海上風(fēng)電柔性直流換流平臺(tái)用±200 kV直流GIS關(guān)鍵電氣應(yīng)力研究

袁藝嘉，孔明，李元貞

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209)

海上風(fēng)電作為清潔能源之一，以其風(fēng)資源優(yōu)越、環(huán)保、節(jié)約土地、規(guī)模大等優(yōu)勢(shì)，受到世界各國(guó)的高度重視[1-3]。相比于交流輸電，柔性直流輸電由于具有不存在長(zhǎng)距離輸電的充電功率問(wèn)題、能夠靈活控制功率、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為解決當(dāng)前遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)的首要解決方案[4-7]。

在柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)，采用直流氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)，將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器、避雷器等部件全部封閉在金屬接地的外殼中，可大幅降低設(shè)備占地面積，也有利于提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性[8-9]。據(jù)評(píng)估，相比于同等電壓等級(jí)的直流空氣絕緣敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備(air insulated switchgear，AIS)，采用直流GIS的設(shè)備體積可減少最大約95%，因此整體海上平臺(tái)體積減少約10%[10-11]。由此可見(jiàn)，直流GIS將是實(shí)現(xiàn)未來(lái)輕型化、緊湊化海上換流平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備之一。

直流GIS目前尚無(wú)商業(yè)化產(chǎn)品投入海上風(fēng)電柔性直流換流平臺(tái)應(yīng)用。世界上第1個(gè)高壓直流GIS由日本日立公司于2000年研制，額定直流電壓±500 kV，但實(shí)際運(yùn)行電壓只有±250 kV。近年來(lái)，歐洲幾個(gè)在建的海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)工程均提出擬采用直流GIS?！?20 kV的直流GIS已于2018年在荷蘭阿納姆的KEMA高壓直流實(shí)驗(yàn)室通過(guò)長(zhǎng)期在線(xiàn)測(cè)試。世界首個(gè)直流GIS工程(±320 kV直流GIS)將于2023年在歐洲北海地區(qū)的DolWin6海上風(fēng)電工程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。此外德國(guó)Siemens公司已研制出匹配當(dāng)前海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)工程的±550 kV直流GIS，產(chǎn)品通過(guò)了IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的相關(guān)試驗(yàn)，將用于德國(guó)計(jì)劃中的南北線(xiàn)路直流輸電的變電站[11]。

直流GIS緊湊化、設(shè)備小型化的發(fā)展要求導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部絕緣距離問(wèn)題亟需解決。目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在直流絕緣特性[12-13]、GIS的電荷分布特性[14-16]、固體表面電荷積聚問(wèn)題、絕緣優(yōu)化方案[17-19]，以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[20-21]等方面；但這些文獻(xiàn)大多基于直流GIS的物理特性，從電磁分析等角度開(kāi)展設(shè)備層面的研究，很少涉及從系統(tǒng)角度研究直流GIS關(guān)鍵設(shè)備的電氣應(yīng)力設(shè)計(jì)。

本文結(jié)合世界范圍內(nèi)柔性直流工程及我國(guó)廠家直流GIS發(fā)展現(xiàn)狀，以基于對(duì)稱(chēng)單極系統(tǒng)拓?fù)涞摹?00 kV海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)工程為例，對(duì)直流GIS關(guān)鍵電氣應(yīng)力及參數(shù)要求進(jìn)行初步探討。首先，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，建立±200 kV海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)直流GIS暫穩(wěn)態(tài)電壓、電流應(yīng)力進(jìn)行分析與計(jì)算；其次，確定海上換流平臺(tái)直流GIS的暫穩(wěn)態(tài)電氣應(yīng)力耐受要求；最后，考慮不同海纜輸電距離的應(yīng)用需求，校核所提出的直流GIS關(guān)鍵電氣參數(shù)要求的適用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)

1.1 主系統(tǒng)

典型的海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示(無(wú)海上升壓站)。系統(tǒng)采用對(duì)稱(chēng)單極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括海上換流平臺(tái)、直流海纜和陸上換流站。海上換流平臺(tái)和陸上換流站采用工程中普遍采用的半橋模塊化多電平換流器(half bridge sub-model based modular multilevel converter，HB-MMC)。

