500 kV交流海底電纜過電壓保護與絕緣配合研究

李浩原，李 健

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

海底電纜在工程中的應用可追溯到20世紀初，最初的應用場合是給海上燈塔供電。隨著電纜技術的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展，目前海底電纜已廣泛應用在電網(wǎng)互聯(lián)或者孤島供電等重要場合。海底電纜價格昂貴，高電壓等級的海底電纜價格可達每公里數(shù)百萬元。由于其敷設于海上，施工和搶修很復雜，若出現(xiàn)故障，則很可能導致電力系統(tǒng)解列等嚴重的電網(wǎng)事故。因此，海底電纜的運行可靠性要求很高[1-2]。海底電纜屬于非自恢復性絕緣，絕緣一旦擊穿，無法自恢復[3-4]，因此海底電纜的絕緣水平需充分考慮系統(tǒng)的過電壓水平，以免出現(xiàn)絕緣擊穿導致嚴重后果。一般來說，國外交流海底電纜工程都會進行過電壓計算，而由于參考標準體系及電力系統(tǒng)參數(shù)等不同，絕緣的配置情況都會有所差異[5-7]，因此，對國內(nèi)工程的參考價值不大。對于國內(nèi)工程需針對工程具體參數(shù)進行過電壓計算以滿足海底電纜絕緣配合要求。

考慮海底電纜過電壓水平與絕緣配合的重要性，基于鎮(zhèn)海—舟山500 kV交流海底電纜輸電工程，研究了交流海底電纜系統(tǒng)的過電壓和絕緣配合。研究結果可為后續(xù)海底電纜工程提供參考，對提高中國海底電纜工程技術水平也有著積極的意義。

1 仿真模型

過電壓仿真計算是基于ATP-EMTP成熟的模型庫及仿真計算平臺，進行架空線-電纜混合系統(tǒng)模型搭建和過電壓仿真分析。之前，需選擇合適的仿真模型搭建交流海底電纜過電壓仿真系統(tǒng)。

1.1 架空線路仿真模型選擇

采用ATP-EMTP中輸電線路的LCC模型進行計算。該模型屬于分布參數(shù)模型，包含導線、桿塔、接地等參數(shù)，其中頻率相關子模型包含J.Marti模型和Noda模型等。

Noda模型較為復雜，同時需要合適的參數(shù)以及較大的步長才能得到穩(wěn)定的響應。而J.Marti模型能夠很好反應雷電過電壓波過程。J.Marti充分考慮了導地線之間的耦合，計算方便、精度較高。這里的架空輸電線路將采用J.Marti模型。

1.2 海底電纜仿真模型選擇

電纜仿真模型的選取與架空線類似，考慮到雷電波過程及其頻率特性，電纜采用J.Marti模型。

鎮(zhèn)?！凵?00 kV海底電纜工程采用的海底電纜為交聯(lián)聚乙烯電纜，典型500 kV XLPE交流海底電纜的結構如圖1所示。

圖1 典型交聯(lián)聚乙烯海底電纜結構

1.3 避雷器仿真模型

避雷器特性對系統(tǒng)過電壓水平有顯著的影響，正確地建立避雷器仿真模型是架空線-海底電纜混合系統(tǒng)過電壓分析與絕緣配合的前提。

ATP-EMTP軟件模型庫中包含基于伏安特性的金屬氧化物壓敏電阻(metal oxide varistors，MOV)模型，仿真中需基于避雷器實際安裝場合、應用情況對MOV模型進行修正完善，避雷器常用模型有IEC模型及IEEE模型。IEEE模型考慮了陡波響應，更準確。此處仿真采用IEEE模型，如圖2所示。

圖2 IEEE避雷器等效電路

圖2中：L0為避雷器內(nèi)部電感，體現(xiàn)避雷器的動態(tài)特性；R0是為計算穩(wěn)定性而設的參數(shù)；C為雜散電容；非線性特性由Z0和Z1表示，Z0大于Z1，兩部分由并聯(lián)的線性R1與L1支路隔開。

2 暫態(tài)過電壓

在電力系統(tǒng)中，因為斷路器的操作或系統(tǒng)故障，系統(tǒng)參數(shù)會發(fā)生改變，引起內(nèi)部出現(xiàn)暫態(tài)變化過程，在這個期間會出現(xiàn)系統(tǒng)暫時過電壓。暫時過電壓通常由故障、容升效應、諧振等導致。

