城網(wǎng)500 kV電纜與氣體絕緣金屬封閉輸電線路操作過電壓計算分析及比較

王卿瑋，葉鍵民，葉 劍

(1. 深圳供電局有限公司，深圳 518000；2. 上海電力設計院有限公司，上海 200025)

目前，大容量地下輸電技術在城市電網(wǎng)規(guī)劃設計中得到廣泛應用。500 kV電纜線路在城市電網(wǎng)中已十分常見。氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas-insulated Metal Closed Transmission Line，簡稱GIL)是一種采用SF6或其他氣體絕緣、外殼與導體同軸布置的電力傳輸設備，具有傳輸容量大、占地少、單位損耗低、可靠性高等優(yōu)點，也得到較為廣泛的應用并處于應用推廣階段[1]。高電壓、長距離地下輸電線路的對地電容和充電功率很大，會引起電網(wǎng)運行電壓升高，對城市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，并對過電壓和絕緣配合水平提出了更高的要求。

電力系統(tǒng)中可引起操作過電壓的情況有很多種，對于500 kV電纜和GIL線路，一般空載線路合閘過電壓和空載線路分閘重燃過電壓最為嚴重，因此本文只討論這兩種操作過電壓形式，分別對500 kV電纜和GIL進行仿真計算和比較分析，并提出抑制操作過電壓的建議與措施。

1 操作過電壓下的絕緣配合原則

絕緣配合應根據(jù)電網(wǎng)中出現(xiàn)的各種電壓(工作電壓和過電壓)和保護裝置的特性來確定設備的絕緣水平，需要全面考慮造價、維修費用以及故障損失等，力求達到安全、經(jīng)濟和高質(zhì)量供電的目的。不同的電網(wǎng)系統(tǒng)，因結(jié)構不同以及所處發(fā)展階段不同，可以有不同的絕緣水平。

國內(nèi)關于絕緣配合方面的標準主要有GB 311.1—2012《絕緣配合 第1部分：定義、原則和規(guī)則》(以下簡稱“GB 311.1”)、GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》(以下簡稱“GB/T 50064”)和DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(以下簡稱“DL/T 620”)。GB 311.1規(guī)定，對于非自恢復絕緣系統(tǒng)，其絕緣配合方法采用確定性法。絕緣配合的確定性法(慣用法)的原則是在慣用過電壓(即可接受的接近于設備安裝點的預期最大過電壓)與耐受電壓之間，按設備制造和電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗選取適宜的配合系數(shù)。

DL/T 620規(guī)定，500 kV操作過電壓基準值為449.07 kV。DL/T 620中4.2.1條指出，空載線路合閘時，線路電感-電容的振蕩將產(chǎn)生合閘過電壓。在線路重合閘時，由于電源電勢較高以及線路上殘余電荷的存在，加劇了電磁振蕩過程，使過電壓進一步提高?？蛰d線路合閘、單相重合閘和成功的三相重合閘(如果運行中使用)，在線路上產(chǎn)生的相對地統(tǒng)計過電壓，對于500 kV系統(tǒng)不宜大于2.0(標幺值)。但對于空載線路分閘重燃過電壓未作明確規(guī)定。

根據(jù)GB 311.1的表3和DL/T 620的表20規(guī)定，500 kV系統(tǒng)的額定操作沖擊耐受電壓(峰值)分為兩檔，分別為相對地電壓1 050 kV、相間電壓1 675 kV和相對地1 175 kV、相間電壓1 800 kV，斷口電壓均為1 500 kV。GB/T 50064的表6.4規(guī)定，500 kV系統(tǒng)的額定操作沖擊耐受電壓也分為兩檔，分別為相對地電壓1 050 kV、相間電壓1 760 kV和相對地電壓為1 175 kV、相間電壓1 950 kV，斷口電壓均為1 500 kV。GB/T 50064規(guī)定的兩檔相對地耐受電壓與GB 311.1和DL/T 620相同，但相間與相對地耐受電壓之比均為1.7，高于GB 311.1和DL/T 620規(guī)定的1.6和1.5。

根據(jù)GB 311.1要求，耐受電壓等于有代表性的過電壓乘以相應的配合因數(shù)KC。KC是根據(jù)我國的長期運行經(jīng)驗并綜合考慮了諸多因數(shù)，如絕緣類型及其特性、外絕緣大氣條件修正因數(shù)、安全因數(shù)(設備生產(chǎn)、裝配的分散性、安裝質(zhì)量、絕緣老化等)、快波前過電壓時避雷器和被保護設備間的距離效應等而選定的。操作沖擊耐受電壓一般取KC≥1.15，本文取操作沖擊耐受電壓絕緣配合系數(shù)KC=1.15。

本文根據(jù)GB 311.1和DL/T 620要求，取500 kV系統(tǒng)電氣設備操作沖擊耐受電壓為相對地電壓為1 175 kV、相間電壓為1 800 kV、斷口電壓為1 500 kV，取15%的絕緣裕度，則500 kV系統(tǒng)過電壓水平為相對地電壓1 021.7 kV、相間電壓為1 565.2 kV、斷口電壓為1 304.3 kV，轉(zhuǎn)化為標幺值分別是相對地電壓2.27、相間電壓為3.48 、斷口電壓為2.90。考慮到500 kV電纜和GIL的每相均有獨立的絕緣屏蔽，一般不存在相間絕緣問題，本文根據(jù)實際線路絕緣水平設計以及電纜的絕緣結(jié)構，在分析計算時對500 kV系統(tǒng)采用以下絕緣水平：相對地操作過電壓不超過2.0(標幺值)，斷口操作過電壓不超過2.9(標幺值)。

