±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程安全距離研究

陳小富，劉會勇，王 勇，周 輝

(1.國網浙江省電力公司，浙江 杭州 310000；2.國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000)

±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程安全距離研究

陳小富1，劉會勇2，王 勇2，周 輝1

(1.國網浙江省電力公司，浙江 杭州 310000；2.國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000)

介紹了±200 kV電壓等級柔性直流輸電設備在生產運行中的安全距離試驗研究情況與結果，通過對典型運行工況下的安全距離問題的計算分析并結合試驗結果，確定了±200 kV柔性直流輸電設備的最小電氣安全距離，并應用于直流輸電工程的生產運行，對今后柔性直流輸電工程的設計、生產運行與作業(yè)安全規(guī)程的編制都具有參考價值。

柔性直流輸電；安全距離；輸電工程;換流站

0 引言

換流站直流設備電氣安全距離計算研究是柔性直流輸電工程運行維護的關鍵技術問題之一，其最終目的是通過合理確定換流站直流設備電氣安全距離，防止人體可能觸及或過分接近帶電設備，防止車輛和其他物體碰觸帶電運行設備，確保系統(tǒng)安全、可靠運行。舟山多端柔性直流輸電工程采用基于模塊化多電平換流器(MMC)的柔性直流輸電技術，直流電壓等級為±200 kV，是我國第1個多端柔性直流輸電工程，在此之前國內尚未開展相關電壓等級柔性直流輸電設備帶電運行安全距離技術標準的研究及應用。

為確保生產運行過程中直流輸電設備的安全性，開展±200 kV電壓等級柔性直流輸電設備運行電氣安全距離的分析研究，具有非常重要的工程意義?，F(xiàn)結合工程實際，對±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程在生產運行過程中存在的安全距離問題進行了分析，并從實際應用需求出發(fā)，針對典型運行工況下的安全距離問題進行了詳細的試驗研究，給出了相應的安全距離數(shù)值。

1 ±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程概況

±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程由分別位于不同地域的舟定換流站、舟岱換流站、舟衢換流站、舟洋換流站和舟泗換流站構成，是世界上首個5端柔性直流輸電工程。其中舟定換流站、舟岱換流站連接至所在地的220 kV交流電網，其余3站均與所在地110 kV交流電網相連。工程總體輸送容量為1 000 MW，單端最大輸送容量400 MW，直流系統(tǒng)采用±200 kV電壓等級，換流站直流部分配電裝置均采用戶內布置方式，站間直流系統(tǒng)采用全電纜接線，最大電纜截面面積為1 000 mm2，最大額定載流量為750 A。

直流系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

圖1 舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)接線方式

舟山多端柔性直流輸電工程設計額定直流電壓為±200 kV，整流站采用定直流電壓控制，在實際運行中主要的運行方式是：舟定換流站作為送電端，其他4站作為受電端；當舟定換流站退出運行時，舟岱換流站將作為送電端，其他3站作為受電端?？紤]到測量誤差，系統(tǒng)各換流站直流電壓不得高于202 kV。

2 安全距離

2.1 安全距離定義和種類

安全距離是指為保證人身、設備安全，在生產運行過程中作業(yè)人員與不同電位的帶電體之間、帶電體與帶電體之間、帶電體與其他設施和設備之間所應保持的各種空氣間隙距離的總和。

根據電氣設備特性的不同，安全距離可分為：線路的安全距離、變配電設備的安全距離、用電設備的安全距離和檢修維護時的安全距離。

安全距離的確定包含以下3個方面：(1) 帶電設備不停電時的安全距離；(2) 工作人員在工作中正?；顒臃秶c帶電設備間的安全距離；

(3) 帶電作業(yè)時作業(yè)人員人身與帶電體間的安全距離。

2.2 直流輸電安全距離的計算方法和試驗方式

直流輸電換流站直流場電氣設備在生產運行中的安全距離，首先由電氣設備的三維尺寸、系統(tǒng)正常運行時和發(fā)生故障情況下產生的操作過電壓、可能遭受的雷擊過電壓以及必須的安全裕度等要素共同決定；在滿足運行條件下，在換流站直流設備電極結構最小空氣間隙距離的基礎上，再增加適當?shù)陌踩６取?/p>

確定直流輸電安全距離空氣間隙，參照交流輸電設備帶電作業(yè)絕緣配合計算方法，如慣用法和簡化統(tǒng)計法。通常220 kV及以下電壓等級采用慣用法，330 kV及以上電壓等級采用簡化統(tǒng)計法。

慣用法的基本原理是使安全距離間隙的耐受電壓值高于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大過電壓值，并保留一定程度的安全裕度。在應用絕緣配合慣用法時，最小空氣間隙距離(DU)的計算公式為：

其中：U90 %是絕緣間隙的操作沖擊耐受電壓；Kt為考慮海拔修正、標準偏差等的綜合系數(shù)。

最小安全距離(D)的計算公式為：

其中：DU為最小空氣間隙距離；DE為人體活動距離范圍，其參考值一般取0.2-1.0 m。

安全裕度(A)與系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大過電壓（Umax）、絕緣間隙的操作沖擊耐受電壓(U90 %)之間的關系為：

