5.3 潜供电流和恢复电压的仿真

5.3.1 模型的构建

建立双端电源输电线路模型，如图5-21所示，潮流从M流向N。塔形选用M型三角排列猫头型塔，如图5-22所示，导线选用钢芯铝绞线8×LGJ-500，分裂间距400mm。

5.3.2 并联电抗器中性点接小电抗抑制潜供电弧的效果分析

采用如图5-21所示的模型，线路长度为350km。在线路两端电源处加装并联电抗器，高压电抗器送端容量为960Mvar，受端容量为720Mvar，补偿度为88%，中性点接小电抗后接地，小电抗的值为150Ω。中性点小电抗的取值取决于参数及补偿度，由下式求得。

式中，k是高抗补偿度，C1是线路正序电容，CM是线路相间电容。

加装中性点接小电抗的并联电抗器后，用EMTP对潜供电流和恢复电压进行仿真。假设在t秒时发生接地故障，经过0.08s两边断路器断开。

针对中性点接小电抗的并联电抗器加装前后的两种情况，对不同的故障点位置分别进行仿真计算，得到相应的潜供电流和恢复电压的仿真计算结果如表5-3所示。

由表5-3可以看到，加装带中性点小电抗的并联电抗器后，潜供电流和恢复电压都有明显的下降，尤其是潜供电流，下降到10A以内，而此时的恢复电压梯度降到约10kV/m及以下（假设特高压线路绝缘子串长度约为8m）。结合表5-1可以推得，该种情况下能够实现快速熄弧。

另外，为了研究小电抗的取值对潜供电流和恢复电压的影响，在线路两端加装并联电抗器，补偿度为88%，改变中性点小电抗的值，对故障点位置在175km处的情况进行仿真计算，分析结果如图5-23所示。

由图5-23可以发现，小电抗的取值对潜供电流和恢复电压的影响很大，选取合适的值，会得到潜供电流和恢复电压的最小值，图中当小电抗取值为150Ω左右时出现最小值，和公式（5-26）计算结果符合。

以上的仿真计算都是针对长度为350km的1000kV特高压输电线路模型，为了考察1000kV短线（取150km）和长线（取1000km）模型中的潜供电流，仍然采用如图5-21所示的模型，并联电抗器补偿度均为88%，中性点小电抗用公式（5-26）来求取，其他条件保持不变，分别对中性点接小电抗的并联电抗器加装前后的两种情况进行仿真计算，得到潜供电流值如表5-4所示。

从表5-4可以看出，加装并联电抗器前，1000km线路潜供电流的幅值普遍远大于150km线路的潜供电流，这是由于长线的相间电容和互感比短线大得多，健全相通过静电耦合和电磁耦合向故障点提供的电流也大得多。但加装带中性点小电抗的并联电抗器后，无论是长线还是短线，其潜供电流都得到了明显的抑制，可以顺利熄灭潜供电弧。

5.3.3 快速接地开关 HSGS抑制潜供电弧的效果分析

采用如图5-21所示的模型，线路换位方式采用理想换位，在输电线路的两侧电源处加装HSGS, HSGS的接地电阻取1.65Ω。用EMTP仿真软件对潜供电流和恢复电压进行仿真，单相重合闸操作过程如图5-19所示，假设在t秒时发生接地故障，经过0.08s后两边断路器断开，再经过0.2s投上快速接地开关HSGS。

5.3.3.1 杆塔换位方式对HSGS限制效果的影响

为了研究杆塔换位方式对HSGS限制潜供电弧效果的影响，采用如图5-21所示的模型，线路长度取150km，选用如图5-24所示的换位方式，对换位前后的输电线路进行仿真计算，得到潜供电流I和恢复电压U的值如表5-5所示。

从表5-5可以看出，在使用HSGS的情况下，不换位和换位相比，潜供电流的最大值从30.2A增大到64.8A，恢复电压的值也从2.1kV提高到3.2kV, HSGS在线路不换位时限制效果比较理想。因此，HSGS适用于不需要换位的线路。

在本章后面仿真计算时，杆塔换位方式均选择不换位方式。

5.3.3.2 HSGS的接地电阻对HSGS限制效果的影响

HSGS的接地电阻大小直接影响到HSGS的分流作用。为了研究接地电阻对HSGS限制效果的影响，线路长度取150km, HSGS的接地电阻取不同的值，分别对不同的故障点位置进行仿真计算，得到潜供电流的值如图5-25所示。

图5-25表明，接地电阻对HSGS的限制效果影响很大。加装HSGS的线路，接地电阻小于0.5Ω时，潜供电流的值大幅度降低，当接地电阻进一步下降时，潜供电流的下降幅度已不明显；而接地电阻大于1.5Ω时，线路部分故障点的潜供电流值仍然很大，HSGS的限制效果不够理想。因此，HSGS的接地电阻最好小于0.5Ω，最大不宜超过1.5Ω。

5.3.3.3 HSGS抑制潜供电弧的效果

采用如图5-21所示的模型，线路长度取350km。针对加装HSGS前后两种情况，对不同的故障点位置分别进行仿真计算，得到潜供电流和恢复电压如表5-6所示，其中HSGS的阻值取0.1Ω。

从表5-6可以看出，对于该线路，加装HSGS后，恢复电压得到了明显的抑制，而潜供电流幅值虽然有明显下降，但数值依然很大，有可能仍然无法在0.4s内实现快速熄弧，这样也就无法保证在1s完成断路器重合闸。

下面再考察1000kV特高压短线（取150km）和长线（取1000km）模型中HSGS抑制潜供电流的效果，仍然采用如图5-21所示的模型，线路长度分别取为150km和1000km，改变HSGS的阻值，对不同的故障点位置进行仿真计算得到潜供电流如图5-26、图5-27所示。

由图5-26、图5-27可见，加装HSGS后，两者的输电线路潜供电流都有明显下降。但是对于1000km输电线路，即使加装HSGS后，潜供电流幅值还是很大（＞250A），潜供电弧根本无法顺利自熄；而对于150km输电线路，加装HSGS的效果很好，特别是当接地电阻的值小于0.5Ω时，可以有效限制潜供电流（≤30A），能够顺利完成潜供电弧的自熄。

为了进一步研究HSGS熄灭潜供电弧的效果，采用如图5-21所示的模型，对不同长度的输电线路，仿真计算加装HSGS前后的沿线潜供电流I和恢复电压U的最大值的变化。其中，HSGS的接地电阻取0.1Ω，接地的过渡电阻取10Ω，计算结果如图5-28所示。

图5-28表明，加装HSGS前，线路越长，潜供电流和恢复电压越大。加装HSGS后，潜供电流和恢复电压均有大幅度减小，但是对于较长的线路，潜供电流依然很大。

从图5-28还可以看到，加装HSGS后，200km的恢复电压约为3kV，潜供电流为41.2A，此时其恢复电压梯度远小于5kV/m，再从表5-2的相关分析即可得到，该种情况下潜供电弧能在0.4 s内熄弧。因此，一般200km以内的线路加装HSGS后，可以缩短潜供电弧的熄灭时间，满足1s重合闸要求；而对于更长的线路，加装HSGS后，由于潜供电流和恢复电压的值依然较大，有可能出现无法顺利熄弧的情况。

综上，对于HSGS限制潜供电流的方式，主要有以下几个结论：

（1）在特高压线路中，HSGS限制潜供电流的方法适用于不换位的线路；

（2）HSGS的接地电阻对HSGS限制潜供电流效果的影响很大，一般要求≤0.5Ω，最大不宜超过1.5Ω;

（3）HSGS通常适用于短线路，一般要求小于200km。