高壓海底電纜暫時過電壓研究

周超凡，熊 瑋，李浩原

（1.國家電網(wǎng)公司華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢 430077；2.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢430074）

0 引言

海底電纜指敷設(shè)在海洋中的電纜，它的發(fā)展歷史超過百年，最初用于向近海的燈塔等設(shè)備供電，現(xiàn)已發(fā)展為連接海峽兩側(cè)電網(wǎng)或者大陸向海島供電的重要通道[1-3]。

海底電力電纜工程是國際公認的復(fù)雜、困難的大型工程，電纜的設(shè)計、制造、施工難度及技術(shù)要求均高于架空線及陸地電纜工程。隨著我國經(jīng)濟和技術(shù)水平的迅速發(fā)展，特別是國家“海洋戰(zhàn)略”的全面實施，海底電纜輸電工程近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的特點。我國海域遼闊、海岸線漫長，沿海島嶼與大陸、島嶼與島嶼電力聯(lián)網(wǎng)空間巨大。

海底電纜工程往往造價昂貴、施工搶修較為復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)將解列，后果嚴重，因此海底電纜系統(tǒng)的安全可靠性要求較高。電纜的過電壓水平與絕緣性能是海底電纜系統(tǒng)可靠性的重要評價依據(jù)，對海纜的造價水平也有著顯著的影響。因此，有必要對海底高壓電纜的過電壓進行研究。本文針對海底電纜系統(tǒng)的暫時過電壓進行仿真計算研究[4-6]。

1 暫時過電壓仿真模型

1.1 暫時過電壓原理

暫時過電壓包括工頻電壓升高和諧振過電壓，工頻電壓升高主要包括空載長線的電容效應(yīng)、無故障或接地故障甩負荷。

工頻過電壓（工頻電壓升高）是指系統(tǒng)正常或故障時可能出現(xiàn)的幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高。工頻電壓升高大都在空載或輕載條件下發(fā)生，與多種操作過電壓的發(fā)生條件相同或相似，所以它們有可能同時出現(xiàn)。因此它的大小直接影響操作過電壓的幅值。工頻電壓升高也是決定避雷器等過電壓保護裝置工作條件的重要依據(jù)。

諧振過電壓是指因系統(tǒng)的電感，電容參數(shù)配合不當(dāng)，出現(xiàn)的各類持續(xù)時間長、波形周期性重復(fù)的電壓升高[7]。

本文將針對上述暫時過電壓情況展開分析。

1.2 暫時過電壓仿真模型

借鑒以往工程案例進行仿真系統(tǒng)搭建。架空線-海纜混合系統(tǒng)包含起點500kV變電站、終點500kV變電站、500kV高抗站、海纜首端終端站、海纜末端終端站、起點變電站－高抗站－海纜首端終端站架空線路、海底電纜、海纜末端終端站－終點500kV變電站架空線路。

根據(jù)上述方案示意圖，可基于ATP平臺搭建混合系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

圖1 架空線-海纜混合系統(tǒng)仿真模型

1.3 仿真參數(shù)設(shè)置

1）電源參數(shù)。

暫時過電壓水平與系統(tǒng)中等效電源阻抗有關(guān)，本節(jié)仿真中電源采用理想電壓源與序阻抗串聯(lián)模型。系統(tǒng)兩側(cè)電源等值阻抗參數(shù)如表1所示。

表1 電源等值阻抗Ω

仿真計算中，搭建包含系統(tǒng)各部分的仿真模型。在此基礎(chǔ)上接入BPA等值參數(shù)。基于多年潮流數(shù)據(jù)，考慮較嚴重情況，電源電壓取不同系統(tǒng)運行方式下最高電壓540kV。

2）電纜參數(shù)設(shè)置。

電纜參數(shù)如表2所示，終端對地電容取0.001μF。

表2 海纜仿真模型有效性驗證

3）系統(tǒng)無功補償。

仿真分析中將在起點變電站裝設(shè)1組90Mvar高抗，高抗站裝設(shè)2組180Mvar高抗，終點變電站裝設(shè)2組180Mvar高抗，線路高抗補償度約91.8%。

2 暫時過電壓分布規(guī)律

2.1 容升效應(yīng)過電壓分布規(guī)律

為研究空載線路容升效應(yīng)，選取不同的高抗配置方案如表3所示，方案1、方案2、方案3為配置了補償高抗，方案4無高抗。

表3 高抗配置方案

起點線路較長，海纜容升效應(yīng)更為明顯，仿真中設(shè)置起點線路及海纜接入，終點變電站斷路器斷開。海纜不同位置的過電壓波形如圖2所示，沿線各點過電壓幅值較為接近。

圖2 空載電纜的電容效應(yīng)

