6.2 单相接地故障过电压

6.2.1 产生机理

单相接地故障过电压是在线路发生单相接地故障且故障相两侧断路器还未断开时，在健全相上产生的暂态过电压，与稳态情况下的工频单相接地过电压不同。图6-4所示为中性点直接接地系统单相接地故障电路等效图，当C相发生单相接地，接地点电压由故障前的初始电压突降为接地后的电压。由于C相与A、B两相之间存在耦合电容，电容电压不能突变，使得A、B两相在故障点附近的电压遭到强制改变，该突变电压波在线路上多次折反射。当健全相电压达到波峰或波谷的时候，若折反射波正好同极性叠加，则会产生较为严重的过电压。该过电压最大值往往出现在第一个工频周期的振荡中，此时断路器还未动作。

若电源中性点经阻抗接地，那么当单相接地故障产生时，中性点阻抗将承受一定的压降，抬高健全相上的电压，从而使得过电压更加严重。

由于单相接地过电压是由接地故障强制降低故障相的初始电压引发的暂态过程，因而，若在故障相处于峰值附近时产生单相接地，引起的接地过电压最为严重。

6.2.2 建模仿真

由于操作过电压具有统计特性，故工程上采用绝缘配合中的2%统计操作过电压作为对其的表述。它的概率定义是P（U＞U2%）=0.02，即置信概率水平在98%内的过电压值。

在操作过电压的统计计算中，蒙特卡洛法被广泛应用。蒙特卡洛法，又称统计模拟法，基本思想是随机量的概率分布可以通过随机抽样来得到，当抽样次数足够多时，可将统计结果作为对随机实验的近似解答。利用蒙特卡洛法分析操作过电压时，需要按照随机变量的分布规律对随机变量取不同的抽样值，按照工程可接受的计算精度通过适当次数的抽样计算来得出2%统计值。

接地故障的发生位置难以预知，接地时刻更具有随机性，因此，软件的模拟应综合考虑这些因素的影响。首先，固定接地故障点位置进行多次不同时刻的模拟接地故障，计算统计过电压，仿真中将线路故障的产生时刻作为随机变量，使其在一个周期内均匀分布；然后，分别计算沿线各点不同位置的统计过电压，从中取出最大值。

本节采用PSCAD软件仿真，参考晋东南—南阳—荆门特高压示范工程线路参数，在大量模拟仿真计算的基础上，较为系统全面地研究了单相接地过电压。

建立特高压交流系统双端电源输电模型，输电线路长600km，线路两端布置MOA和高抗，如图6-5所示。其中，线路以及杆塔等参数参考我国已有的晋东南—南阳—荆门示范工程线路参数：导线型号采用钢芯铝绞线8×LGJ-500/35、分裂间距为400mm，塔形采用猫头塔。线路的序参数如表6-6所示[11]。

采用中国电科院提供的1000kV MOA参数，如表6-7所示。

该型号避雷器的伏安特性曲线如图6-6所示，其中横坐标采用对数坐标。

单相接地过电压的产生过程较为简单，其计算模型如图6-7所示，其中线路以及杆塔等参数参考我国已有的晋东南—南阳—荆门示范线路参数，当系统模型的电压、功率等指标都达到要求后，投入接地故障（不考虑断路器动作），即可得到过电压的波形与幅值，如图6-8所示。

6.2.3 影响因素分析

单相接地过电压是线路在发生单相接地故障时（故障相两侧断路器还未断开），在健全相上产生的瞬态过电压。虽然发生过程简单，但影响因素较为复杂，接地因素（包括接地电阻和接地点位置）、线路输送功率、线路杆塔的参数、高抗补偿度和两端电源阻抗特性等均可能会对单相接地故障过电压产生影响。其中，接地因素、线路输送功率、线路杆塔参数和高抗补偿度等因素对该过电压的影响较为简单，为基本影响因素；线路两端等效电源的阻抗特性对单相接地故障过电压的影响较大，为重点影响因素。

下面对该过电压的各影响因素进行分析。

6.2.3.1 基本影响因素

1）接地电阻和接地位置影响分析

单相接地故障过电压是由接地故障产生的，接地故障因素主要包括接地位置和接地处的电阻值Rg两方面，下面分别就这些因素对过电压的影响程度进行分析。当接地故障因素发生变化时，单相接地故障过电压计算结果如表6-8所示。

