220 kV岸電工程海陸互聯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個大型油田，離岸距離較近，油田開發用電負荷規模約200 MW。目前該油田群電力緊缺，主要電源為原油發電機組，排放高且機組維護工作量大。為推進節能減排工作，中國海油積極推進以陸地電源為海上平臺供電的方案，即采用岸電代替油田自發電，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高，技術要求遠高于自發電等常規供電模式。與陸地高壓輸電項目相比，岸電工程除架空線、陸纜外，還加入了多個電壓等級的海底電纜，線路更加復雜。在輸送功率一定的情況下，海底電纜的對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峻的過電壓風險。當系統過電壓水平高于相關標準限值，線路絕緣便面臨被擊穿的風險，從而嚴重威脅海上供電安全，需采取適當措施限制系統的過電壓[3]。影響岸電工程設計的過電壓類型主要有工頻過電壓及操作過電壓，關于岸電工程工頻過電壓已有相關文章發表，本文重點對操作過電壓進行研究。

目前，針對國內外輸電線路操作過電壓的研究主要集中于陸地電力系統，對現有高壓、超高壓、特高壓陸地輸電線路的操作過電壓形成機理、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算法主要有網格法和Bergeron法。曹珍崇 等[5]指出合閘操作過電壓與合閘相角有關，同時與電纜長度有關。牛濤 等[6]針對220kV架空線路及陸纜混合線路的操作過電壓進行了研究，認為空載線路分閘線路重燃過電壓水平影響較大。針對海上電力系統，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電阻和金屬氧化物避雷器能夠有效抑制海上電力系統操作過電壓；金作林 等[8]對海上風電場長距離海纜的操作過電壓進行了研究，但輸電線路形式僅包含海底電纜。

現階段針對高電壓等級的海陸互聯輸電線路操作過電壓的問題尚鮮有研究。本文針對秦皇島32-6、曹妃甸11-1油田群岸電工程電力系統操作過電壓問題，采用ATP-EMTP仿真軟件建立220kV海陸互聯電力系統等效模型，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，同時針對并聯電抗器及避雷器對過電壓的抑制作用及適用情況進行分析，從而為該岸電項目的安全穩定運行提供參考。

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油田所在區域新建一座220 kV海上開關站，同時在曹妃甸、樂亭各建設一座220 kV陸上開關站，兩座陸上開關站分別通過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、刀閘操作和系統故障引起的暫態過渡過程，具有幅值高、存在高頻振蕩、阻尼較強及持續時間短等特點，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]，故本文在對空載線路分閘情況仿真時不考慮電弧重燃的現象。同時岸電工程220 kV電力系統中性點直接接地，電網對地電容中儲存的能量可通過中性點釋放，不會因弧光反復熄滅和重燃而導致過電壓[10]，故仿真時不考慮間歇電弧接地過電壓的情況。此外，在線路及關鍵設備附近裝設避雷器、在陸上及海上開關站設置并聯電抗器，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峻的情況對二者的過電壓抑制能力進行分析。

2.2 電力系統等效模型

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的理想電源串聯阻抗模型，阻抗等效參數由國家電網公司提供。

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壓節能型變壓器，相關參數見表1。在使用ATP-EMTP軟件計算操作過電壓時，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荷容量為40 MW，無功補償前功率因數為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荷單段母線容量為60 MW，無功補償前功率因數為0.9，等值阻抗為Z秦皇島=(49.613+j24.028) Ω。在ATP-EMTP模型中，采用三相串聯阻抗代表海上平臺負荷，由于2個區域的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等效負荷。

曹妃甸開關站出線側、樂亭開關站電纜出線至秦皇島海上變電站側分別安裝有容量為60、40 Mvar的并聯電抗器。并聯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均屬于投運狀態，故在后續仿真模擬中考慮并聯電抗器投運。在EMTP中，并聯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開關站及海上變電站220 kV側GIS中采用的避雷器型號為Y10W5-204/532，其電氣參數見表2。避雷器的主要用途為防止重要設備遭遇雷擊，通常處于投運狀態，故在后續仿真模擬中考慮避雷器投運。在ATP-EMTP中，避雷器采用1個非線性電阻表示，其伏安特性采用30/80的標準操作沖擊波，模擬方式為多段指數法。

表2 避雷器電氣參數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，在計算操作過電壓時，架空線路桿塔對操作過電壓的影響可以忽略。

1) 曹妃甸區域 220 kV雙回架空線路模型。

曹妃甸區域220 kV架空線采用的導線型號為LGJ-400/35雙分裂線路，地線型號為JLB40-150。架空導線參數見表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輸電線路的頻域特性[12]，且能夠考慮線路的換位、集膚效應及土壤電阻率等因素。

表3 曹妃甸區域架空導線參數Table 3 Parameters of overhead conductor in Caofeidian area

2) 曹妃甸區域 220 kV陸地電纜模型。

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

表4 曹妃甸區域陸地電纜結構參數Table 4 Structural parameters of land cable in Caofeidian area

3) 曹妃甸區域 220 kV海底電纜模型。

曹妃甸區域220 kV海纜型號為銅芯交聯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合3芯海底電纜，導體截面為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，海纜結構參數見表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

