220 kV岸電工程海陸互聯(lián)輸電線路操作過電壓研究
——以秦皇島32-6、曹妃甸11-1油田群岸電工程為例

于 璐 張麗娜 張 昊

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

秦皇島32-6和曹妃甸11-1油田是渤海海域中北部的2個(gè)大型油田，離岸距離較近，油田開發(fā)用電負(fù)荷規(guī)模約200 MW。目前該油田群電力緊缺，主要電源為原油發(fā)電機(jī)組，排放高且機(jī)組維護(hù)工作量大。為推進(jìn)節(jié)能減排工作，中國(guó)海油積極推進(jìn)以陸地電源為海上平臺(tái)供電的方案，即采用岸電代替油田自發(fā)電，大幅削減海上溫室氣體和污染氣體的排放[1]。

岸電采用的輸電電壓等級(jí)高，技術(shù)要求遠(yuǎn)高于自發(fā)電等常規(guī)供電模式。與陸地高壓輸電項(xiàng)目相比，岸電工程除架空線、陸纜外，還加入了多個(gè)電壓等級(jí)的海底電纜，線路更加復(fù)雜。在輸送功率一定的情況下，海底電纜的對(duì)地電容要高于其他形式的輸電線路[2]，使得岸電工程輸電線路面臨更嚴(yán)峻的過電壓風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)系統(tǒng)過電壓水平高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，線路絕緣便面臨被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，從而嚴(yán)重威脅海上供電安全，需采取適當(dāng)措施限制系統(tǒng)的過電壓[3]。影響岸電工程設(shè)計(jì)的過電壓類型主要有工頻過電壓及操作過電壓，關(guān)于岸電工程工頻過電壓已有相關(guān)文章發(fā)表，本文重點(diǎn)對(duì)操作過電壓進(jìn)行研究。

目前，針對(duì)國(guó)內(nèi)外輸電線路操作過電壓的研究主要集中于陸地電力系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有高壓、超高壓、特高壓陸地輸電線路的操作過電壓形成機(jī)理、抑制措施等的研究都較為成熟。陳思浩[4]指出操作過電壓的計(jì)算法主要有網(wǎng)格法和Bergeron法。曹珍崇 等[5]指出合閘操作過電壓與合閘相角有關(guān)，同時(shí)與電纜長(zhǎng)度有關(guān)。牛濤 等[6]針對(duì)220kV架空線路及陸纜混合線路的操作過電壓進(jìn)行了研究，認(rèn)為空載線路分閘線路重燃過電壓水平影響較大。針對(duì)海上電力系統(tǒng)，徐紅梅[7]研究了35 kV海底電纜的操作過電壓，指出采用斷路器合閘并聯(lián)電阻和金屬氧化物避雷器能夠有效抑制海上電力系統(tǒng)操作過電壓；金作林 等[8]對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)距離海纜的操作過電壓進(jìn)行了研究，但輸電線路形式僅包含海底電纜。

現(xiàn)階段針對(duì)高電壓等級(jí)的海陸互聯(lián)輸電線路操作過電壓的問題尚鮮有研究。本文針對(duì)秦皇島32-6、曹妃甸11-1油田群岸電工程電力系統(tǒng)操作過電壓?jiǎn)栴}，采用ATP-EMTP仿真軟件建立220kV海陸互聯(lián)電力系統(tǒng)等效模型，分析220 kV空載線路合閘、重合閘及分閘情況下的過電壓水平，同時(shí)針對(duì)并聯(lián)電抗器及避雷器對(duì)過電壓的抑制作用及適用情況進(jìn)行分析，從而為該岸電項(xiàng)目的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 曹妃甸32-6、秦皇島11-1油田群岸電工程概況

曹妃甸32-6、秦皇島11-1油田群岸電工程電力接入采用雙開閉站220 kV交流供電、海上110 kV互聯(lián)快切方案。該方案分別在曹妃甸32-6及秦皇島11-1油田所在區(qū)域新建一座220 kV海上開關(guān)站，同時(shí)在曹妃甸、樂亭各建設(shè)一座220 kV陸上開關(guān)站，兩座陸上開關(guān)站分別通過220 kV交流陸纜和海纜為曹妃甸及秦皇島海上220 kV變電站供電(圖1)。