國(guó)內(nèi)外±200 kV左右電壓等級(jí)的柔性直流輸電工程統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。本文參照國(guó)內(nèi)舟山工程，確定所研究的±200 kV海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)輸送容量400 MW，輸電距離130 km。海上風(fēng)電場(chǎng)、陸上交流系統(tǒng)的參數(shù)假定見(jiàn)附錄A中表A1，海上換流平臺(tái)和陸上換流站中聯(lián)結(jié)變壓器、換流閥等主要設(shè)備的參數(shù)見(jiàn)附錄A中表A2，直流電纜參數(shù)見(jiàn)附錄A中表A3[22]。

1.2 直流GIS主要元件及功能

直流GIS位于海上換流平臺(tái)直流側(cè)出口極線(xiàn)處，一般包含的主要元件設(shè)備有：直流光電流互感器(current transformer，CT)、直流阻容分壓器、直流避雷器、直流隔離開(kāi)關(guān)與接地開(kāi)關(guān)等，如圖1所示。在其他應(yīng)用場(chǎng)景(諸如海上風(fēng)電多端系統(tǒng)直流場(chǎng))還需配備直流啟動(dòng)電阻、快速開(kāi)關(guān)等元件。

表1 ±200 kV左右電壓等級(jí)柔性直流工程統(tǒng)計(jì)Tab.1 Summary of VSC-HVDC projects at the rated DC voltage of around ±200 kV

直流光CT主要用于極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)等功能；直流阻容分壓器主要用于直流電壓欠壓/過(guò)壓保護(hù)等功能；直流避雷器一般包括用于保護(hù)極母線(xiàn)設(shè)備的避雷器DB和保護(hù)直流海纜的避雷器DL；直流隔離開(kāi)關(guān)與接地開(kāi)關(guān)用于檢修期間海上換流平臺(tái)與直流電纜的物理隔離以及設(shè)備與大地之間的接地，在某些國(guó)外工程中，還要求接地開(kāi)關(guān)具備緊急接地功能，用于直流海纜放電等。

2 控制保護(hù)與絕緣配合策略

2.1 基本控制策略

±200 kV海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)站級(jí)控制采用基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的雙環(huán)矢量控制策略。海上換流平臺(tái)外環(huán)采用定電壓/頻率控制，陸上換流站外環(huán)采用定直電壓/無(wú)功功率或交流電壓控制。兩站內(nèi)部均采用內(nèi)環(huán)電流限幅控制。

2.2 基本保護(hù)策略

海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)一般通過(guò)交流斷路器實(shí)現(xiàn)故障隔離與清除。站級(jí)保護(hù)系統(tǒng)一般分為交流系統(tǒng)保護(hù)和直流系統(tǒng)保護(hù)。

對(duì)于交流系統(tǒng)保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作主要有：保護(hù)信號(hào)給直流系統(tǒng)保護(hù)、交流斷路器跳閘。

對(duì)于直流系統(tǒng)保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作主要有：告警、切換控制系統(tǒng)、觸發(fā)直流耗能裝置、閉鎖換流閥、交流斷路器跳閘、極隔離、極線(xiàn)接地開(kāi)關(guān)緊急接地。

上述保護(hù)動(dòng)作中：交流斷路器跳閘時(shí)間直接決定著直流GIS中避雷器能量耗散需求；直流耗能裝置將影響直流GIS以及電纜全線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓水平；極線(xiàn)接地開(kāi)關(guān)緊急接地決定著直流GIS接地開(kāi)關(guān)暫態(tài)電流耐受能力。本文在確定直流GIS避雷器能量耗散需求時(shí)，為得到最嚴(yán)苛故障條件下的電壓電流應(yīng)力，考慮交流斷路器失靈，由后備保護(hù)下發(fā)跳閘指令，設(shè)置交流斷路器的跳閘時(shí)間為故障后300 ms，同時(shí)不考慮直流耗能裝置動(dòng)作來(lái)確定直流GIS最大應(yīng)力。