结果表明：

（1）接地点相同时，接地处电阻值Rg越小，过电压幅值则越大，这是因为接地电阻越小时，接地暂态过程越激烈，过电压也就越高。

从严考虑，以下研究中接地电阻值采用0.1Ω。

（2）接地电阻相同时，不同接地点下的过电压幅值有差异，这是由于在不同位置出现单相接地时，从接地点向线路看进去的阻抗分布存在差异所引起的。

因此，在研究单相接地故障过电压时，应考虑接地位置的变化对该过电压的影响。

2）输送功率影响分析

在出现接地故障之前，线路可能处于不同输送功率的运行状态，下面分析线路上输送功率是否会对该过电压产生影响，计算时保证不同功率下两端母线电压一致，结果如表6-9所示。

由表6-9可知，随着线路输送功率的变化，相同接地点情况下线路上的过电压幅值变化很小。当输送功率从0增加至3000MW时，相同接地点上的过电压幅值前后相差不超过0.02p.u.，可忽略。

鉴于此，以下研究中输送功率均采用0MW的空载状态。

3）线路杆塔参数影响分析

分析不同导线型号以及杆塔参数对单相接地故障过电压的影响程度，计算时保证模型其他条件一致，结果如表6-10和表6-11所示，表中的过电压值均为该条件下整条线路上不同位置发生接地故障时的最大过电压值。

结果表明，随着导线型号的变化，单相接地故障过电压幅值变化很小，最大相差不超过0.006p.u.，可忽略；当杆塔参数明显变化后，过电压幅值改变也较小，最大相差不超过0.04p.u.，对计算结果不会产生实质性的影响。

鉴于此，以下研究中导线型号采用LGJ-500/35，线路杆塔采用特高压常用猫头塔型。

4）高抗补偿影响分析

分析不同高抗补偿度对单相接地过电压的影响程度，计算时保证模型其他条件一致，结果如表6-12所示。

结果表明，高抗补偿对单相接地过故障过电压有一定的抑制作用，补偿度越高，单相接地故障过电压越低。当补偿度小于30%时，过电压随着补偿度的升高明显降低；当补偿度大于30%时，增加补偿度对过电压的影响就很小了，此时随着补偿度的增加过电压仅略有下降。目前，特高压线路高抗补偿度一般在80%～90%之间，从严考虑，以下研究中线路均采用80%的高抗补偿度。

6.2.3.2 电源阻抗特性分析

1）电源阻抗范围界定

实际上，电源阻抗特性会对单相接地故障过电压产生较大影响，目前在单相接地故障过电压工程计算中通常仅计算最大、最小和正常运行方式等少数典型情况，这是不够全面的。因为他们主要反映的是负荷的变化，但前面的分析表明负荷变化对单相接地故障过电压的影响很小，但电源阻抗特性却会对单相接地故障过电压产生重大影响。因此必须界定特高压交流系统等效电源阻抗的范围，研究它对单相接地故障过电压的影响。

目前，我国特高压交流电网处于建设初期，在两个超高压电网基础上架设特高压线路来进行点对点输电是其主要的模式。因此，本节主要研究该种情况下电源阻抗的等效问题。在图6-5所示模型中，电源阻抗通常包含500kV侧电网电源等效阻抗、变压器自身阻抗以及第三绕组侧的低压容抗等，计算复杂且难以准确界定。本节在综合考虑了超高压电网的等效情况、特高压变压器及其低压侧容抗的分布后，得出等效后的电源阻抗范围，等效方法如图6-9所示。

下面具体分析影响等效后电源阻抗的三个因素的范围[12]。

首先，分析500kV等值电源的X1（正序阻抗）范围。资料表明，500kV系统的短路电流通常都在12.5kA～75kA范围之内，由短路电流计算公式（6-2）可得出等效X1范围约在3.85～23.1Ω之间，本节偏严考虑10 %的误差，取X1范围在3.5～25.4Ω之间。

式中：X1 为正序电抗；U1 为系统线电压，取值500kV; Ik 为短路电流。

其次，分析500kV等值电源的X0/X1（零序阻抗/正序阻抗）关系。充分考虑500kV线路和变压器该比值的情况，偏严考虑，将该比值范围定为0.5～3.5[13][14]。

最后，采用我国特高压示范线路的变压器参数，并考虑一台变压器运行或两台变压器并联运行的两种情况，将变压器低压侧容抗范围分别定为：一台变压器，低容1000Mvar～低抗1000Mvar；两台变压器，低容2000Mvar～低抗2000Mvar。

在上述参数范围内，通过仿真得出单相和三相短路电流幅值，然后采用短路电流公式反演计算并适当扩大取整，得出等效后特高压电源的X1在40～180Ω范围内，X0/X1在0.4～1.4范围内，如图6-9所示。