圖1 秦皇島32-6、曹妃甸11-1油田群220 kV岸電工程供電方案單線圖Fig.1 Single line diagram of 220 kV shore power supply scheme for QHD32-6 and CFD11-1 oilfield group

2 岸電工程操作過電壓仿真分析

2.1 工況分析

操作過電壓是由斷路器、刀閘操作和系統(tǒng)故障引起的暫態(tài)過渡過程，具有幅值高、存在高頻振蕩、阻尼較強(qiáng)及持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，主要包括：合閘操作過電壓、重合閘操作過電壓、分閘操作過電壓、間歇電弧接地過電壓等。在各類合閘工況中，空載線路的操作屬極端且最嚴(yán)苛工況，故采用該工況開展研究。在空載線路分閘過電壓研究中，220 kV GIS(氣體絕緣全封閉組合電器)中采用的斷路器介質(zhì)為六氟化硫，由于其擁有良好的滅弧性能和絕緣特性，分閘電弧重燃可能性較小[9]，故本文在對(duì)空載線路分閘情況仿真時(shí)不考慮電弧重燃的現(xiàn)象。同時(shí)岸電工程220 kV電力系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地，電網(wǎng)對(duì)地電容中儲(chǔ)存的能量可通過中性點(diǎn)釋放，不會(huì)因弧光反復(fù)熄滅和重燃而導(dǎo)致過電壓[10]，故仿真時(shí)不考慮間歇電弧接地過電壓的情況。此外，在線路及關(guān)鍵設(shè)備附近裝設(shè)避雷器、在陸上及海上開關(guān)站設(shè)置并聯(lián)電抗器，可在一定程度上降低操作過電壓[11]。因此，為了研究并聯(lián)電抗器及避雷器的過電壓抑制能力，選取3類過電壓水平中最嚴(yán)峻的情況對(duì)二者的過電壓抑制能力進(jìn)行分析。

2.2 電力系統(tǒng)等效模型

曹妃甸11-1油田群由曹妃甸及林雀鋪220 kV變電站供電，秦皇島32-6油田群由臨港220 kV變電站供電。將上述電源站等效為232 kV、50 Hz的理想電源串聯(lián)阻抗模型，阻抗等效參數(shù)由國(guó)家電網(wǎng)公司提供。

曹妃甸、秦皇島海上變電站主變壓器選用三相三繞組有載調(diào)壓節(jié)能型變壓器，相關(guān)參數(shù)見表1。在使用ATP-EMTP軟件計(jì)算操作過電壓時(shí)，采用飽和變壓器SAT模型模擬海上變電站主變壓器[12]。

表1 曹妃甸、秦皇島海上變電站220 kV變壓器參數(shù)Table 1 220 kV transformer parameters of Caofeidian and Qinhuangdao offshore substations

曹妃甸海上變電站單段母線負(fù)荷容量為40 MW，無功補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.9，其等值阻抗為Z曹妃甸=(74.423+j36.039) Ω；秦皇島海上變電站負(fù)荷單段母線容量為60 MW，無功補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.9，等值阻抗為Z秦皇島=(49.613+j24.028) Ω。在ATP-EMTP模型中，采用三相串聯(lián)阻抗代表海上平臺(tái)負(fù)荷，由于2個(gè)區(qū)域的35 kV母線形式均為單母線分段接線，故在每段母線上各連接一個(gè)等效負(fù)荷。

曹妃甸開關(guān)站出線側(cè)、樂亭開關(guān)站電纜出線至秦皇島海上變電站側(cè)分別安裝有容量為60、40 Mvar的并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電抗器主要用于防止海纜容性無功倒送，在空載線路的斷路器操作時(shí)均屬于投運(yùn)狀態(tài)，故在后續(xù)仿真模擬中考慮并聯(lián)電抗器投運(yùn)。在EMTP中，并聯(lián)電抗器采用電感元件表示，其阻值分別為2.569、3.856 H。

曹妃甸、樂亭220 kV開關(guān)站及海上變電站220 kV側(cè)GIS中采用的避雷器型號(hào)為Y10W5-204/532，其電氣參數(shù)見表2。避雷器的主要用途為防止重要設(shè)備遭遇雷擊，通常處于投運(yùn)狀態(tài)，故在后續(xù)仿真模擬中考慮避雷器投運(yùn)。在ATP-EMTP中，避雷器采用1個(gè)非線性電阻表示，其伏安特性采用30/80的標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波，模擬方式為多段指數(shù)法。