2.3 絕緣配合策略

根據(jù)高壓直流換流站的避雷器布置原則，并參照舟山工程和典型海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)確定避雷器配置[23-24]，如圖2所示，圖中：A為交流進(jìn)線(xiàn)避雷器；A2為變壓器閥側(cè)或換流閥交流母線(xiàn)避雷器；SRN為陸上換流站接地電抗中性點(diǎn)避雷器；CB為閥直流母線(xiàn)避雷器；DB為直流極母線(xiàn)避雷器；DL為直流電纜避雷器。

圖2 換流站避雷器配置Fig.2 Arrester configuration for converter stations

圖2中，直流避雷器DB、DL集成于直流GIS中，DB和DL參數(shù)相同，荷電率在0.76左右。直流避雷器電壓-電流特性參數(shù)參見(jiàn)附錄A中表A4，交流避雷器的額定電壓Ur和直流避雷器的參考電壓Uref參見(jiàn)附錄A中表A5。

3 暫態(tài)電氣應(yīng)力分析

暫態(tài)電氣應(yīng)力分析是決定設(shè)備電氣參數(shù)的重要環(huán)節(jié)[25-26]，同直流AIS設(shè)備類(lèi)似，直流GIS需要基于所在系統(tǒng)來(lái)分析其暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流。其中，暫態(tài)過(guò)電壓應(yīng)力研究主要包括操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓和陡波過(guò)電壓等[27-28]。由于缺乏設(shè)備雜散參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，本文主要討論操作過(guò)電壓應(yīng)力水平。

對(duì)于對(duì)稱(chēng)單極柔性直流系統(tǒng)，導(dǎo)致位于極線(xiàn)位置的直流GIS出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓的工況主要包括：由于直流系統(tǒng)地電位變化導(dǎo)致的過(guò)電壓(如變壓器閥側(cè)單相接地故障、極母線(xiàn)/直流電纜接地故障)，以及由于功率盈余造成的正負(fù)極線(xiàn)同時(shí)過(guò)電壓(如陸上換流站變壓器網(wǎng)側(cè)三相短路故障)等。導(dǎo)致直流GIS出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電流的工況主要包括：由于極線(xiàn)接地故障造成的電纜放電，以及雙極短路故障造成換流閥電容放電和交流短路饋入電流等。

在對(duì)稱(chēng)單極系統(tǒng)中，直流GIS站內(nèi)及直流海纜暫態(tài)應(yīng)力關(guān)鍵工況及應(yīng)力特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2?；赑SCAD/EMTDC仿真軟件，采用仿真計(jì)算的方法進(jìn)行故障分析，設(shè)置的站內(nèi)故障主要包括變壓器閥側(cè)交流故障、閥直流母線(xiàn)故障、直流極線(xiàn)故障等。對(duì)于直流海纜故障，考慮不同故障位置，以10 km為單位距離，每段兩端均設(shè)有1個(gè)故障點(diǎn)和1個(gè)測(cè)點(diǎn)。以130 km直流海纜為例，共設(shè)置14個(gè)故障點(diǎn)和14個(gè)測(cè)點(diǎn)，如附錄A中圖A1所示，其中，F(xiàn)1—F14為分段電纜上設(shè)置的故障點(diǎn)，“@0 km”表示F1故障發(fā)生在距離海上換流平臺(tái)0 km的位置，其他以此類(lèi)推。

表2 直流GIS暫態(tài)應(yīng)力關(guān)鍵工況及應(yīng)力特點(diǎn)Tab.2 Key faults and characteristics of transient stress for DC GIS

3.1 過(guò)電壓應(yīng)力

用避雷器沖擊過(guò)電壓應(yīng)力表征直流GIS沖擊過(guò)電壓水平，不同故障下直流GIS中避雷器應(yīng)力水平仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)點(diǎn)如附錄A中圖A2所示。由表3可知在橋臂電抗閥側(cè)接地故障、單極接地故障下，直流GIS瞬時(shí)過(guò)電壓水平較高，且在直流海纜接地故障情況下得到直流GIS極對(duì)地瞬時(shí)最高過(guò)電壓355 kV，如圖3所示，其中Udcp為正極極線(xiàn)對(duì)地電壓，Udcn為負(fù)極極線(xiàn)對(duì)地電壓，t為時(shí)間。