為研究空載線路容升效應，選取配置和不配置高壓電抗兩種方案進行仿真，有高壓電抗時鎮(zhèn)海及舟山高壓電抗容量均為180 Mvar，仿真模型見圖3?？蛰d長線電容效應如表1所示。

圖3 架空線-海底電纜混合系統(tǒng)仿真模型

表1 容升過電壓計算結果

表2 不同故障類型下過電壓

圖4 操作過電壓仿真模型

由表1可見，有高壓電抗的情況下，系統(tǒng)無顯著的容升效應；未配置高壓電抗的情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)顯著的容升效應。

不同故障類型情況下海底電纜沿線過電壓如表2所示?？梢钥闯?，兩相接地故障甩負荷時海底電纜沿線過電壓值最大，為1.24 pu。

3 操作過電壓研究

操作過電壓由切除空載變壓器、空載線路合閘、切除空載線路等產(chǎn)生[13]。仿真結果表明，空載線路合閘過電壓是最嚴重的操作過電壓類型。仿真模型見圖4所示。

圖4中：S為等效電壓源；R為補償電抗器；O為架空線；M為避雷器；SC為海底交流電纜；C為端口電容；B為斷路器。

對于不帶合閘電阻的斷路器，電源峰值合閘時過電壓最為嚴重，遠離操作端的海底電纜過電壓隨時間變化特性如圖5所示。

圖5 遠離操作端操作過電壓隨時間分布

由于回路電阻較小，系統(tǒng)發(fā)生欠阻尼振蕩。振蕩的頻率與線路參數(shù)有關，振蕩的幅值會逐步衰減。在末端進行操作時其過電壓水平高于首端。以海底電纜末端(舟山側)合閘為例，海底電纜沿線過電壓幅值如表3所示。

表3 遠離操作端過電壓沿線分布規(guī)律(無合閘電阻)

斷路器合閘電阻取400 Ω。在電源峰值時刻主開關合閘，半周期后輔助開關合閘。海底電纜沿線過電壓幅值見表4所示。

表4 遠離操作端過電壓沿線分布規(guī)律(400 Ω合閘電阻)

由圖6的有無合閘電阻操作過電壓的對比可見，增加合閘電阻后，系統(tǒng)的空載線路合閘過電壓明顯降低。

圖6 有無合閘電阻操作過電壓對比

合閘時刻對系統(tǒng)過電壓也存在較為明顯的影響，當主觸頭在合閘電阻電壓為0時刻合閘時，線路將直接進入穩(wěn)態(tài)，而隨機合閘則有可能造成震蕩產(chǎn)生過電壓，如圖7所示。選擇合適的合閘時刻對降低過電壓有重要的意義。

4 雷電過電壓研究

雷電過電壓包括繞擊和反擊兩種類型。下面分別對這兩種情況下沿海底電纜的雷電過電壓分布進行計算。采用標準雷電流波形(2.6/50 μs的斜角波)，對進線段遭受雷電繞擊及反擊時海底電纜過電壓進行計算。海底電纜采用J.Marti模型，電纜頭用入口電容表示，為1 000 pF。雷電通道波阻抗繞擊時取800 Ω，反擊時取300 Ω。繞擊和反擊點均取靠近終端站的架空線桿塔。仿真模型如圖8所示，圖中S為變電站等效電源，R為補償電抗器，F(xiàn)為閃絡判據(jù)，T為等效桿塔模型，L為雷電流源，O為架空輸電線路，M為避雷器，SC為海底電纜，C為端口電容。

圖7 不同合閘時刻操作過電壓波形

4.1 繞擊過電壓在海底電纜沿線分布規(guī)律

繞擊計算時，采用最大繞擊電流進行計算，取繞擊電流峰值為26 kA。海底電纜長度為17 km，電源相位與雷電過電壓同相位。海底電纜沿線過電壓幅值分布如圖9所示。

雷電侵入波過電壓幅值表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。海底電纜前面部分的過電壓最大值在電纜的起點處，而電纜后面部分的過電壓最大值在接近終點處，海底電纜沿線過電壓最大值出現(xiàn)在接近終點處，為905 kV。

圖8 雷電工況下仿真系統(tǒng)

