接地極線路絕緣配合研究

王瑩瑩，李永雙，唐 劍，夏 波，張 華

(電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引言

由接地極線路和接地極組成的大地返回系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行的必要基礎(chǔ)，DL/T 5224—2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[1]也為設(shè)計(jì)提供了有效參考。然而，近年來因接地極線路絕緣破壞而引起的直流工程閉鎖事故屢見不鮮：2007年，±500 kV天廣直流接地極線路遭受雷擊閃絡(luò)導(dǎo)致直流閉鎖[2]；2012年，±800 kV楚穗直流接地極線路操作過電壓超限[3-4]；2016年，±800 kV賓金直流宜賓側(cè)接地極線路招弧角放電[5]。通常認(rèn)為，接地極線路運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，設(shè)計(jì)階段很少進(jìn)行充分論證，多參考以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。正因?yàn)槿绱?，接地極線路的絕緣配合問題的研究深度不足，已成為直流輸電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生故障，不僅影響直流系統(tǒng)輸電效益的持續(xù)發(fā)揮，而且可能給電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來隱患。因此，有必要深入研究目前接地極線路的絕緣配合相關(guān)問題，提出解決思路，減少因接地極線路閃絡(luò)引起的直流系統(tǒng)閉鎖事件發(fā)生。

本文通過分析直流工程接地極線路故障發(fā)生、發(fā)展過程，歸類分析接地極線路絕緣破壞的誘因，提出接地極線路在絕緣不匹配、耐雷水平低、同塔架設(shè)增加安全隱患、保護(hù)策略適應(yīng)性不足等方面存在的問題，指出從加強(qiáng)過電壓、熄弧和防雷等方面的理論研究、靈活布置導(dǎo)線、優(yōu)化系統(tǒng)保護(hù)策略等方面提高接地極線路設(shè)計(jì)深度、提升接地極線路絕緣強(qiáng)度。

1 接地極線路絕緣擊穿分析

1.1 絕緣水平不匹配

2012年12月15日，±800 kV楚穗直流楚雄站因極Ⅰ雙閥組不對(duì)稱運(yùn)行引起該極雙閥組閉鎖，轉(zhuǎn)入單極大地運(yùn)行后，因接地極線路電流不平衡保護(hù)，極Ⅱ強(qiáng)制移相并重啟成功。接地極線路在期間發(fā)生閃絡(luò)，當(dāng)極Ⅰ閉鎖時(shí)，中性母線產(chǎn)生過電壓，數(shù)值達(dá)170.47 kV (波頭時(shí)間2.8 ms)，超過接地極線路的絕緣水平(參考交流35 kV設(shè)計(jì))，進(jìn)而引起接地極線路閃絡(luò)(楚雄換流站接地極線路8號(hào)桿塔一側(cè)絕緣子閃絡(luò)、招弧角燒傷)[3-4]。該接地極線路招弧角尺寸0.4 m，正極性、負(fù)極性雷電沖擊耐受電壓分別為150 kV、－160 kV，當(dāng)外施電壓為波頭時(shí)間更長(zhǎng)的操作波時(shí)，耐受電壓將進(jìn)一步降低。該事故暴露出接地極線路絕緣水平與中性母線絕緣水平不匹配，直流系統(tǒng)內(nèi)各種故障引起的中性母線過電壓均有可能超過接地極線路的閃絡(luò)電壓，引起接地極線路閃絡(luò)，觸發(fā)電流不平衡保護(hù)，誘發(fā)直流系統(tǒng)閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。

2016年4月16日，±800 kV賓金直流輸電工程極Ⅱ線路遭受雷擊后絕緣擊穿，該線路在直流控保的作用下全壓再啟動(dòng)兩次成功。在極Ⅱ線路第2次再啟動(dòng)過程中，中性極母線電壓峰值達(dá)104 kV，主頻75 Hz；接地極線路招弧角的工頻、操作沖擊耐受電壓分別為109 kV、149.4 kV (+) /150 (-)kV。中性極母線的電壓峰值接近工頻耐受電壓，引起接地極線路閃絡(luò)，宜賓換流站接地極線路4號(hào)塔一側(cè)導(dǎo)線絕緣子招弧角放電[5]。