由于上述三个参数范围的选择较为宽裕，包含了绝大多数特高压交流系统的电源阻抗情况。因此，可以认为在此基础上得出的特高压等效电源阻抗范围是宽裕的，在此范围内进行过电压极大值的研究，得出的最大过电压幅值也是偏严格的。

2）过电压极大值的电源阻抗确定

针对图6-5所示的模型，在上文得出的电源阻抗范围内，研究电源阻抗对单相接地故障过电压的影响情况，寻找过电压最大时的电源阻抗特性，得到求取单相接地故障过电压最大值的方法。

（1）单相接地故障过电压与电源零正序阻抗比的关系

保持E1端电源阻抗不变，只改变E2端电源的阻抗，计算结果如表6-13所示。计算时在沿线等距设置20个接地点，求取各个接地点故障时的沿线最大过电压值，20个沿线最大过电压值的最大值即为该种电源阻抗情形下的单相接地故障过电压值。

由表6-13可知，电源阻抗的变化对单相接地故障过电压影响较大，其中X0/X1阻抗比越大时，该过电压就越大。同时，进一步计算表明，保持E2端电源阻抗不变时仅改变E1端电源阻抗的情况下也有上述规律。因此，可以认为，当X0/X1阻抗比达到最大值1.4时，单相接地故障过电压达到最大。理由分析如下。

单相接地故障过电压是在线路产生接地故障后，在单相接地工频过电压的基础上产生的，因此，与单相接地工频过电压值密切相关。从工频过电压的研究结果可知，发生单相接地时，健全相电压的升高系数K与系统的X0/X1（从接地点看进去整个系统的零正序阻抗比值）有很大关系，如式（6-3）所示，而系统的X0/X1比值与电源阻抗又有密切联系。显然电源阻抗的X0/X1越大，系统的X0/X1就越大，故健全相电压的升高系数也因此越大，如图6-10所示，从而在此基础上产生的单相接地时的操作过电压也就越大。

（2）单相接地故障过电压与电源正序阻抗的关系

在保持两端电源X0/X1阻抗比均在1.4的情况下，分别改变两端电源E1、E2的正序阻抗X1E1、X1E2，计算该过电压，结果如表6-14 所示，表中的过电压值均为该条件下整条线路上不同位置发生接地故障时的最大过电压值。

由表6-14可知，随着电源正序阻抗从40Ω到180Ω逐渐增加，单相接地故障过电压幅值均呈现先减后增的V型趋势，因而在阻抗范围的边界处，出现了过电压的极大值。分析如下：

一方面，单相接地故障过电压随系统的X0/X1比值的增加而增大，如图6-10所示，而系统的X0/X1与电源X0/X1以及线路X0/X1有关。用X0源表示电源零序阻抗，X1源表示电源正序阻抗，a表示电源零正序阻抗比，用X0线表示输电线路零序阻抗，X1线表示输电线路正序阻抗，b表示输电线路零正序阻抗比，且a＜b，则从故障点看进去整个系统的零正序阻抗比X0系/X1系为

由于特高压线路的零正序阻抗比b在2.6左右，故保持电源零正序阻抗比不变的情况下，由式（6-4）可知，随着电源X0和X1的成比例增加，系统的X0/X1反而减小，由此过电压幅值减小。

另一方面，从操作过电压角度分析，X1的存在相当于等价延长了线路长度，而线路越长过电压就越大，因此，X1越大单相接地故障过电压也就越大。

在这两种因素的共同作用下，当X1较小时，前者因素起主导作用，而X1较大时，后者的影响则较为突出。因此，随着电源X1的增加，过电压幅值呈现了先减小后增大的V型趋势。

（3）求取单相接地故障过电压最大值的方法总结

前面两小节的结论是针对长度为600km的线路所得出的结果，进一步计算表明，当线路长度发生变化时，电源阻抗特性对单相接地故障过电压的影响与该条线路呈现相同的规律，即电源阻抗的零正序阻抗比越大，过电压越大；当电源阻抗的零正序阻抗比保持不变的情形下，过电压随着电源正序阻抗的增加呈现V型变化趋势。因此，对于一般的特高压线路，单相接地故障过电压的最大幅值出现在两端电源X0/X1取最大值且X1取阻抗边界值时的情形。

