过电压。线路在正常输电时，因某种原因导致断路器突然分闸时会产生无故障甩负荷分闸过电压；在带电作业时，重合闸是要退出的，此时若发生单相接地故障会导致断路器三相分闸，从而产生单相接地甩负荷分闸过电压，此时的单相接地甩负荷分闸过电压特性是特高压交流系统中确定带电作业最小安全距离的决定性因素。
（2）故障清除过电压是特高压系统中一种独特的分闸过电压，在一条线路发生故障及清除后，在其他相邻线路上会产生相当高的过电压，该过电压称为故障清除过电压。
本小节主要对上述两类分闸过电压进行研究。
6.4.1 甩负荷过电压
甩负荷过电压是特高压交流系统中一种典型的分闸过电压，主要包括无故障甩负荷和单相接地甩负荷两种情况，如图6-53所示，前者是线路正常输电情况时，断路器无故突然跳闸甩掉负荷引起的过电压，后者是进行带电作业时不能进行单相重合闸，此时若发生单相接地将导致三相分闸，从而产生过电压。
图6-53 甩负荷类分闸过电压模型示意图
6.4.1.1 产生机理
系统甩负荷产生过电压是一个复杂的过程，它综合了线路的空载电容效应和电源的甩负荷过程对过电压的提升作用，特别是单相接地时造成的三相不对称更能加剧过电压的严重程度。因而在一般情况下，无故障甩负荷过电压往往低于单相接地甩负荷过电压。
下面通过甩负荷前后沿线各点稳态电压的变化对比来解释该过电压的产生机理，如图6-54所示。图中曲线一为甩负荷前系统电压分布，电源电压为Us，由于线路正常运行时输送功率在电源阻抗上产生了一定的压降，故经过电源阻抗后的电压U1通常比电源电压有所下降，然后由于线路的容升效应以及两端电源和限压措施的钳制作用，其电压一般呈现弓形分布，线路末端电压为U2。当末端断路器分闸发生甩负荷后，沿线电压发生明显变化，如曲线二所示。此时，由于线路末端开路，因此系统内阻的电流为容性充电电压，该电流与正常运行情况下的电流方向相反，从而使得母线电压U3会稍高于Us。其后线路的容升效应使得线路电压越来越高，末端电压为U4。
图6-54 线路发生甩负荷前后稳态电压的变化
由于甩负荷前后线路的电压分布不一致，从而在过渡过程中产生了过电压，其中线路末端电压从U2过渡到U4变化较大，过电压往往也较为严重，其幅值可通过下式估算[4]：
若线路运行中出现单相接地，由于不对称效应抬高了健全相电压，使得随后的甩负荷过程是在一个电压被提高的基础上进行，故进一步加剧了过渡过程的激烈程度。所以，单相接地与甩负荷过程的叠加，将使得该类过电压变得更为严重。
6.4.1.2 建模仿真
无故障甩负荷的产生过程较为简单，其仿真模型如图6-55所示，系统正常运行时，线路一端的断路器突然三相分闸，其中断路器的分闸时间应在一个工频周期内服从概率分布并进行多次统计运算。其过电压的波形如图6-56所示。其中线路以及杆塔等参数参照我国已有的晋东南—南阳—荆门示范工程。
图6-55 无故障甩负荷过电压模型示意图
图6-56 无故障甩负荷过电压波形示意图
单相接地甩负荷过电压的仿真模型如图6-57所示，线路出现单相接地后，经一段时间（继电保护和开关动作固有时间）后一端的断路器三相分闸，其中接地时刻与断路器的分闸时间分别应在一个工频周期内服从概率分布并进行多次统计运算。该过电压的波形如图6-58所示。其中线路以及杆塔等参数参照我国已有的晋东南—南阳—荆门示范工程。
图6-57 单相接地甩负荷过电压模型示意图
图6-58 单相接地三相甩负荷过电压波形示意图
6.4.1.3 影响因素
影响甩负荷过电压的因素包括线路长度、输送功率、系统阻抗等，另外还与是否发生不对称故障相关。
1）线路长度
前面已经提到，接地故障的不对称效应和长线的容升效应会使工频电压升高，从而在一定程度上也增加了操作过电压的幅值。
对不同长度的线路分别进行无故障甩负荷和单相接地甩负荷过电压的计算，结果如表6-46所示。可见，随着线路长度的增加，过电压均随之上升。若线路出现单相接地后，过电压值比同长度下无故障时要明显提高。
表6-46 不同线路长度下的甩负荷过电压
2）输送功率
线路输送功率在电源阻抗上会产生一定的压降，当负荷被切除后，此压降骤然减小，线路输送功率越大，该压降也越大，振荡过程也越剧烈。故输送功率越大，过电压越严重。
表6-47为400km线路在不同功率下的过电压幅值，过电压均随输送功率的增加而提高。