圖3 直流GIS最大沖擊過(guò)電壓Fig.3 The maximum impulse overvoltage in DC GIS

表3 直流GIS避雷器應(yīng)力水平統(tǒng)計(jì)Tab.3 Arrester stresses of DC GIS in case of different faults

當(dāng)陸上換流站發(fā)生接地故障(如變壓器閥側(cè)單相接地、換流閥直流極線(xiàn)側(cè)單相接地、直流極線(xiàn)接地故障)時(shí)，在換流閥閉鎖后交流斷路器跳閘前，直流GIS需要耐受一定的短時(shí)過(guò)電壓，該電壓由兩側(cè)交流系統(tǒng)(主要是陸側(cè))決定。當(dāng)陸上換流站發(fā)生變壓器閥側(cè)單相接地故障時(shí)，極對(duì)地短時(shí)耐受電壓最大值為267 kV。

3.2 過(guò)電流應(yīng)力

直流GIS中的設(shè)備串聯(lián)或并聯(lián)在極線(xiàn)上。對(duì)于串聯(lián)元件(如直流光CT、直流隔離開(kāi)關(guān)等)的暫態(tài)電流應(yīng)力，參數(shù)設(shè)計(jì)值可參考極線(xiàn)區(qū)域的計(jì)算值；對(duì)于并聯(lián)元件(如接地開(kāi)關(guān))的暫態(tài)電流應(yīng)力，還要考慮相關(guān)暫態(tài)工況，如通過(guò)閉合直流接地開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)直流海纜的緊急接地等。

直流GIS串聯(lián)設(shè)備的暫態(tài)電流應(yīng)力決定性工況為海上換流平臺(tái)雙極短路故障，故障后的電流應(yīng)力分析可分為2個(gè)階段。

在換流閥閉鎖前，換流閥電容直接放電，會(huì)在直流GIS上產(chǎn)生較大故障電流，此時(shí)一相的電容放電的等效電路如圖4(a)所示，其中：L0為橋臂電抗；Lsr為變壓器漏抗和系統(tǒng)阻抗之和；C0為單個(gè)子模塊的電容值；n為一相橋臂投入的子模塊總數(shù)；R為接地點(diǎn)電阻與電感電阻之和，一般可忽略。故障發(fā)生時(shí)刻，該電路中的初始電容電壓等于直流電壓，初始電流等于放電時(shí)刻橋臂電流IL。

當(dāng)換流閥閉鎖后，故障電流主要是流過(guò)二極管的交流側(cè)饋入電流，如圖4(b)所示。與陸上換流站不同的是，由于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)變流器的作用，故障后風(fēng)電場(chǎng)呈現(xiàn)電流源特性(并聯(lián)阻抗為風(fēng)電場(chǎng)等效阻抗)，電流限幅在1.1倍額定電流左右。

圖4 海上換流平臺(tái)極母線(xiàn)雙極短路故障等效電路Fig.4 Equivalent circuit of offshore converter platform in case of a pole-to-pole short-circuit fault

當(dāng)海上換流平臺(tái)發(fā)生雙極短路故障，換流閥閉鎖前，換流閥電容放電決定了直流GIS的最大暫態(tài)電流峰值，換流閥閉鎖后陸上換流站饋入的短路電流決定了其短時(shí)電流水平?？紤]初始電流的差異，仿真分析發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)0功率下可得到一次回路暫態(tài)電流Idcp最大峰值為8.76 kA，最大短時(shí)電流Idcp1為7.93 kA，如圖5所示。

圖5 直流GIS中暫態(tài)電流和短時(shí)電流Fig.5 Transient currents and short time currents in DC GIS

對(duì)于直流接地開(kāi)關(guān)的額定峰值耐受電流，設(shè)置的故障工況為：陸上換流站負(fù)極極線(xiàn)終端發(fā)生極對(duì)地故障，在換流站閉鎖交流斷路器跳閘后，極線(xiàn)接地開(kāi)關(guān)緊急接地釋放電纜能量。仿真計(jì)算測(cè)得，正極極線(xiàn)陸上換流站側(cè)接地開(kāi)關(guān)上的電流Iap2峰值為3.5 kA，仿真波形如圖6所示。

