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濟的發展，目前海底電纜已廣泛應用在電網互聯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百萬元。由于其敷設于海上，施工和搶修很復雜，若出現故障，則很可能導致電力系統解列等嚴重的電網事故。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的過電壓水平，以免出現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參數等不同，絕緣的配置情況都會有所差異[5-7]，因此，對國內工程的參考價值不大。對于國內工程需針對工程具體參數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的過電壓和絕緣配合。研究結果可為后續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。

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模型，包含導線、桿塔、接地等參數，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以及較大的步長才能得到穩定的響應。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。

鎮海—舟山500 kV海底電纜工程采用的海底電纜為交聯聚乙烯電纜，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為避雷器內部電感，體現避雷器的動態特性；R0是為計算穩定性而設的參數；C為雜散電容；非線性特性由Z0和Z1表示，Z0大于Z1，兩部分由并聯的線性R1與L1支路隔開。

2 暫態過電壓

在電力系統中，因為斷路器的操作或系統故障，系統參數會發生改變，引起內部出現暫態變化過程，在這個期間會出現系統暫時過電壓。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，有高壓電抗時鎮海及舟山高壓電抗容量均為180 Mvar，仿真模型見圖3。空載長線電容效應如表1所示。

圖3 架空線-海底電纜混合系統仿真模型

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，系統無顯著的容升效應；未配置高壓電抗的情況下，系統出現顯著的容升效應。

不同故障類型情況下海底電纜沿線過電壓如表2所示。可以看出，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，系統發生欠阻尼振蕩。振蕩的頻率與線路參數有關，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，線路將直接進入穩態，而隨機合閘則有可能造成震蕩產生過電壓，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為閃絡判據，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在接近終點處，為905 kV。

圖8 雷電工況下仿真系統

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，當多個避雷器并聯時，并聯電阻值減小，電流被多聯避雷器分擔，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，采用避雷器并聯可減小過電壓幅值4.2%。

避雷器多柱并聯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支數的增加而減小。

圖12 不同避雷器數量時海底電纜末端避雷器電壓對比

圖13 避雷器并聯支數與殘壓關系

5 交流海底電纜系統絕緣配合

海底電纜系統的絕緣配合需根據系統中出現的各種電壓和保護裝置的特性來確定電纜的絕緣水平。

海底電纜系統代表性過電壓由系統仿真得出，根據前面仿真計算結果，鎮海—舟山海底電纜系統的代表性過電壓如表5所示。

表5 鎮海—舟山海底電纜系統代表性過電壓

根據《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范》(GB/T 50064-2014)和《交流電力系統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如表6所示[8-11]。

表6 絕緣配合系數值

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

表7 鎮海—舟山海底電纜系統要求耐受電壓

根據《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，鎮海—舟山海底電纜暫時過電壓水平為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，鎮海—舟山海底電纜操作過電壓水平為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先降低后升高的特點，最大過電壓出現在靠近電纜末端的位置，為2.03 pu，可采用多支避雷器并聯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《高壓電纜選用導則》(DL/T 401-2002)的規定，海底電纜絕緣強度滿足要求，且有較大裕度。