以上事故均是由于接地極線路的絕緣水平與中性極母線的絕緣水平不匹配，且接地極線路絕緣水平低于中性極母線的絕緣水平引起。直流系統(tǒng)雙極和單極運(yùn)行方式下，直流系統(tǒng)故障引起的中性極母線的過電壓超過接地極線路的耐受能力時(shí)，很容易導(dǎo)致接地極線路閃絡(luò)，進(jìn)而相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，繼而可能導(dǎo)致直流閉鎖。

1.2 耐雷水平低

2007年5月27日、6月8日，±500 kV天廣直流連續(xù)兩次發(fā)生接地極線路不平衡保護(hù)動(dòng)作，兩次故障時(shí)，天生橋換流站附近正處于雷雨交加天氣，發(fā)現(xiàn)多處類似放電痕跡，疑似落雷引起的瞬時(shí)接地故障[6]。

接地極線路通常按照35 kV線路的要求進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)，對(duì)地距離參照110 kV的標(biāo)準(zhǔn)。一方面，接地極線路桿塔全高不高，考慮到周邊建筑和樹木的遮擋屏蔽，雷直擊線路的概率相對(duì)高壓輸電線路小。然而，當(dāng)雷擊線路附近的地面時(shí)，由于電磁感應(yīng)在接地極線路導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓數(shù)值可達(dá)500 kV，對(duì)絕緣水平較低的接地極線路具有較大的威脅。另一方面，雷擊塔頂時(shí)的感應(yīng)電壓、直擊接導(dǎo)線時(shí)的導(dǎo)線電位也較容易超過絕緣子串的放電電壓，引起絕緣閃絡(luò)。換句話說，接地極線路的耐雷水平低，無論感應(yīng)雷過電壓還是直擊雷過電壓，均易引起絕緣擊穿。

1.3 同塔架設(shè)風(fēng)險(xiǎn)高

±500 kV興安直流工程深圳側(cè)接地極極線總長(zhǎng)約188 km，其中183 km與直流極線同塔架設(shè)。2008年5月5日，興安直流系統(tǒng)發(fā)生雙極相繼閉鎖事件，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢查、雷電定位系統(tǒng)信息、相關(guān)錄波和繼電保護(hù)動(dòng)作情況的分析，故障原因?yàn)闃OⅠ直流線路多次遭受雷擊后因過電壓導(dǎo)致閉鎖，與其同桿架設(shè)的接地極線路因感應(yīng)電導(dǎo)致電流不平衡，并隨著極Ⅰ狀態(tài)的改變而改變保護(hù)動(dòng)作策略.最終導(dǎo)致雙極相繼閉鎖[2，7-8]。該事故的研究表明[2]，直流極導(dǎo)線和接地極線路同塔架設(shè)時(shí)，當(dāng)直流極導(dǎo)線遭受雷擊時(shí)，同塔架設(shè)的接地極線上將產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓，且在雷電波傳播過程中，感應(yīng)電壓具有累積效應(yīng)，將會(huì)達(dá)到其絕緣水平，使得接地極線沿線絕緣發(fā)生多點(diǎn)擊穿閃絡(luò)。

±800 kV靈紹直流靈州換流站接地極線路，部分采用與35 kV交流站外電源線路同桿共架的方式，部分與330 kV交流站外電源線路同走廊架設(shè)的方式，文獻(xiàn)[9]仿真研究指出，直流接地極線路與35 kV交流線路同桿共架時(shí)，相互之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，不會(huì)危及安全運(yùn)行；直流接地極線路與330 kV交流線路同走廊架設(shè)時(shí)，330 kV交流線路在直流接地極線路上產(chǎn)生的最高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不大于18 kV，不會(huì)對(duì)直流接地極線路的安全運(yùn)行造成危害。

在土地資源緊缺及輸電走廊緊張的地區(qū)，接地極線路與直流線路或其他交/直流線路同塔架設(shè)的現(xiàn)象越來越常見，若在設(shè)計(jì)階段未充分考慮不同線路之間的相互影響，尤其當(dāng)電壓等級(jí)差別較大時(shí)，因同塔架設(shè)直流極線和接地極線產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓而導(dǎo)致直流閉鎖的情況時(shí)有發(fā)生，降低輸電系統(tǒng)的可靠水平。