圖6 直流接地開(kāi)關(guān)的額定峰值耐受電流Fig.6 Rated peak withstand current of DC earthing switch

4 直流GIS關(guān)鍵電氣參數(shù)

4.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)

正常運(yùn)行時(shí)，以陸上換流站直流極線(xiàn)電壓控制在±200 kV為約束條件，通過(guò)計(jì)算可得到系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和潮流分布，如圖7所示。計(jì)算得出在滿(mǎn)功率情況下，直流GIS對(duì)應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)傳輸功率為414 MW，對(duì)應(yīng)的極線(xiàn)直流電壓為±202 kV(直流電流為1.025 kA)。對(duì)應(yīng)直流GIS穩(wěn)態(tài)額定運(yùn)行電壓±202 kV，額定運(yùn)行電流為1.025 kA。

圖7 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓和潮流分布Fig.7 Voltages and power flow distribution in the steady-state operation of the system

4.2 暫態(tài)參數(shù)

4.2.1 暫態(tài)電壓耐受水平

直流GIS電壓耐受水平受直流避雷器的參數(shù)影響較大，需要兼顧過(guò)電壓和吸收能量，經(jīng)過(guò)多次迭代以滿(mǎn)足如下條件：①全線(xiàn)直流海纜的沖擊過(guò)電壓水平不超過(guò)設(shè)備耐受值；②直流避雷器吸收能量不要太大。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般要求直流海纜全線(xiàn)同極性操作過(guò)電壓不超過(guò)設(shè)備額定工作電壓的2倍。

按照前文所述避雷器配置，考慮不同位置直流海纜故障情況，同時(shí)在故障點(diǎn)設(shè)置電壓電流測(cè)點(diǎn)，可得到直流海纜全線(xiàn)過(guò)電壓分布如圖8所示，直流海纜全線(xiàn)最高同極性操作過(guò)電壓約386 kV，可知滿(mǎn)足電纜耐受約束，其中“Max”表示每個(gè)測(cè)點(diǎn)在各種故障下的最大值。

圖8 直流海纜極對(duì)地操作過(guò)電壓的分布Fig.8 Overvoltage distribution of pole-to-ground faults on DC submarine cable

進(jìn)一步地，根據(jù)最大操作應(yīng)力工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及戶(hù)內(nèi)設(shè)備雷電保護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定直流GIS避雷器保護(hù)水平，見(jiàn)表4。對(duì)于直流GIS考慮最低20%的雷電沖擊絕緣裕度和15%的操作沖擊絕緣裕度[29-30]，得到設(shè)備沖擊耐受水平，見(jiàn)表5，即直流GIS雷電沖擊耐受電壓為450 kV，操作沖擊耐受電壓為450 kV。

表4 直流GIS避雷器關(guān)鍵電氣參數(shù)Tab.4 Key electrical parameters of arresters of DC GIS

表5 直流GIS極對(duì)地沖擊耐受電壓Tab.5 Pole-to-earth impulse withstand voltage of DC GIS kV

4.2.2 暫態(tài)電流耐受水平

對(duì)于暫態(tài)電流耐受水平設(shè)計(jì)，一般通過(guò)關(guān)鍵故障計(jì)算得到設(shè)備暫態(tài)電流水平(故障電流峰值)和短時(shí)電流水平以確定設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性，得到設(shè)備熱電流水平(持續(xù)一段時(shí)間的電流有效值)以評(píng)估設(shè)備的熱穩(wěn)定性。

根據(jù)前文分析，可初步確定直流GIS一次回路最大峰值耐受電流不應(yīng)低于8.76 kA，其中直流接地開(kāi)關(guān)的最大峰值耐受電流不應(yīng)低于3.5 kA，最大短時(shí)耐受電流不應(yīng)低于7.93 kA。參照IEC 60059[31]，可初步確定最大峰值耐受電流為12.5 kA(直流接地開(kāi)關(guān)的最大峰值耐受電流為4 kA)，最大短時(shí)耐受電流為10 kA。