表6-47 不同功率下的甩负荷过电压
3）电源等效阻抗
等效阻抗包括正序阻抗和零序阻抗。正序阻抗和零正序阻抗比对该过电压的影响如表6-48所示。结果表明，随着正序阻抗的提高，无故障甩负荷过电压随之增加；而单相接地甩负荷过电压影响则较小。
表6-48 不同系统阻抗下的甩负荷过电压
注：表中“接地”表示“线路有单相接地故障”
实际上，线路输送功率是甩负荷过电压的最关键的影响因素。
6.4.1.4 限制措施
由于单相接地甩负荷过电压更为严重，本节以该过电压为主要讨论对象，对其主要的限制措施进行讨论。
1）MOA的限制效果
通过在线路上加装不同组MOA来限制接地甩负荷过电压来进行分析，表6-49所示为线路长度为600km时不同组数MOA的限制作用。
表6-49 MOA限制接地甩负荷过电压的效果
可以看出，MOA组数越多，限压效果越好；配置多组MOA后，可将该过电压限制在要求范围以内。
2）分闸电阻措施
采用分闸电阻限制甩负荷过电压也有一定的效果，下面对不同线路长度下的单相接地甩负荷过电压进行仿真计算，结果如表6-50所示。
表6-50 分闸电阻的限制效果
结果表明，采用分闸电阻限制甩负荷过电压具有一定的效果。
6.4.2 故障清除过电压
故障清除过电压是特高压系统中一种独特的分闸过电压，按故障类型可分为单相接地、两相接地、三相接地和相间短路故障清除过电压。由于单相接地最为常见，且考虑到后三者发生概率极小，故本节以单相接地清除过电压为主要讨论对象。
6.4.2.1 产生机理
单相接地清除过电压是指在一条线路发生单相接地并进行清除后，因为线路过渡过程中电压的变化，在故障线路的健全相和相邻线路上产生较高的过电压。
可将该过电压分为两个过程：首先，线路出现单相接地后，健全相电压得到抬高，经过几个工频周期后，各相电压已趋于稳定；随后，单相断路器动作，切除故障，如图6-59所示。
图6-59 单相接地清除过电压原理分析图（一）
该过电压可以分如下两种情况：
第一种情况：线路故障段上产生的单相接地故障清除过电压，如图6-60所示。对于故障线路来说，故障相1由于故障的存在，电压较低，不会产生过电压；健全相2由于故障的清除而导致相间电压关系突变，从而产生过电压，但其暂态过程并不十分剧烈，过电压幅值一般不高。
图6-60 单相接地清除过电压原理分析图（二）
第二种情况：线路相邻段上产生的单相接地故障清除过电压，如图6-61所示。相邻段健全相3由于仍与故障段健全相2相连，其过电压与故障段健全相2相似；而相邻段故障相上的过电压最为严重。当断路器BRK2的C相开断故障电流后，接地后的暂时稳态被破坏，等效于在C相断路器附近加上一个与故障电流反向的电流源，该电流源的电流幅值较大，它会在相邻段线路上流动并且折反射，从而形成较大的过电压。由于该种过电压是由故障段向同一相的相邻段发展的，因而又称为故障转移过电压。
图6-61 单相接地清除过电压原理分析图（三）
故障清除过电压的一个特点是它能在相邻下一段线路上感应出较大的转移过电压。在开关站连接多段线路时，若要切除其中某一段单相接地故障线路，就会产生该种过电压，其幅值一般不超过1.7p.u.。该类过电压在超高压系统中也会出现，但由于超高压系统的过电压允许幅值较高（如500kV电网操作过电压限制水平为2.0p.u.），绝缘裕度大，故该种过电压在超高压系统中不会对系统产生较大的危害。对于特高压交流系统，其过电压的限制水平为1.7p.u.，因此，在特高压系统中这类过电压应得到足够的重视。
按被清除故障的类型，故障清除过电压可分为单相接地、两相接地、三相接地和相间短路四种情况，其中以单相接地较为常见。由于后三者发生概率极小，故在工程实际中一般不予考虑。下面主要以单相接地清除过电压为对象进行讨论。
6.4.2.2 建模仿真
仿真模拟中，单相接地清除过电压应考虑接地位置、接地时刻以及故障清除时刻的随机性。首先，固定接地点位置，将线路故障的产生时刻和清除时刻分别作为随机变量，使其在一个工频周期内按正态分布，进行多次的仿真计算，得出统计过电压；然后，分别再计算沿线不同位置故障时的统计过电压，从中取出最大值。
单相接地清除过电压的模型如图6-62所示，当线路的一段出现接地故障后，两边故障相断路器动作切除故障电流，即可在故障线路的健全相和相邻下一段线路上得出过电压的波形与幅值，如图6-63和图6-64所示。