表2 避雷器電氣參數(shù)Table 2 Electrical parameters of arrester

220 kV交流輸電線路形式有架空線路、陸地電纜及海底電纜3種，在計(jì)算操作過電壓時(shí)，架空線路桿塔對(duì)操作過電壓的影響可以忽略。

1) 曹妃甸區(qū)域 220 kV雙回架空線路模型。

曹妃甸區(qū)域220 kV架空線采用的導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/35雙分裂線路，地線型號(hào)為JLB40-150。架空導(dǎo)線參數(shù)見表3。在ATP-EMTP中，架空線路建模采用JMarti模型，該模型能夠較好地模擬長(zhǎng)輸電線路的頻域特性[12]，且能夠考慮線路的換位、集膚效應(yīng)及土壤電阻率等因素。

表3 曹妃甸區(qū)域架空導(dǎo)線參數(shù)Table 3 Parameters of overhead conductor in Caofeidian area

2) 曹妃甸區(qū)域 220 kV陸地電纜模型。

曹妃甸區(qū)域陸地電纜均采用ZB-YJLW02-27/220的單芯銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套PVC外護(hù)套電力電纜。其排列方式采用排管品字型敷設(shè)，每相導(dǎo)線之間間隔0.2 m，電纜埋深為1 m。陸地電纜結(jié)構(gòu)為分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，電纜具體參數(shù)見表4。電纜建模采用Bergeron模型[12]。

表4 曹妃甸區(qū)域陸地電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Structural parameters of land cable in Caofeidian area

3) 曹妃甸區(qū)域 220 kV海底電纜模型。

曹妃甸區(qū)域220 kV海纜型號(hào)為銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛套粗圓鋼絲鎧裝聚丙烯纖維外被層光電復(fù)合3芯海底電纜，導(dǎo)體截面為3×630 mm2，接地方式為兩端直接接地。三芯海纜截面如圖2所示，海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。海纜建模同樣采用ATP-EMTP中的Bergeron模型。

圖2 三芯海纜截面Fig.2 Cross section of three core submarine cable

秦皇島區(qū)域與曹妃甸區(qū)域陸纜及海底電纜型號(hào)一致，線路參數(shù)不再贅述。最終得到曹妃甸及秦皇島岸電工程電力系統(tǒng)等效模型(圖3)，該模型包含220 kV陸地及海上輸電部分、海上變電站間110 kV互聯(lián)部分和35 kV等效負(fù)荷部分。本研究對(duì)220 kV輸電線路過電壓進(jìn)行研究，主要包括10個(gè)節(jié)點(diǎn)(表6)。

表5 220 kV海底電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 5 Structural parameters of 220 kV submarine cable

圖3 秦皇島32-6、曹妃甸11-1岸電工程電力系統(tǒng)等效模型Fig.3 Power system equivalent model of QHD32-6 and CFD11-1 shore power projects

表6 節(jié)點(diǎn)名稱對(duì)照表Table 6 Node name cross reference table

2.3 合閘過電壓分析

線路合閘是操作過電壓產(chǎn)生的主要原因之一，該類型過電壓水平受斷路器合閘時(shí)刻影響較大，故采用統(tǒng)計(jì)開關(guān)模型模擬斷路器合閘時(shí)間的隨機(jī)性[13]。共進(jìn)行200次斷路器合閘操作模擬，并選取同一節(jié)點(diǎn)過電壓最大值對(duì)應(yīng)的合閘相角(合閘相角的選取服從高斯分布)進(jìn)行分析。

2.3.1曹妃甸區(qū)域空載線路合閘過電壓

曹妃甸區(qū)域由2個(gè)電站通過雙回架空線路同時(shí)供電，220 kV線路首端的2個(gè)節(jié)點(diǎn)各對(duì)應(yīng)一臺(tái)斷路器。故空載線路合閘包括同步合閘和異步合閘2種。在其他條件一定的情況下，對(duì)2種合閘工況進(jìn)行仿真，得到海纜首端220 kV空載線路合閘過電壓波形(圖4)?？梢钥闯?，同步、異步合閘過電壓幅值分別為289、280 kV，同步合閘的過電壓程度高于異步合閘。