圖9 海底電纜沿線繞擊過電壓分布

4.2 反擊過電壓海底電纜沿線分布規(guī)律

參考500 kV變電站雷電侵入波計算中的雷電流[12]，反擊雷電流取-220 kA，考慮最嚴重情況即電源與雷電流反相。反擊過電壓沿線分布情況如圖10所示，過電壓分布規(guī)律與繞擊類似，最大過電壓值為893 kV。

圖10 海底電纜沿線反擊過電壓分布

4.3 海底電纜長度對過電壓幅值的影響

改變海底電纜長度，海底電纜沿線最大繞擊過電壓幅值隨其長度變化的關系如圖11所示。海底電纜沿線最大過電壓隨著海底電纜長度的增加而減小。

圖11 海底電纜過電壓幅值與其長度關系

4.4 避雷器數(shù)量對過電壓幅值的影響

避雷器為非線性電阻片，當多個避雷器并聯(lián)時，并聯(lián)電阻值減小，電流被多聯(lián)避雷器分擔，流過每支避雷器的電流減小，避雷器殘壓會有所降低。繞擊雷電流幅值為26 kA時，單個避雷器和兩個避雷器并聯(lián)時的海底電纜末端過電壓幅值對比見圖12所示。由圖12可見，采用避雷器并聯(lián)可減小過電壓幅值4.2%。

避雷器多柱并聯(lián)后海底電纜末端電壓及沿線過電壓最大值見圖13所示。過電壓值隨避雷器并聯(lián)支數(shù)的增加而減小。

圖12 不同避雷器數(shù)量時海底電纜末端避雷器電壓對比

圖13 避雷器并聯(lián)支數(shù)與殘壓關系

5 交流海底電纜系統(tǒng)絕緣配合

海底電纜系統(tǒng)的絕緣配合需根據(jù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電壓和保護裝置的特性來確定電纜的絕緣水平。

海底電纜系統(tǒng)代表性過電壓由系統(tǒng)仿真得出，根據(jù)前面仿真計算結果，鎮(zhèn)?！凵胶５纂娎|系統(tǒng)的代表性過電壓如表5所示。

表5 鎮(zhèn)?！凵胶５纂娎|系統(tǒng)代表性過電壓

根據(jù)《絕緣配合 第2部分：使用導則》(GB/T 311.2-2013)、《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》(GB/T 50064-2014)和《交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導則》(DL/T 804-2014)，不同過電壓類型對應的最大配合系數(shù)如表6所示[8-11]。

表6 絕緣配合系數(shù)值

綜合考慮以上配合系數(shù)，海底電纜系統(tǒng)代表性過電壓在不同絕緣配合系數(shù)下要求耐受電壓如表7所示。

表7 鎮(zhèn)?！凵胶５纂娎|系統(tǒng)要求耐受電壓

根據(jù)《高壓電纜選用導則》(DL/T 401-2002)，500 kV交流電纜操作沖擊耐受電壓為1175 kV，雷電沖擊耐受電壓值為1550 kV，均大于表7中的要求耐受電壓。因此，海底電纜絕緣水平滿足要求。

6 結 語

鎮(zhèn)海—舟山500 kV交流海底電纜工程過電壓與絕緣配合仿真計算結果表明：

1)暫時過電壓中接地故障甩負荷時過電壓水平最高，鎮(zhèn)?！凵胶５纂娎|暫時過電壓水平為1.24 pu。

2)空載線路合閘過電壓是主要的操作過電壓類型，海底電纜遠離操作端的過電壓幅值大于靠近操作端，鎮(zhèn)?！凵胶５纂娎|操作過電壓水平為1.76 pu，配置合適的合閘電阻后，操作過電壓可明顯降低，降為1.30 pu。

3)雷電繞擊侵入波過電壓是主要的雷電過電壓類型。由于波的折反射和避雷器的限制作用，海底電纜沿線過電壓呈現(xiàn)先降低后升高的特點，最大過電壓出現(xiàn)在靠近電纜末端的位置，為2.03 pu，可采用多支避雷器并聯(lián)進一步降低雷電侵入過電壓水平；過電壓幅值隨電纜長度的增加而減小。

4)根據(jù)《高壓電纜選用導則》(DL/T 401-2002)的規(guī)定，海底電纜絕緣強度滿足要求，且有較大裕度。