电源E1、E2的正序阻抗为X1E1、X1E2，其上、下边界值分别为180Ω、40Ω。取特高压等效电源的正序阻抗X1的边界值（即X1上边界、X1下边界）时，有四种情况，分别是（X1E1=X1上边界、X1E2=X1上边界）、（X1E1=X1下边界、X1E2=X1下边界）、（X1E1=X1上边界、X1E2=X1下边界）、（X1E1=X1下边界、X1E2=X1上边界）。在以上每一种电源阻抗取值情形下，充分考虑接地因素的影响，设沿线等间距分布有n个单相接地点，分别求取各个接地点故障时的沿线最大过电压值，n个沿线最大过电压值的最大值即为该种电源阻抗情形下的单相接地故障过电压值。分别计算这四种电源阻抗取值情形下的单相接地故障过电压值U1max、U2max、U3max、U4max，选取四者中的最大值，即为该条线路的单相接地故障过电压最大值Umax。图6-11 展示出了求取一定长度特高压线路单相接地故障过电压最大值的步骤。

实际上，在大多数情况下，X1E1=40Ω、X1E2=40Ω时，且两端电源的零正序阻抗比均为1.4，单相接地故障过电压幅值最大。所以，有时为方便起见，也可以考虑简单取该种情况对单相接地故障过电压最大值进行直接估算。

综合以上分析，在计算某条线路的单相接地故障过电压最大值时，先将线路输送功率取为0MW、线路补偿度取为80 %、接地电阻取为0.1Ω，然后在保证两端电源零正序阻抗比最大的前提下，选取两端电源正序阻抗取边界值的4种运行方式，在4种运行方式下，改变接地点，算取每种运行方式下的单相接地故障过电压，4种运行方式下的单相接地故障过电压值的最大值即为该条线路在两端等效电源取阻抗范围内的任一阻抗值时的单相接地故障过电压最大值。

6.2.3.3 单回线路与双回线路下该过电压的比较

单回模型和双回模型的线路参数分别参考我国晋东南—南阳—荆门特高压单回示范线路和淮—皖—浙—沪特高压双回线路，同时保持两种线路情况下的电源特性、高抗补偿度等参数相同，比较分析单回线路和双回线路的单相接地故障过电压情况。

考虑到双回线路有一回接地（一回运行）和两回运行两种运行模式，下面通过计算分析不同运行方式下的过电压情况，结果如表6-15所示。

由表6-15可知，同种情况下，单回线路的单相接地故障过电压要比双回线路时严重。这是因为同长度下，双回线路系统较单回线路系统联系更紧密而且更稳定，不易引起剧烈的过电压波动。且在相同线路长度下，若回路越多则对过电压波的分散消耗作用就越大，故双回线路过电压幅值较单回线路低[4]。由此可以推论，若单回线路下单相接地故障过电压能得到有效控制，则同样条件下双回线路的该过电压也能被有效控制。

6.2.4 限制措施

6.2.4.1 不同线路长度下的过电压限制

1）在线路两端采用高抗补偿和MOA的限制保护

针对点对点特高压输电线路，保持线路两端母线电压为1100kV（偏严考虑）的条件下，利用上一小节得出的求取特高压线路最大单相接地故障过电压的方法来分析单相接地故障过电压的可限制长度。模型计算中，采用常见限制措施（即线路两端各采用一组MOA和高抗补偿），其中线路补偿度为80%。

利用图6-11所示的计算步骤，计算100～600km时的最大单相接地操作过电压幅值，结果如表6-16所示。

由表6-16可知，采用图6-11所示的方法，当线路长度为500km时，过电压为1.633p.u.，满足限制要求；而在600km时，过电压则大于1.7p.u.，超出了规程要求。因此，鉴于所选条件的严苛性，可以认为，只要线路长度不超过500km时，即使在最严酷的条件下，单相接地故障过电压也能满足规程限制要求；而当线路长度超过600km时，则可能出现单相接地故障过电压难以被控制在允许范围内的情形。

对于更长的特高压线路，限制其单相接地故障过电压通常依靠多组MOA保护和多点高抗分段补偿措施，下面分别进行分析。

2）多组MOA的限制研究

选取800km的长线路，线路两端采用80%的高抗平均补偿[2]，下面分析采用多组MOA的限制效果（多组MOA平均分布于线路中）。

（1）偶数组MOA对过电压的限制研究

沿线分别布置2组MOA、4组MOA和6组MOA，当故障点的位置发生变化时，沿线的最大过电压如图6-12所示。图6-12中“2组MOA”即线路两端分别自带一组MOA;“4组MOA”时，另两组MOA置于线路1/3和2/3处；“6组MOA”时，另四组MOA置于线路1/5、2/5、3/5和4/5处。

比较图6-12中三种情况下的过电压幅值，可以发现，沿线最大过电压幅值与接地点的位置密切相关，同时只有在有MOA设置的地方下，该处接地过电压才得到一定的限制。由于线路中点处未装设避雷器，因此线路中间的接地过电压未能得到有效地限制，当线路中间出现单相接地时，其过电压幅值最大，三种情况下均超过1.85p.u.，且差异不大。