1.4 保護(hù)策略適應(yīng)性差

電流不平衡保護(hù)是接地極線路最主要的保護(hù)，西門子和ABB公司的保護(hù)應(yīng)用最多，兩家單位對(duì)于該保護(hù)有著不同的保護(hù)策略[6]，其中西門子公司在單極大地運(yùn)行方式下的策略為直流閉鎖，ABB公司的策略僅為告警。由于直流回路無過零點(diǎn)，接地極線路上由于落雷或其他瞬時(shí)故障一旦引起燃弧，則難以自行熄滅，需將直流停運(yùn)方能熄弧，且極控系統(tǒng)中設(shè)置了由線路主保護(hù)觸發(fā)的重啟動(dòng)功能，而接地極線路的保護(hù)未能充分調(diào)動(dòng)該功能進(jìn)行滅弧。2007年以來，天廣、興安直流輸電系統(tǒng)中多次在單極運(yùn)行方式下因雷擊引起直流閉鎖，若能啟動(dòng)故障重啟動(dòng)，則可有效降低接地極線路瞬時(shí)故障導(dǎo)致直流停運(yùn)的概率。

此 外，2007年 5月 27日、6月 8日，±500 kV天廣直流連續(xù)兩次發(fā)生接地極線路不平衡保護(hù)動(dòng)作，且接地極線路故障監(jiān)視裝置沒有啟動(dòng)[6]，究其原因?yàn)榻拥貥O線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的脈沖發(fā)射周期應(yīng)與接地極線路不平衡保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不相配合，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的脈沖發(fā)射周期長(zhǎng)于不平衡保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，不利于故障監(jiān)測(cè)及定位功能的發(fā)揮，影響運(yùn)行人員快速確定故障點(diǎn)位置。

2 關(guān)鍵研究方向

雖然直流接地極線路絕緣配置的問題不斷被認(rèn)識(shí)，但尚未有系統(tǒng)化的研究成果，能夠從理論、實(shí)踐方面指導(dǎo)接地極線路的絕緣配合。近年來，特高壓直流輸電工程陸續(xù)投產(chǎn)，該問題的必要性更加突出，本文認(rèn)為有必要對(duì)直流接地極線路的過電壓進(jìn)行系統(tǒng)性、針對(duì)性研究，制定與之適應(yīng)的絕緣配合原則，以下重點(diǎn)研究方向有望促進(jìn)接地極線路絕緣配合的深化。

2.1 過電壓特性研究

過電壓是絕緣配合的基礎(chǔ)，科學(xué)的接地極線路絕緣配合自然離不開準(zhǔn)確的過電壓計(jì)算。接地極線路首端接在換流站中性極母線，末端與接地極相連，其上的過電壓與中性極母線的過電壓直接相關(guān)。在直流極對(duì)地短路、換流變壓器閥側(cè)套管出口對(duì)地短路、交流側(cè)不對(duì)稱故障、單極方式接地極線路斷線等情況下，中性極母線將出現(xiàn)操作過電壓[10]，因此，有必要研究該過電壓的產(chǎn)生原因、幅值和頻率(或波頭)特性，并結(jié)合中性極母線避雷器的參數(shù)，合理確定接地極線路的絕緣耐受能力，減少接地極線路因工頻(或類工頻)、操作過電壓發(fā)生閃絡(luò)事故。

2.2 熄弧試驗(yàn)和熄弧特性研究

自天廣直流以來，我國(guó)接地極線路均采用招弧角保護(hù)絕緣子。但因直流電流無過零點(diǎn)，熄弧困難，尤其隨著直流輸送功率越來越大，接地極的續(xù)流越來越大，招弧角的熄弧越來越困難，導(dǎo)線絕緣子和金具在持續(xù)電弧的灼燒下，易發(fā)生掉串事故[11]。目前，2 kA及以上大電流的熄弧特性研究仍屬空白[12]，急需開展相關(guān)招弧角熄弧試驗(yàn)及大電流續(xù)流的熄弧特性研究，為招弧角的熄弧特性提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，招弧角型式多樣，開展各種型式招弧角的起弧、燃弧、熄弧特性及應(yīng)用場(chǎng)合研究也是有效解決接地極線路絕緣的重要方案。