在確定安全距離后，對選擇的空氣間隙距離進行電壓放電特性試驗時，由于正極性放電電壓低于負極性放電電壓，通常對空氣間隙施加正極性直流電壓(額定運行電壓)疊加正極性標準操作沖擊電壓的復合試驗電壓，以驗證安全距離空氣間隙的安全性。

2.3 我國高壓直流輸電安全距離管理現(xiàn)狀

我國在運的高壓直流輸電電壓等級主要有：±50 kV及以下、±500 kV、±660 kV、±800 kV。與電力設備安全距離相關的標準和規(guī)程主要有：GB/T 18037—2008《帶電作業(yè)工具基本技術要求與設計導則》、GB/T 19185—2008《交流線路帶電作業(yè)安全距離計算方法》和Q/GDW 17991—2013《電力安全工作規(guī)程(變電部分)》等，這些標準、規(guī)程對在運的各種電壓等級的電氣安全距離，有非常明確的管理標準和要求。

Q/GDW 17991—2013對不同電壓等級不停電時的安全距離有不同規(guī)定，如表1所示。

表1 設備不停電時的安全距離

基于模塊化多電平換流器(MMC)的柔性直流輸電技術應用時間不長，目前國內有關換流站直流設備電氣安全距離方面的研究文獻很少，國家、行業(yè)和企業(yè)標準均未提供明確的柔性直流輸電各電壓等級安全距離。

由表1中的注1可知，舟山多端柔性直流輸電±200 kV的安全距離若參照±500 kV電壓等級，其安全距離為6.00 m，則安全圍欄布置、人員設備巡視、車輛進站限高等裕度明顯偏大，不適用工程現(xiàn)場需求。

3 ±200 kV電壓等級安全距離的分析與確定

3.1 ±200 kV電壓等級安全距離分析

±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程換流站直流場中的穿墻套管、平波電抗器、隔離開關、避雷器、互感器、電纜終端套管等主設備通過管母和軟導線相連接，其中管母采用外徑為200 mm、內徑為184 mm的管型鋁母線，軟導線為二分裂鋼芯鋁絞線。

工程中由雷電沖擊放電電壓決定的空氣間隙距離遠小于由操作沖擊放電電壓決定的距離，因此一般只考慮操作沖擊情況。

在選取空氣間隙距離時，應先考慮換流站的絕緣耐受配合水平，再用經驗公式計算得到滿足絕緣水平的參考間隙距離。通過對舟山多端柔性直流輸電工程換流站直流設備的分析可發(fā)現(xiàn)，決定換流站直流場設備電氣安全距離的關鍵空氣間隙為：管母及其端部球對地放電空氣間隙、軟導線對地放電空氣間隙和平波電抗器對地放電空氣間隙。

根據文獻[2]和[3]，±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程在設計時，采用ABB計算方法計算直流場空氣凈距，計算結果如表2所示。

在此基礎上考慮適當裕度，±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程設計直流場極母線對地和極母線對極母線最小空氣凈距分別按1.5 m和3.5 m考慮，基于1.7 m的常規(guī)人員高度和0.75 m的伸手高度，初步設計直流帶電體對地距離要求為：1.7+0.75+1.5=3.95 m。生產運行準備時，發(fā)現(xiàn)初步設計直流場帶電體對地安全距離與國家相關電力設備運行標準、規(guī)程不一致，不能滿足生產運行對安全距離的需求，需進一步校核調整。

根據文獻[4]的研究成果，±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程換流站直流場操作沖擊耐受間隙距離為1.8 m， 在此基礎上適當增加安全裕度，直流側生產運行安全距離：設備不停電的安全距離、車輛(包括裝載物)外廓至無遮攔帶電部分間的安全距離、工作人員工作中正?；顒臃秶蛶щ婓w部分的安全距離參考值分別為3 m，2.55 m，3.8 m?；?.7 m的常規(guī)人員高度和1.2 m的安全裕度，生產運行時直流帶電體對地距離為1.7+1.2+1.8=4.7 m。

3.2 ±200 kV電壓等級安全距離確定

綜合工程設計單位、科研院所合作計算研究成果及相關專家意見，確定如下結論。

(1) 本工程的安全距離應參照《電力安全工作規(guī)程(變電部分)》釋義的說明，±200 kV的“設備不停電時的安全距離”應為：現(xiàn)場的安全凈距A1+1.2 m，±200 kV的“車輛包括裝載物外廓至無遮欄帶電部分之間的安全距離”應為：現(xiàn)場的安全凈距A1+0.75 m。

(2) 由表1中注1可知，直流±200 kV輸電線路安全距離可按照±500 kV電壓等級確定，則安全距離為6.0 m，安全裕度明顯偏大。

(3) 初步設計階段計算的安全距離不能滿足生產運行需求，需結合實際需求對設備安全距離進一步調整。

（4）根據《±200 kV舟山柔直工程換流站直流側生產運行安全距離試驗研究》相關成果，直流場操作沖擊耐受間隙距離為1.8 m，加上1.2 m的安全裕度，設備不停電時安全距離為3.0 m。