（2）奇数组MOA对过电压的限制研究

沿线分别布置3组MOA、5组MOA和7组MOA，当故障点的位置发生变化时，沿线的最大过电压如图6-13所示。图6-13中“2组MOA”即线路两端分别自带一组MOA;“3组MOA”时，另一组MOA置于线路中间；“5组MOA”时，另三组MOA置于1/4、2/4和3/4处；“7组MOA”时，另五组MOA置于线路1/6、2/6、3/6、4/6和5/6处。

由图6-13可知，在沿线布置奇数组MOA时，由于在线路中间加装有一组MOA时，最大过电压得到了明显的限制。然而，在3组、5组和7组MOA限制下，线路的最大过电压也都达到了1.74p.u．左右，仍不能满足限制要求。不同组MOA限制措施下最大过电压如表6-17所示，可以发现，随着MOA组数的增加，最大过电压有所下降但不显著。

（3）小结

综合图6-12、图6-13和表6-17，可以发现，只有在设置有MOA的地方下，该处接地过电压才得到较好的限制，MOA只对其装设处附近地方（大概80km内）出现单相接地故障过电压时具有一定的限制作用，对更远处的接地过电压则没有明显的限制作用。随着MOA数量的增加，最大过电压值减小得越来越缓慢，当线路较长时，布置更多的MOA不仅不能起到很好的效果，反而会增加经济上的耗费。另外，对比图6-12、图6-13可知，针对长线路，在线路中间加装MOA可以显著降低该处过电压值。

综上，对于采取双端补偿方式的特高压长线路，在线路中间布置一组MOA能够显著降低单相接地故障过电压。另外，仅采用MOA来限制单相接地故障过电压时，需要在沿线布置较多组数的MOA才能勉强控制该过电压。因此，该方法具有一定的局限性。

3）分段高抗补偿的限制研究

高抗补偿对单相接地故障过电压有一定的抑制作用，一般来说，补偿度越高，限制效果就越好。相同补偿度下高抗的不同布置方式对该过电压有着不同的限制效果，下面对此进行分析。

选取800km的长线路，线路两端分别布置一组MOA，同时保持高抗补偿度为80%不变，改变补偿点数目（各点补偿容量平均分配），分析不同数量补偿点对单相接地故障过电压的限制影响，结果如图6-14所示。

由图6-14可以发现，相同高抗补偿度下，补偿布置点越多，对过电压的限制越有利。其中，三点分布（即线路中间也有补偿）的限制效果明显好于两点分布（即线路两端补偿）；而当分布点更多后，过电压的限制效果逐渐趋向饱和。因此，通过线路中间设置高抗来限制较长线路的过电压是较为有效的。同时也发现，三点补偿下800km线路的最大过电压仍大于规程允许值1.7p.u.。

下面分析三点补偿下，高抗容量的不同分配方式对该过电压会有什么样的影响。仍选择800km线路进行分析，同样保持高抗补偿度为80%不变，采用三点补偿，但线路首末端与中间补偿容量分配不一致，计算结果如表6-18所示。其中，表6-18中补偿容量比例为1∶1∶1即三点平均补偿。

由表6-18可知，随着线路中间高抗容量比例的增加，对过电压的限制效果就越好。这是因为线路中间电压往往较高且过电压较难控制，此外，由于线路较长，该处电压变化更为剧烈，易产生高幅值的过电压。通过线路中间加装高抗后，钳制了该处的电压波动，同时也改善了全线的过电压分布，该处补偿度越高，钳制作用越有效。因此，针对长线路，在线路中间加装高补偿度的高抗有利于对该过电压的限制。

然而，进一步计算表明，对于较长特高压线路，从限制工频过电压的角度出发，线路中间高抗补偿容量不宜过大。以长度为800km的特高压线路为例，当线路两端产生单相接地甩负荷工频过电压时，工频过电压最大值如下表6-19所示。

综合表6-18、表6-19可知，对于三点补偿的特高压长线路，由于甩负荷工频过电压最大值通常出现在靠近线路两端的部分，因此随着线路中间的高抗补偿容量增加，单相接地甩负荷工频过电压会增加，故在线路中间加装较多高抗时，工频过电压可能会超过限制要求；而对于长线路单相接地故障过电压，沿线最大值通常出现在线路中部，故随着线路中间的高抗补偿容量增加，单相接地故障过电压会减小。因此，针对长线路，从同时限制工频过电压和单相接地故障过电压的角度出发，应在线路中间加装适量高抗，由表6-20、表6-21可知，当线路中间的高抗补偿容量在50%左右时对两者的限制均较为有利。