不同高抗配置方案下，海纜工頻過電壓升高情況如表4所示。

表4 不同高抗配置方案下工頻電壓升高情況pu

仿真結(jié)果表明，配置補償高抗時，系統(tǒng)容升效應(yīng)不明顯，高抗補償度越高，容升過電壓水平越低。無高抗補償時，系統(tǒng)容升過電壓水平大幅上升。

2.2 無故障及接地故障甩負荷過電壓

甩負荷工況主要包括無故障甩負荷、單相接地故障甩負荷、兩相接地故障甩負荷等類型，其中單相接地故障甩負荷較為常見。本節(jié)將針對起點線路發(fā)生單相接地故障，三相斷路器跳閘開展工頻過電壓分布規(guī)律分析。

故障相電壓越接近峰值時發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓幅值越高，故障點暫態(tài)過電流也越大。設(shè)置起點線路在A相電壓達到峰值時發(fā)生單相接地故障，接地電阻取30Ω（弧道電阻15Ω，桿塔接地電阻15Ω），經(jīng)繼電保護響應(yīng)時間（0.1s）后，終點變電站斷路器跳閘。單相接地故障海纜末端過電壓分布如圖3所示。

圖3 單相接地故障海纜末端過電壓波形

發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)繼電保護動作，斷路器分閘，系統(tǒng)穩(wěn)定后，接地相電壓幅值較低，未接地相幅值較高，B相電壓幅值最高。海纜沿線B相過電壓分布情況如圖4所示。

圖4 海纜沿線B相過電壓波形

沿線工頻過電壓幅值基本一致，無明顯差異，如表5所示。

表5 單相接地甩負荷海纜沿線過電壓幅值

工頻過電壓倍數(shù)見圖5。

圖5 單相接地甩負荷海纜沿線過電壓幅值

2.3 諧振過電壓

在線路高抗中性點裝設(shè)小電抗的目的主要有2個：1）抑制線路諧振過電壓；2）控制潛供電流。不同高抗及小電抗配置時，系統(tǒng)諧振情況如圖6所示。

圖6 諧振過電壓計算結(jié)果曲線

圖6中：X為小電抗值。仿真計算結(jié)果曲線表明，若高抗中性點不裝設(shè)小電抗（或退出運行），高抗補償容量在850MVar左右時，聯(lián)網(wǎng)線路上會產(chǎn)生較高的諧振過電壓；當(dāng)高抗站每組高抗中性點裝設(shè)100 Ω的小電抗時，可獲得相對較好的抑制諧振過電壓的效果，且該小電抗值對高抗容量及海底電纜長度等敏感性因素具有較好的適應(yīng)性。

集中裝設(shè)中性點小電抗后，諧振過電壓較小，對系統(tǒng)不構(gòu)成威脅。

3 暫時過電壓影響因素分析

3.1 系統(tǒng)開斷點

基于仿真模型，分別計算無故障甩負荷（k（0））、單相接地甩負荷（k（1））、兩相接地甩負荷（k（2））情況下的工頻過電壓幅值，弧道電阻取為15Ω。

1）當(dāng)起點斷路器斷開時，工頻過電壓計算結(jié)果如表6所示。

表6 起點斷路器斷開時工頻過電壓計算結(jié)果pu

距終點變電站越遠過電壓幅值越高，單相接地甩負荷與兩相接地甩負荷過電壓幅值無明顯差異，無故障甩負荷過電壓水平較低。

2）當(dāng)高抗站斷路器斷開時，工頻過電壓計算結(jié)果如表7所示。

表7 高抗站斷路器斷開時工頻過電壓計算結(jié)果pu

海纜上過電壓水平較低，高抗站遠離兩端電源，過電壓水平較高。

3）當(dāng)終點變電站斷路器斷開時，工頻過電壓計算結(jié)果如表8所示。

表8 終點變電站斷路器斷開工頻過電壓計算結(jié)果pu

終點變電站斷路器斷開時，幾乎全部的海纜及架空線路仍連接在系統(tǒng)中，同時終點變電站的高抗退出運行，不對稱接地故障下，系統(tǒng)工頻過電壓水平大幅上升。海纜通過架空線連接斷路器，斷路器動作時海纜上工頻過電壓水平低于系統(tǒng)中最嚴重點。不對稱接地故障工況下，海纜-架空線系統(tǒng)海纜上最大工頻過電壓值為1.33pu，架空線上最大工頻過電壓值為1.35pu。