4 直流場電氣安全距離隔離方案分析

±200 kV舟山多端柔性直流輸電換流站直流場為戶內布置，其中平波電抗器和電壓測量裝置低式布置在圍欄內，隔離開關、避雷器和電纜終端為高位布置?；诠こ踢\行安全性，隔離開關到平波電抗器連接線導線對地安全距離應調整到不低于4.7 m。結合工程實際，現(xiàn)提出了增加過渡支柱絕緣子和調整網門范圍2種解決方案。

表2 初設階段直流場最小空氣間隙距離計算值

4.1 增加過渡支柱絕緣子

該方案是在隔離開關到平波電抗器引線下方圍欄處，增加安裝支柱絕緣子。通過增加直流支柱絕緣子2只、軟母線固定金具2套、鋼芯鋁絞線50 m(已折算至單根)、直流雙分裂導線間隔棒10只、直流雙導線設備線夾2只，導線對地距離可以高于5.0 m，安全性較高。

4.2 調整網門范圍

該方案是在現(xiàn)有網門的基礎上，將網門范圍適當放大，保證低位的引線均在網門內部。這種方案實施較為簡便，同時也滿足安全要求。

4.3 方案實施情況及效果評價

考慮今后現(xiàn)場生產運行安全性，±200 kV舟山多端柔性直流輸電換流站直流場安全隔離采用增加過渡支柱絕緣子加大帶電部分對地距離作為實際解決方案。實施后的直流場現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 加裝過渡支柱絕緣子后的直流場現(xiàn)場

采取上述方案以來，±200 kV舟山多端柔性直流輸電換流站已安全運行2年多。實踐證明，該工程確定的±200 kV電壓等級安全距離及現(xiàn)場改造方案，能滿足現(xiàn)場生產實際需求。

5 結論

基于±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程，查找柔性直流輸電在設計、運行標準的不一致之處，首次確認了±200 kV電壓等級的安全距離，并在實際工程中有效應用，填補了我國在此電壓等級的空白。同時，相關研究數(shù)據及運行結論可為今后柔性直流輸電工程設計規(guī)程的編制提供技術支持，為避免不合理的設計參數(shù)造成安全距離過大導致投資浪費，或安全距離過小不滿足運行要求導致投運前相關設備改造等問題提供借鑒。

1 國家電網公司.Q/GDW 1799.1—2013電力安全工作規(guī)程(變電部分)[S].北京：中國電力出版社，2013.

2 舟山多端柔性直流輸電重大科技示范工程成套設計書.系統(tǒng)方案[R].北京：國網北京經濟技術研究院，2012.

3 ±200 kV舟山多端柔性直流換流站工程初步設計階段綜合說明書[R].杭州：浙江省電力設計院，2013.

4 ±200 kV舟山柔直工程換流站直流側生產運行安全距離試驗研究[R].武漢：國網電力科學研究院，2014.

5 全國高壓試驗技術和絕緣配合標準化技術委員會.GB/T 311.3—2007絕緣配合 第3部分高壓直流換流站絕緣配合程序[S].北京：中國標準出版社，2007.

6 高 強，林 燁，黃立超，等.舟山多端系統(tǒng)柔性直流輸電工程綜述[J].電網與清潔能源，2015，31(2)：33-38. 7 梁曦東，陳昌魚，周遠翔.高電壓工程[M].北京：清華大學出版社，2003.

8 孫昭英，李 斌.±500 kV直流輸電線路桿塔空氣間隙放電特性的研究[J].高電壓技術，1986，12(1)：14-18. 9 全國帶電作業(yè)標準化技術委員會.GB/T 19185—2008交流線路帶電安全距離計算方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

10 孫昭英，廖蔚明，丁玉劍，等.±800 kV直流輸電工程空氣間隙放電特性試驗及間隙距離選擇[J].電網技術，2008，32(22)：8-12.

11 中國國家標準化委員會.GB/T 18037—2008帶電作業(yè)工具基本技術要求與設計導則[S].北京：中國質檢出版社，2008.

12 季于香，王學寬，周經天，等.柔性直流輸電工程保護系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電力安全技術，2015，17(4)：11-13. 13 李亞男，蔣維勇，余世峰，等.舟山多端柔性直流輸電工程系統(tǒng)設計[J].高電壓技術，2014，40(8)：2 490-2 496.

14 董云龍，凌衛(wèi)家，田 杰，等.舟山多端柔性直流輸電控制保護系統(tǒng)[J]．電力自動化設備，2016，36(7)：169-175．

15 陳水利，李敬功，王向公．模糊集理論及其應用[M]．北京：科學出版社，2005．

2016-09-04。

陳小富(1964-),男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)安全管理工作，email：699194@qq.com。

劉會勇(1982-),男，高級工程師，主要從事安全監(jiān)督管理工作。

王 勇(1976-),男，高級工程師，主要從事電力企業(yè)生產管理和安全監(jiān)督管理工作。

周 輝(1980-),男，高級工程師，主要從事安全質量監(jiān)督工作。