目前，常见特高压三点补偿的分段线路中间的高抗补偿容量在50%左右[1]。由表6-18可知，800km的长线路过电压仍有可能超过规程的限制要求，因此，还应采取进一步限制措施。

4）多组MOA和分段高抗的联合限制研究

由前面两小节可知，对于特高压长线路，当线路中间布置了MOA或者高抗之后，过电压值显著降低，但是仅采用沿线布置避雷器或者沿线布置高抗的措施仍无法满足规程的限制要求。对于采用三点限制模式（即线路首端、中间、末端均设置有MOA保护和高抗补偿）的长线路，本节对多组MOA和分段高抗联合限制该过电压的效果进行研究。

选取800km的长线路，采用三点限制模式，过电压计算结果如表6-20所示。

由表6-20可知，在三点限制模式下，800km的长线路的单相接地故障过电压得到了有效限制，满足规程要求。因此，可以推知，针对500～800km的长线路，在线路中间进行分段落点（分段长度在400km左右），设置MOA及合适的高抗补偿时，就能较好地抑制该种过电压。

事实上，鉴于长线路的单相接地故障过电压难以限制，我国已建成的晋东南—南阳—荆门特高压示范线路以及淮—皖—浙—沪特高压双回线路均采用开关站分段技术。最大分段距离在400km左右，同时在分段处设置了MOA与高抗措施来共同抑制过电压。

因此，采用三点限制模式—多组MOA保护和分段高抗补偿联合限制该过电压时，可以较好地同时兼顾工频过电压与操作过电压的限制要求，减少了沿线装设MOA的数量，是一种技术上可行、经济上占优的限制方法。

6.2.4.2 长线路单相接地故障过电压进一步研究

由前面的分析可知，对于较短的特高压线路，单相接地故障操作过电压通常不会超过1.7p.u．的限制水平，不是决定系统绝缘水平的决定性因素[1]。当线路较长（大于600km）时，单相接地故障过电压仍有可能超过1.7p.u．的限制水平，对特高压系统安全构成威胁。但是对于较长的特高压线路，从限制工频过电压以及稳压的角度考虑，需对线路进行分段，并在每一段线路的两端加装并联高抗，这样可以使单相接地故障过电压降低。因此，对于某一长度很长的线路，若能给予适当的线路分段（配以相应的MOA保护和高抗补偿），可以确保使单相接地故障过电压不超过规程规定的限制水平，则该线路分段方式可以为线路规划设计以及过电压防护计算时直接引用，从而可以避免单相接地故障过电压很大工作量的仿真计算（因为该过电压影响因素太多，工况太复杂），节省大量时间和精力。

鉴于此目的，本小节借助PSCAD-EMTDC软件仿真，在大量仿真计算的基础上，对分段的特高压长线路单相接地故障过电压进行了详细研究。在求取最严酷单相接地故障过电压的条件下，研究了线路分段数为3～5段的特高压长线路单相接地故障过电压问题，探讨了不同线路分段方式下该过电压不超过限制水平时线路所能达到的最大长度，提出了不同分段方式下整条线路单相接地故障过电压不会超过限制水平的最大长度，并给出了相应的线路分段方式，可为特高压输电工程建设直接提供参考。

在前面探究单相接地故障过电压影响因素的基础之上，下面将分别探究分三段、四段和五段情况下的特高压线路单相接地故障过电压水平，求取分3～5段的线路单相接地故障过电压不超过限制水平时可达到的全线最大长度以及单段线路的最大长度。

1）长线路分三段时的单相接地故障过电压研究

（1）平均分三段时的线路过电压研究

对于平均分三段、每段长度400km的特高压线路，在常规的限制措施如加装高抗和MOA下，如图6-15所示。其中，A、B、C、D四点的高抗容量比例为1∶2∶2∶1。

为了研究MOA对该过电压的限制效果，在沿线改变MOA布置的方式：第一种MOA布置方式为沿线加装六组MOA，如图6-16所示，在分段线路沿线布置MOA时通常采用此方式，其中A、D处各一组，B、C处各两组，用a1表示；第二种MOA布置方式为沿线布置四组MOA，其中A、B、C、D处各一组，用b1表示；第三种MOA布置方式为沿线布置两组避雷器，其中B、C处各一组，用c1表示；第四种情形下沿线不装设避雷器，用d1表示。其沿线最大单相接地故障过电压水平如表6-21所示。