3.2 系統(tǒng)無功配置方案

高抗配置方案如表3所示，不同高抗配置方案下，海纜系統(tǒng)暫時過電壓分布如表9所示。

表9 不同高抗配置方案下工頻過電壓計算結(jié)果pu

無高抗時，系統(tǒng)暫時過電壓較大，超過了1.4 pu。進行高抗補償后，暫時過電壓水平降到了允許時，補償方案1的過電壓水平較低，海纜上的最大暫態(tài)過電壓值為1.33pu，架空線上的最大過電壓值為1.35pu。從限制暫時過電壓的角度考慮，架空線-海纜系統(tǒng)必須進行高抗配置，高抗補償容量越大，系統(tǒng)暫時過電壓水平越低。

此外，為避免無功潮流的大幅流動，架空線-海纜系統(tǒng)沿線各站點的充電功率應(yīng)盡量就地平衡。從均衡海底電纜兩端無功電流、充分利用海底電纜通流能力考慮，海底電纜兩端的感性補償容量應(yīng)盡量對稱。

綜合上述因素，建議架空線-海纜采用高補償度的高抗配置方案1，系統(tǒng)暫時過電壓水平較低，在任1組高抗退出運行的條件下，其線路最大工頻過電壓仍維持在1.4pu以下，同時可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)線路充電功率的就地補償。

3.3 系統(tǒng)運行方式

為分析系統(tǒng)運行方式對工頻過電壓影響，對終點變電站斷路器斷開工況下夏大和冬小運行方式下的工頻過電壓情況進行分析。工頻過電壓計算結(jié)果如表10所示。

表10 不同運行方式下過電壓計算結(jié)果pu

不同運行方式下，相同故障條件引起的工頻過電壓幅值基本相同，其原因在于兩種運行方式下電源參數(shù)相差較小，對工頻過電壓影響基本可以忽略。

3.4 電纜長度

為分析電纜長度的影響，選取10km、20km、30 km、40km、50km海纜進行分析。由于海纜電容較大，海纜長度的改變顯著影響系統(tǒng)充電功率，高抗配置方案需進行同步修正。研究中選取電弧電阻為15 Ω，終點變電站斷路器斷開，計算結(jié)果如表11所示。

圖7 操作過電壓隨海纜長度變化特性

表11 不同長度海纜系統(tǒng)工頻過電壓計算結(jié)果

由表11可知，系統(tǒng)工頻過電壓幅值隨著海纜長度的增加而增大。詳見圖7。

3.5 架空線長度

不同架空線長度下海纜上暫時過電壓幅值如表12所示。表中架空線長度為海纜起點至變電站的距離。

表12 不同架空線長度工頻過電壓值

仿真計算結(jié)果表明，隨著架空線長度的增加，海纜上暫時過電壓幅值增大。

4 結(jié)語

本文建立了架空線-海纜混合系統(tǒng)的暫時過電壓仿真模型，對空載長線的電容效應(yīng)、接地故障甩負荷、諧振過電壓等暫態(tài)過電壓原理進行了分析，同時研究了暫時過電壓的影響因素，研究結(jié)論如下：

1）配置補償高抗時，系統(tǒng)容升效應(yīng)不明顯，高抗補償度越高，容升過電壓水平越低，容升效應(yīng)過電壓小于1.05pu。無補償高抗時，系統(tǒng)容升過電壓水平大幅上升至1.14pu；

2）單相接地故障甩負荷及兩相接地故障甩負荷過電壓較高，超過了1.3pu，無故障甩負荷過電壓值較??；

3）若高抗中性點不裝設(shè)小電抗（或小電抗退出運行），高抗補償容量在850MVar左右時，聯(lián)網(wǎng)線路上會產(chǎn)生較高的諧振過電壓；當(dāng)高抗站每組高抗中性點裝設(shè)100Ω的小電抗時，可獲得相對較好的抑制諧振過電壓的效果；

4）暫時過電壓中接地故障甩負荷過電壓值最大，是需要重點考慮的暫時過電壓類型。海纜沿線暫時過電壓幅值基本一致。本研究建立的架空線-海纜系統(tǒng)的工頻過電壓水平為1.35pu，考慮1.15倍的安全系數(shù)，電纜要求耐受電壓值為464kV；

5）暫時過電壓受系統(tǒng)補償方案、運行方式、電纜類型及長度、架空線長度、海纜相間距等因素的影響。研究結(jié)果表明：無高抗時，系統(tǒng)暫時過電壓較大，超過了1.4pu。進行高抗補償后，暫時過電壓水平降低至允許值范圍內(nèi)，從限制暫時過電壓的角度考慮，架空線-海纜系統(tǒng)必須進行高抗配置，高抗補償容量越大，系統(tǒng)暫時過電壓水平越低；運行方式對暫時過電壓幅值影響較??；XLPE電纜暫時過電壓水平低于SCOF電纜；暫時過電壓隨著電纜長度及架空線長度的增加而增大；海纜相間距對暫時過電壓影響較小。