图6-62 单相接地过电压模型示意图
图6-63 单相接地清除过电压波形（故障线路）
图6-64 单相接地清除过电压波形（相邻线路）
两相接地清除过电压是线路出现两相接地故障后，两边故障相断路器切除故障，在线路上产生的过电压，波形如图6-65所示。三相接地清除过电压是线路出现三相接地故障并切除后产生的过电压，波形如图6-66所示。相间短路清除过电压是线路出现相间短路故障并切除故障后产生的过电压，波形如图6-67所示。
图6-65 两相接地清除过电压波形示意图
图6-66 三相接地清除过电压波形示意图
图6-67 相间短路清除过电压波形示意图
6.4.2.3 影响因素
影响单相接地清除过电压的因素主要有接地点位置、输送功率等。单相接地故障清除时，通常在相邻下一段线路上产生的转移过电压较故障段线路更为严重，因此，下面的计算均以前者作为讨论对象。
1）接地位置
下面采用两段A-B-C总长为500km+500km的线路模式研究接地位置对过电压的影响，其中B点作为开关站，结果如表6-51所示。可以看出，接地故障距离开关站越近，对其进行清除操作时在邻近线路上产生的过电压越大。
表6-51 接地位置对单相接地清除过电压的影响
2）线路输送功率
下面仍然采用两段A-B-C的线路模式来研究线路输送功率对过电压的影响，结果如表6-52所示。由表6-50可知，随着线路输送功率的增加，单相接地清除过电压值会增加。
表6-52 线路输送功率对过电压的影响
6.4.2.4 限制措施
1）多组MOA限制过电压
使用MOA能有效限制单相接地清除过电压。对于分段的特高压线路，在分段点处加装MOA通常可将该过电压限制在允许范围内。
对于分两段、单段长度为400km的特高压长距离输电线路，当输送功率取较大值3000MW时，MOA限制该过电压的效果如表6-53所示。其中接地点位置在分段点附近。
表6-53 MOA限制单相接地清除过电压效果
由表6-53可知，即使对于该过电压较严重的特高压长线路，通过在线路分段点处加装MOA即可将该过电压予以限制。因此，通常情况下，在分段点处加装MOA即可有效地将单相接地故障清除过电压控制在限制水平以下，不需要采取其他的限制措施。
2）使用断路器分闸电阻
分闸电阻对该过电压的限制有较好的效果，还能降低断路器恢复电压，改善其运行条件，有利于断路器安全运行。
下面对两段A-B-C（300km～300km）线路模式来研究分闸电阻对过电压的限制作用，在A-B段发生故障并清除后在B-C段上产生的过电压如图6-68所示。
图6-68 分闸电阻限制清除过电压
注：分闸电阻采用700Ω
以晋东南—南阳—荆门线为例，清除单相接地故障时，在相邻线路上出现的沿线最大2%过电压为1.66p.u.；清除两相接地故障时为1.76p.u.；清除三相接地故障时为1.79p.u.。若采用700Ω分闸电阻，清除过电压分别下降到1.37p.u.、1.50p.u．和1.51p.u.。
3）采用分闸电阻的讨论
由上文分析可以看出，相间短路、两相和三相接地故障清除过电压幅值较大，仅使用线路首末端MOA有时往往不能将其限制在标准以内，若采用分闸电阻则能有效限制。
然而，由于分合闸电阻要求的热容量比单用途的合闸电阻大很多，日本研究表明其热容量要求可达133MJ。当分闸电阻接入时，线路还处于运行状态，正常线路潮流甚至加上故障电流都从分闸电阻上经过，而且分闸电阻的投入时间一般较长，这使得系统在分闸电阻上消耗了巨大的能量。所以，对它的热容量要求很大，这将大大增加断路器制造上的难度和成本[19]。
根据前两节的分析可知，分闸电阻主要用来限制相间短路、两相和三相接地故障清除过电压，而单相接地故障清除过电压通常可以通过在分段点处加装MOA予以限制。
实际上，相间短路、两相和三相接地故障清除过电压发生概率很低，通常认为这几类接地故障清除过电压基本不会发生，同时考虑到分闸电阻的成本高、故障率大，因此，对于特高压线路，通常不采取分闸电阻，而单相接地故障清除过电压通常可以通过在分段点处加装MOA予以限制。
另外，国外研究表明，这种故障清除转移过电压也会出现在750kV超高压系统中，而国内外该电压等级基本上不安装分闸电阻，也没发生转移过电压引起的问题。