2.3 防雷性能綜合研究

接地極線路具有耐雷水平低的天然不足。應(yīng)綜合分析接地極線路的運(yùn)行特性，在滿足系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行要求的前提下，合理確定接地極線路的雷擊閃絡(luò)目標(biāo)值、耐雷水平。在此基礎(chǔ)上，既可以選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的傳統(tǒng)防雷方案，如優(yōu)化地線選擇、保護(hù)角、接地電阻、架設(shè)耦合地線，也可采用新技術(shù)，如復(fù)合橫擔(dān)，還可在易遭雷擊處可有針對(duì)性地安裝線路避雷器，多管齊下、因地制宜地降低輸電線路的雷擊閃絡(luò)率。

2.4 導(dǎo)線布置優(yōu)化研究

接地極線路的典型設(shè)計(jì)方案為四根導(dǎo)線，按兩個(gè)兩分裂分別布置在桿塔兩側(cè)，通常絕緣擊穿僅發(fā)生在其中的一側(cè)導(dǎo)線處。為提高線路的可靠性水平，可采用多樣化的導(dǎo)線布置方案，如采用四根獨(dú)立的導(dǎo)線分別掛在桿塔兩側(cè)，當(dāng)過電壓出現(xiàn)時(shí)，僅其中一根導(dǎo)線的絕緣擊穿，可通過系統(tǒng)保護(hù)，識(shí)別故障線路并將其切除，其他線路依然可以正常運(yùn)行，避免直流系統(tǒng)停運(yùn)。該方法需進(jìn)一步研究導(dǎo)線最優(yōu)布置方案以及繼電保護(hù)整定原則。

2.5 保護(hù)策略優(yōu)化研究

接地極線路的保護(hù)策略與其絕緣配合方案相輔相成，保護(hù)策略的制定是絕緣配合的基礎(chǔ)，應(yīng)合理確定接地極線路保護(hù)策略，可加強(qiáng)接地極線路故障診斷。這主要是因?yàn)椋Ｗo(hù)若能有效識(shí)別瞬時(shí)和永久故障，繼而采取相應(yīng)的保護(hù)策略，尤其是通過移相重啟消除瞬時(shí)故障，則絕緣配合中可不必考慮雷電等臨時(shí)故障對(duì)線路運(yùn)行的影響，從而用較低的代價(jià)提高系統(tǒng)的整體可靠性。

故障診斷和故障定位技術(shù)的研究也有助于提高保護(hù)的準(zhǔn)確性和針對(duì)性，如接地極線路的短路和斷線故障均可能引起接地極線路電流不平衡，而前者多是瞬時(shí)故障，故障清除后可恢復(fù)運(yùn)行；而后者則是永久故障，不平衡保護(hù)無法清除該故障，應(yīng)避免直流頻繁再啟動(dòng)；采用新型的高阻抗監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)定位[13]。

3 結(jié)語

隨著直流輸電電壓等級(jí)、輸送容量逐步增大，接地線路的絕緣配合問題更加值得深入研究。本文在總結(jié)已有接地極線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于故障分析，指出目前接地極線路絕緣配合存在過電壓評(píng)估不足、防雷性能低、保護(hù)策略缺陷等問題，為直流工程的可靠運(yùn)行帶來安全隱患。結(jié)合已有研究成果，提出在加強(qiáng)過電壓計(jì)算、開展大電流熄弧特性試驗(yàn)研究、防雷綜合研究、繼電保護(hù)策略優(yōu)化等方面加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，為科學(xué)確定接地極線路絕緣配置方案、提高可靠性水平提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

提高接地極線路運(yùn)行可靠性是個(gè)綜合性的問題，需要換流站、線路、保護(hù)等多個(gè)方面協(xié)同合作，用最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)最高的可靠性。