从表6-21可知，当线路补偿度保持不变时，随着沿线MOA组数的增加，单相接地故障过电压值基本保持不变；当MOA布置条件不变时，随着线路补偿度的增加，单相接地故障过电压会有明显的减小，因此，高抗较MOA能够更好地限制长线路单相接地故障过电压。对于3×400km长的特高压线路，当补偿度在80%～90%之间变化时，单相接地故障过电压均不超过1.7p.u．的限制水平，因此，该类过电压不会危及平均分三段、每段长度为400km的特高压线路。

单相接地故障过电压与线路长度呈正相关，线路越长，过电压越大，因此，可以推知，对于总长度小于1200km、平均分三段的特高压线路或总长度小于1200km、分段长度小于400km的特高压线路，单相接地故障过电压均不会超出限制水平，不需考虑该种过电压对绝缘构成的威胁。

（2）长线路分三段、单段长度发生变化时的过电压研究

当分段长度发生变化时，单相接地故障过电压如表6-22所示。避雷器采取在每个分段线路两端对称布置的方式；高抗也采取在每个分段线路两端对称布置、其容量与分段线路长度成比例。

由表6-22可知，对于不平均分段的特高压线路，单段长度较长的线路在整条线路两端时沿线单相接地故障过电压值要小于该段线路位于整条线路的中间段时的过电压值。当线路分段数一定时，线路分段越平均，过电压越小。基于通用化结论的考虑，在下面的仿真计算中，线路长度均以100km为单位。采用常规抑制过电压的措施，对于分三段的线路，当补偿度取在80%～90%之间变化时，单相接地故障过电压不超过限制水平时线路最大长度可达1300km，单段线路的最大长度可达500km，且其中一种过电压较低的合理分段方式为500km-400km-400km或400km-400km-500km。

2）长线路分四段时的单相接地故障过电压研究

（1）平均分四段时的线路过电压研究

对于平均分四段、每段长度400km特高压线路，在常规的限制措施如加装高抗和MOA下，如图6-16所示。其中，A、B、C、D、E五点的高抗容量比例为1∶2∶2∶2∶1。

为了研究MOA对该过电压的限制效果，在沿线改变布置MOA的方式：第一种MOA布置方式为沿线加装八组MOA，如图6-16所示，在分段线路沿线布置MOA时通常采用此方式，其中A、E处各一组，B、C、D处各两组，用a2表示；第二种MOA布置方式为沿线布置五组MOA，其中A、B、C、D、E处各一组，用b2表示；第三种MOA布置方式为沿线布置三组避雷器，其中B、C、D处各一组，用c2表示；第四种MOA布置方式为仅在C处布置一组MOA，用d2表示；第五种情形下沿线不装设避雷器，用e2表示。其沿线最大单相接地故障过电压水平如表6-23所示。

由表6-23可知，MOA对单相接地故障过电压有微弱的限制作用。当线路补偿度在80%～90%的范围内变动时，过电压均超过了1.7p.u．的限制水平。因此，对于平均分四段的特高压长线路，在常规的限制措施下，为了使单相接地故障过电压不超过限制水平，单段线路长度取为400km不满足单相接地故障过电压低于限制水平这一条件。

（2）长线路分四段、单段长度发生变化时的过电压研究

当单段分段距离发生变化时，单相接地故障过电压如表6-24所示。避雷器采用在单段线路两端布置的常规方式。高抗也采取在每个分段线路两端对称布置、其容量与分段线路长度成比例。

由表6-24可知，当线路分段数一定时，线路分段越平均，过电压越小。补偿度越高，过电压越小，对于分四段的特高压线路，当线路补偿度取80%～85%时，整条线路单相接地故障过电压不会超过限制水平的最大长度可达1300km，单段线路最大长度可达400km，一种较为合理的线路分段方式为400km-300km-300km-300km；当补偿度取90%时，过电压水平进一步降低，整条线路单相接地故障过电压不会超过限制水平的最大长度增加至1400km，单段线路最大长度可达400km，一种过电压较低的较为合理的线路分段方式为400km-300km-300km-400km。

另外，比较表6-22和表6-24可知，相同线路长度下，不同的线路分段方式对单相接地故障过电压的影响很大，增加线路分段数，减小线路分段距离对该过电压有一定的削弱作用，当线路分段数一定时，中间段线路长度越短，单相接地故障过电压通常越小。

3）长线路分五段时单相接地故障过电压研究

（1）平均分五段线路过电压研究

对于平均分五段、每段长度为300km的特高压线路，在常规的限制措施如加装高抗和MOA下，如图6-17所示。其中，A、B、C、D、E、F六点的高抗容量比例为1∶2∶2∶2∶2∶1。