圖4 曹妃甸區(qū)域海纜首端220 kV空載線路合閘過電壓Fig.4 Closing overvoltage of 220 kV no-load line at the head of submarine cable in Caofeidian area

表7 曹妃甸區(qū)域220 kV輸電線路同步合閘最大操作過電壓Table 7 Maximum synchronous closing overvoltage of 220 kV transmission line at Caofeidian area

此外，通過對(duì)合閘相角進(jìn)行控制，可以較好地抑制合閘操作過電壓[14]。當(dāng)相角選擇恰當(dāng)時(shí)，可使空載線路合閘瞬間波形與穩(wěn)態(tài)波形基本一致，操作過電壓近乎不存在(圖5)。

圖5 曹妃甸區(qū)域 220 kV空載線路同步合閘過電壓仿真結(jié)果Fig.5 Synchronous closing overvoltage simulation results of 220 kV no-load line in Caofeidian area

2.3.2秦皇島區(qū)域合閘過電壓

秦皇島區(qū)域僅由臨港變電站一路電源供電，不涉及同步、異步合閘問題。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行200次統(tǒng)計(jì)仿真計(jì)算后得到最大合閘操作過電壓(表8)。在4個(gè)節(jié)點(diǎn)中，操作過電壓最高值出現(xiàn)在線路末端，幅值為301 kV(1.46 p.u.)，未超過規(guī)定的安全限值。

表8 秦皇島區(qū)域 220 kV輸電線路最大合閘操作過電壓Table 8 Maximum closing overvoltage of 220 kV transmission line at Qinhuangdao area

綜上分析，曹妃甸區(qū)域及秦皇島區(qū)域空載線路合閘過電壓幅值均未超過3.0 p.u.，無需進(jìn)一步采取抑制操作過電壓的手段，若需深度抑制，可采用斷路器并聯(lián)合閘電阻或設(shè)置選相合閘裝置[15]。

2.4 重合閘過電壓分析

由于僅曹妃甸區(qū)域包含架空輸電線路并設(shè)置重合閘配置，故對(duì)曹妃甸區(qū)域空載線路重合閘工況進(jìn)行仿真，同樣采用過電壓水平更高的同步合閘操作進(jìn)行模擬計(jì)算。分析重合閘過電壓時(shí)，模型中除陸上變電站的等效電源外，還需設(shè)置1個(gè)用于提供殘余電壓的三相電壓源。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，當(dāng)殘余電壓為相電壓幅值100%時(shí)斷路器操作導(dǎo)致的過電壓值達(dá)到最大。

線路上殘余電荷量主要取決于電壓互感器的類型。本項(xiàng)目中220 kV GIS采用的是電磁式電壓互感器，線路殘余電壓較低?？紤]岸電工程實(shí)際工況及過電壓最嚴(yán)重的工況，分別對(duì)殘余電荷電壓分別為相電壓幅值的30%[16]及100%進(jìn)行模擬仿真。2種情況下殘余電壓分別采用線電壓有效值為66、220 kV的三相等效電壓源進(jìn)行模擬，其內(nèi)阻值設(shè)為2 Ω，內(nèi)電感為100 mH。在模擬中分別設(shè)殘余電荷、電源站等效電源控制開關(guān)為K1、K2，模擬時(shí)閉合開關(guān)K1使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在殘壓電源A相電壓達(dá)到幅值時(shí)斷開K1，并在0.05 s后對(duì)K2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性合閘，取最大重合閘過電壓情況進(jìn)行分析(表9)。電壓幅值最低及最高值分別發(fā)生在線路首末端；空載線路重合閘比合閘過電壓水平更高，但未超出3.0 p.u.的安全限值，無需采取其他措施限制此類操作過電壓。

表9 曹妃甸區(qū)域30%、100%殘壓下最大重合閘過電壓Table 9 Maximum reclosing overvoltage of 30% and 100% residual voltage at Caofeidian area

2.5 分閘過電壓分析

空載線路分閘過電壓與分閘相位關(guān)系較小，故本節(jié)均采用三相時(shí)控開關(guān)模擬斷路器，斷路器分閘動(dòng)作時(shí)間取，此時(shí)ABC三相開關(guān)同步斷開。