4.3 不同海纜長(zhǎng)度直流GIS參數(shù)適用性

由表1可知，用于±200 kV左右電壓等級(jí)的海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)工程直流海纜距離從50～200 km不等。為了驗(yàn)證所確定的直流GIS的適應(yīng)性，本節(jié)結(jié)合不同直流海纜距離，重點(diǎn)校核了直流GIS暫態(tài)參數(shù)的正確性。

考慮直流海纜距離分別為50 km、130 km和200 km，直流GIS暫態(tài)沖擊電壓和直流海纜全線(xiàn)過(guò)電壓分布情況如圖9所示。直流線(xiàn)路的暫態(tài)過(guò)電壓水平隨線(xiàn)路長(zhǎng)度的增加而增大，各長(zhǎng)度最高過(guò)電壓均在海纜中點(diǎn)處測(cè)得。直流海纜最大暫態(tài)過(guò)電壓均在電纜耐受水平范圍內(nèi)(標(biāo)幺值為2)。同時(shí)，200 km直流海纜最高過(guò)電壓在399 kV左右，即若以前文所述的直流GIS參數(shù)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，則當(dāng)前直流GIS的直流海纜適用極限為200 km，當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)該距離時(shí)，需考慮降低直流避雷器參考電壓。

圖9 不同直流海纜長(zhǎng)度全線(xiàn)過(guò)電壓Fig.9 Transient overvoltages along the entire DC cable of different lengths

此外，對(duì)比了不同直流電纜長(zhǎng)度下海上直流GIS直流避雷器能量耗散需求，以及最大暫態(tài)過(guò)電壓，結(jié)果見(jiàn)表6。對(duì)于不同直流電纜長(zhǎng)度，直流GIS避雷器應(yīng)力水平相差不大，避雷器保護(hù)水平無(wú)需調(diào)整。

表6 不同長(zhǎng)度直流電纜下的直流GIS避雷器關(guān)鍵電氣參數(shù)Tab.6 Key electrical parameters of arresters in DC GIS with different lengths of DC cables

對(duì)于暫態(tài)電流耐受要求，從前文可知，最大峰值耐受電流主要受換流閥參數(shù)影響，在相同的閥參數(shù)設(shè)計(jì)條件下可保持不變。

最大短時(shí)耐受電流主要受到陸上交流短路容量和等值回路電阻等參數(shù)影響，輸電距離越長(zhǎng)，短時(shí)耐受電流要求越低。考慮最短50 km的輸電應(yīng)用場(chǎng)景，得到最大的短時(shí)電流水平為9.21 kA，參照IEC 60059[31]，可初步確定最大短時(shí)耐受電流為10 kA。

5 結(jié)論

本文結(jié)合世界范圍內(nèi)柔性直流工程及我國(guó)廠家直流GIS發(fā)展現(xiàn)狀，以±200 kV對(duì)稱(chēng)單極系統(tǒng)拓?fù)浜Ｉ巷L(fēng)電柔性直流并網(wǎng)工程為例，對(duì)直流GIS關(guān)鍵電氣應(yīng)力及參數(shù)要求進(jìn)行了初步探討。主要結(jié)論如下：

a)海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)用±200 kV直流GIS的過(guò)電壓應(yīng)力關(guān)鍵性故障有站內(nèi)接地故障、極線(xiàn)和海纜接地故障，產(chǎn)生過(guò)電流應(yīng)力的關(guān)鍵性故障為雙極短路。

b)研究得出的±200 kV直流GIS典型暫態(tài)參數(shù)包括：操作過(guò)電壓耐受水平應(yīng)不低于450 kV，雷電過(guò)電壓耐受水平應(yīng)不低于450 kV；一次回路暫態(tài)峰值電流應(yīng)不低于12.5 kA(直流接地開(kāi)關(guān)不低于4 kA)，短時(shí)耐受電流應(yīng)不低于10 kA；

c)研究發(fā)現(xiàn)，電纜長(zhǎng)度對(duì)直流GIS的電氣應(yīng)力影響較大，尤其是過(guò)電壓和避雷器吸收能量。分析可知，本文推薦的±200 kV直流GIS暫態(tài)應(yīng)力耐受參數(shù)，可適用于最長(zhǎng)200 km的直流海纜工程。