为了研究MOA对该过电压的限制效果，在沿线改变布置MOA的方式：第一种MOA布置方式为沿线加装十组MOA，如图6-17所示，在分段线路沿线布置MOA时通常采用此方式，其中A、F处各一组，B、C、D、E处各两组，用a3表示；第二种MOA布置方式为沿线布置六组MOA，其中A、B、C、D、E、F处各一组，用b3表示；第三种MOA布置方式为沿线布置四组避雷器，其中B、C、D、E处各一组，用c3表示；第四种MOA布置方式为沿线布置两组MOA，其中C、D处各一组，用d3表示；第五种情形下沿线不装设避雷器，用e3表示。其沿线最大单相接地故障过电压水平如表6-25所示。

由表6-25可知，MOA对过电压的限制作用仍不明显，当线路补偿度取80%或85%时，沿线单相接地故障过电压超过限制水平；当补偿度取90%时，过电压值降低到1.7p.u．以下。

（2）长线路分五段、单段长度发生变化时的过电压研究

当线路分段方式发生变化时，单相接地故障过电压值如表6-26所示。避雷器采用在单段线路两端布置的常规方式。避雷器采取在每个分段线路两端对称布置的方式；高抗也采取在每个分段线路两端对称布置、其容量与分段线路长度成比例。

由表6-26可知，当线路分段数一定时，中间段线路越短，过电压越小，且线路分段越平均，过电压越小，对于分五段的特高压线路，当补偿度取80%～85%时，表中所列几种线路分段方式下的过电压值均超过限制水平；当补偿度取90%时，部分线路分段方式下过电压降低至限制水平以内，沿线单相接地故障过电压不超过限制水平的最大线路长度可达1600km，且单段线路长度最大可达400km，一种过电压较低的合理线路分段方式为300km-300km-300km-300km-400km。

4）线路中间具有落点的情形

对于较长的特高压线路，除了直接点对点输电的情形外，还有一种线路中间具有一个或多个落点负荷或落点等效电源的情形，如图6-18所示，图中省略了线路的分段情况。

对于较长的特高压线路中间具有落点电源的情形，一方面，落点电源出口母线处（图6-18中A、B两点）的电压被钳制在正常运行的工频电压数值，当整条线路发生单相接地故障时，会导致过电压水平降低；另一方面，电源与电源之间的输电线路长度缩短，过电压水平也会降低。对于较长的特高压线路中间具有落点负荷的情形，负荷对过电压的阻尼作用也会使得过电压水平降低。因此，对于长线路单相接地故障过电压，如果线路中间存在落点电源或落点负荷，会导致单相接地故障过电压水平下降。随着特高压电网的发展，特高压长线路交流输电是一个趋势，且线路中间通常会有落点电源或落点负荷，此时，单相接地故障过电压水平会比线路中间有落点负荷或电源的长线路的过电压水平低。

5）小结

综合前面四小节可知，对于不同长度的特高压长线路，当线路分段数一定时，单段长度较大的线路位于整条线路中间时的过电压水平高于其位于整条线路两端时的过电压水平；同时线路分段越平均，单相接地故障过电压越小。因此，从限制单相接地故障过电压的角度考虑，在常规的限制过电压的措施下，当特高压线路长度发生变化时，采用如下表6-27所示的分段方式，单相接地故障过电压不会超过限制水平，基于通用化结论的考虑，线路长度均以100km为单位。当长线路中间有落点负荷或落点电源，此时该过电压水平会进一步降低。

表6-27中所示的线路分段方式是基于通用化结论考虑得到的一种过电压较低的线路分段方式，即对于分3～5段的特高压长线路，若每段线路的长度均不大于表中所示线路分段方式的情况、且补偿度不小于表中最右侧一列所示的线路补偿度，则沿线单相接地故障过电压不会超过限制水平1.7p.u.。

另外，在实际的工程中，考虑到实际的落点限制和工程的方便实施与否，表6-27中所示的某种分段方式在实际施工中可能不方便实施，此时，则需结合表6-22、表6-24和表6-26中的结果和实际落点情况以及工程方便实施与否，由过电压限制水平来重新确定线路的合理分段方式。例如，当线路高抗补偿度为90%时，对于长度为1500km的特高压交流输电长线路，采用300km-300km-300km-300km-300km的线路分段方式在实际工程中可能不方便实施，结合表6-26也可选用300km-200km-400km-300km-300km的线路分段方式，其过电压值同样不超过1.7p.u.。因此，只要这种分段方式在实际工程中比线路采取平均分段方式时更方便实施，此时，可以考虑采取300km-200km-400km-300km-300km的线路分段方式。