2.5.1曹妃甸區(qū)域空載線路分閘過電壓

曹妃甸區(qū)域斷路器分閘與合閘情況相同，也存在同步分閘和異步分閘2種情況。其中異步分閘為電源1在0.1 s時(shí)分閘，電源2在0.15 s分閘，得到2種情況下線路末端電壓波形(圖6)?？梢钥闯?，2種情況僅對(duì)線路分?jǐn)鄷r(shí)間有影響，對(duì)過電壓水平影響不大，且由于同步分閘仿真更加便捷，故后續(xù)對(duì)同步分閘進(jìn)行模擬分析。

對(duì)曹妃甸區(qū)域空載線路進(jìn)行同步分閘仿真，得到線路首末端電壓波形(圖7)，過電壓現(xiàn)象不明顯。此外，其他線路各點(diǎn)電壓幅值均約為0.92 p.u.，未超出3.0 p.u.的安全限值。

2.5.2秦皇島區(qū)域空載線路分閘過電壓

秦皇島區(qū)域線路首末端分閘電壓波形如圖8所示，可以看出，線路在脫離電源后，電壓幅值較穩(wěn)態(tài)略有上升(1～2 kV)而后下降，過電壓現(xiàn)象亦不明顯。

圖6 曹妃甸區(qū)域同步及異步分閘后線路末端電壓波形Fig.6 Voltage waveform at line end after synchronous and asynchronous opening in Caofeidian area

圖7 曹妃甸區(qū)域空載線路首末兩端分閘電壓波形Fig.7 Opening voltage waveform at both ends of the no-load line in Caofeidian area

圖8 秦皇島區(qū)域空載線路首末兩端分閘電壓波形Fig.8 Opening voltage waveform at both ends of the no-load line in Qinhuangdao area

2.6 并聯(lián)電抗器和避雷器對(duì)過電壓的抑制能力分析

為了研究并聯(lián)電抗器及避雷器對(duì)過電壓抑制能力，選取過電壓水平最嚴(yán)峻的情況即100%殘壓重合閘對(duì)二者的過電壓抑制能力進(jìn)行分析。由于前述工況均在并聯(lián)電抗器及避雷器投入的基礎(chǔ)上仿真，故本節(jié)對(duì)并聯(lián)電抗器及避雷器不投運(yùn)的工況分別進(jìn)行研究，并將仿真結(jié)果與并聯(lián)電抗器、避雷器投入時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表10)。

分析表明，無論并聯(lián)電抗器及避雷器投入與否，在各工況下海纜末端的操作過電壓均最為嚴(yán)重；并聯(lián)電抗器能降低線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作過電壓水平，但抑制程度較小；避雷器也具有整體降低線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)操作過電壓水平的能力，但由于避雷器伏安特性(圖9)，在220 kV線路過電壓水平較低的情況下，避雷器的抑制程度較弱，而過電壓水平較高的情況下，避雷器能極大程度地抑制系統(tǒng)過電壓。但總體上，即使不加入并聯(lián)電抗器及避雷器，曹妃甸區(qū)域的操作過電壓水平也處于安全限值內(nèi)，無需因過電壓?jiǎn)栴}采取設(shè)置電抗器和避雷器的措施。

表10 并聯(lián)電抗器、避雷器投入及不投入時(shí)線路最大重合閘過電壓Table 10 Maximum reclosing overvoltage with and without shunt reactor and arrester operation

圖9 避雷器伏安特性曲線Fig.9 Volt ampere characteristic curve of lightning arrester

3 結(jié)論

針對(duì)秦皇島、曹妃甸區(qū)域岸電項(xiàng)目海陸互聯(lián)線路操作過電壓?jiǎn)栴}，搭建了該輸電線路電力系統(tǒng)仿真模型，分析了該線路合閘、重合閘及分閘3種工況下的操作過電壓，得出4點(diǎn)結(jié)論：①空載線路合閘、重合閘及分閘3種工況下，重合閘操作過電壓水平最高；②在各工況下，空載線路各研究節(jié)點(diǎn)中，海纜末端操作過電壓最為嚴(yán)重；③并聯(lián)電抗器及避雷器對(duì)操作過電壓均有抑制效果，但避雷器對(duì)更高幅值的過電壓抑制效果更好；④在各工況下，該輸電線路操作過電壓在投入及不投入并聯(lián)電抗器及避雷器電壓抑制措施下均處于安全限值內(nèi)。