秦皇島區域與曹妃甸區域陸纜及海底電纜型號一致，線路參數不再贅述。最終得到曹妃甸及秦皇島岸電工程電力系統等效模型(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互聯部分和35 kV等效負荷部分。本研究對220 kV輸電線路過電壓進行研究，主要包括10個節點(表6)。

表5 220 kV海底電纜結構參數Table 5 Structural parameters of 220 kV submarine cable

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

表6 節點名稱對照表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生的主要原因之一，該類型過電壓水平受斷路器合閘時刻影響較大，故采用統計開關模型模擬斷路器合閘時間的隨機性[13]。共進行200次斷路器合閘操作模擬，并選取同一節點過電壓最大值對應的合閘相角(合閘相角的選取服從高斯分布)進行分析。

2.3.1曹妃甸區域空載線路合閘過電壓

曹妃甸區域由2個電站通過雙回架空線路同時供電，220 kV線路首端的2個節點各對應一臺斷路器。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2種合閘工況進行仿真，得到海纜首端220 kV空載線路合閘過電壓波形(圖4)。可以看出，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，通過對合閘相角進行控制，可以較好地抑制合閘操作過電壓[14]。當相角選擇恰當時，可使空載線路合閘瞬間波形與穩態波形基本一致，操作過電壓近乎不存在(圖5)。

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

2.3.2秦皇島區域合閘過電壓

秦皇島區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。對該區域進行200次統計仿真計算后得到最大合閘操作過電壓(表8)。在4個節點中，操作過電壓最高值出現在線路末端，幅值為301 kV(1.46 p.u.)，未超過規定的安全限值。

表8 秦皇島區域 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，曹妃甸區域及秦皇島區域空載線路合閘過電壓幅值均未超過3.0 p.u.，無需進一步采取抑制操作過電壓的手段，若需深度抑制，可采用斷路器并聯合閘電阻或設置選相合閘裝置[15]。

2.4 重合閘過電壓分析

由于僅曹妃甸區域包含架空輸電線路并設置重合閘配置，故對曹妃甸區域空載線路重合閘工況進行仿真，同樣采用過電壓水平更高的同步合閘操作進行模擬計算。分析重合閘過電壓時，模型中除陸上變電站的等效電源外，還需設置1個用于提供殘余電壓的三相電壓源。根據文獻[16]，當殘余電壓為相電壓幅值100%時斷路器操作導致的過電壓值達到最大。

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。考慮岸電工程實際工況及過電壓最嚴重的工況，分別對殘余電荷電壓分別為相電壓幅值的30%[16]及100%進行模擬仿真。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行模擬，其內阻值設為2 Ω，內電感為100 mH。在模擬中分別設殘余電荷、電源站等效電源控制開關為K1、K2，模擬時閉合開關K1使系統達到穩態，在殘壓電源A相電壓達到幅值時斷開K1，并在0.05 s后對K2進行統計性合閘，取最大重合閘過電壓情況進行分析(表9)。電壓幅值最低及最高值分別發生在線路首末端；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系較小，故本節均采用三相時控開關模擬斷路器，斷路器分閘動作時間取，此時ABC三相開關同步斷開。

2.5.1曹妃甸區域空載線路分閘過電壓

曹妃甸區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)。可以看出，2種情況僅對線路分斷時間有影響，對過電壓水平影響不大，且由于同步分閘仿真更加便捷，故后續對同步分閘進行模擬分析。

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

2.5.2秦皇島區域空載線路分閘過電壓

秦皇島區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，電壓幅值較穩態略有上升(1～2 kV)而后下降，過電壓現象亦不明顯。

圖6 曹妃甸區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 并聯電抗器和避雷器對過電壓的抑制能力分析

為了研究并聯電抗器及避雷器對過電壓抑制能力，選取過電壓水平最嚴峻的情況即100%殘壓重合閘對二者的過電壓抑制能力進行分析。由于前述工況均在并聯電抗器及避雷器投入的基礎上仿真，故本節對并聯電抗器及避雷器不投運的工況分別進行研究，并將仿真結果與并聯電抗器、避雷器投入時的仿真結果進行對比(表10)。

分析表明，無論并聯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重；并聯電抗器能降低線路各個節點的操作過電壓水平，但抑制程度較小；避雷器也具有整體降低線路各個節點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過電壓。但總體上，即使不加入并聯電抗器及避雷器，曹妃甸區域的操作過電壓水平也處于安全限值內，無需因過電壓問題采取設置電抗器和避雷器的措施。

表10 并聯電抗器、避雷器投入及不投入時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 結論

針對秦皇島、曹妃甸區域岸電項目海陸互聯線路操作過電壓問題，搭建了該輸電線路電力系統仿真模型，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點結論：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，空載線路各研究節點中，海纜末端操作過電壓最為嚴重；③并聯電抗器及避雷器對操作過電壓均有抑制效果，但避雷器對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電抗器及避雷器電壓抑制措施下均處于安全限值內。