2 500 kV地下線路典型參數(shù)

2.1 500 kV電纜和GIL基本結(jié)構

(1)500 kV交聯(lián)電纜。交聯(lián)高壓電纜從內(nèi)到外由導體、絕緣、金屬護套、外絕緣等組成，其余包含導體屏蔽、絕緣屏蔽、緩沖層等。500 kV交聯(lián)電纜典型結(jié)構示意圖如圖1所示。

圖1 500 kV交聯(lián)電纜典型結(jié)構示意圖

(2)500 kV GIL。GIL主要分為三相共箱和單相分箱這2種，500 kV電壓等級一般采用單相分箱型式。GIL為同軸圓柱結(jié)構，由中心導體、絕緣子、外殼及外殼與導體間的絕緣氣體構成。一般導體與殼均采用鋁制，氣體絕緣采用SF6或SF6/N2混合氣體。GIL結(jié)構示意圖如圖2所示。

圖2 GIL結(jié)構示意圖

2.2 計算參數(shù)

(1)500 kV電纜。按照城市電網(wǎng)輸送容量要求，500 kV電纜線路一般采用2 500 mm2截面交聯(lián)電纜，導體外徑61.5 mm；導體屏蔽直徑66 mm；交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣直徑126 mm；絕緣屏蔽直徑129 mm；皺紋鋁護套外徑158.4 mm；皺紋鋁護套厚度3.2 mm；外護套直徑(電纜外徑)170 mm；XLPE相對介電常數(shù)2.300；三角形排列；正序、零序電容0.232 μF/km。

(2)500 kV GIL。根據(jù)國內(nèi)廠家生產(chǎn)的GIL產(chǎn)品，500 kV GIL典型參數(shù)：截面2 500 mm2；導體外徑140 mm；導體厚度15 mm；殼體外徑516 mm；殼體厚度8 mm；絕緣介質(zhì)SF6，SF6相對介電常數(shù)1.002；上中下排列；正序、零序電容0.043 μF/km。

3 操作過電壓計算

3.1 計算條件

(1)采用ATP-EMTP(55版)程序進行操作過電壓計算。

(2)考慮到500 kV電纜(2 500 mm2截面)的輸送容量約170萬kVA，500 kV GIL的輸送容量一般可達340～430萬kVA。為使500 kV電纜線路的輸送容量與GIL相匹配，考慮采用雙拼2 500 mm2截面電纜，2回電纜僅在首末兩端并聯(lián)。

(3)參照國內(nèi)典型大城市電網(wǎng)運行情況，按系統(tǒng)側(cè)等值電壓源電壓為515 kV、系統(tǒng)側(cè)500 kV短路電流水平為60 kA進行等值。

(4)參照國內(nèi)典型大城市電網(wǎng)500 kV電纜運行實際，按電纜與GIL長度分別為15 km和20 km計算分析操作過電壓情況，電纜按PI模型、集中參數(shù)進行模擬，分為6～8段、每段2.5 km開展仿真計算。

(5)考慮在變電站500 kV母線和線路首末端均加裝避雷器，避雷器型號采用Y20W-444/1106，參數(shù)參照國內(nèi)廠家的該型號避雷器典型技術參數(shù)。

3.2 空載線路合閘過電壓

電纜線路和GIL的接地故障多是永久性故障，不考慮重合閘操作?？蛰d線路合閘過電壓只計算正常有計劃的合閘操作，即合閘后，線路各點電壓由零值過渡到考慮電容效應后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值的過程中出現(xiàn)的合閘過電壓。在計算空載線路合閘操作過電壓時，考慮斷路器隨機合閘100次，取每次合閘三相中最高的過電壓值進行統(tǒng)計，記錄100次操作中出現(xiàn)概率為2%的過電壓。根據(jù)典型斷路器性能參數(shù)，斷路器三相合閘最大時差在5 ms以內(nèi)。電纜線路和GIL中部均不會發(fā)生相間絕緣擊穿，因此僅計算相對地過電壓統(tǒng)計值。線路長度分別為15 km和20 km的雙拼電纜和GIL空載合閘統(tǒng)計過電壓情況如表1所示。在表1中，統(tǒng)計過電壓(2%)為100次操作中出現(xiàn)概率不超過2%的過電壓值，統(tǒng)計最高過電壓為100次操作中出現(xiàn)的最高過電壓值。

表1 空載線路合閘過電壓統(tǒng)計值(標幺值)

從表1可見，線路長度為15 km和20 km的雙拼2 500 mm2截面電纜與GIL，在線路的統(tǒng)計過電壓值均能夠控制在2.0(標幺值)的標準范圍內(nèi)。雙拼電纜和GIL的統(tǒng)計過電壓值和變化趨勢較為接近，均呈現(xiàn)線路首端最低、末端最高的特點，其中線路首端GIL的統(tǒng)計過電壓低于雙拼電纜，在線路中間和線路末端二者的計算結(jié)果非常接近。長度為20 km的雙拼電纜和GIL的統(tǒng)計過電壓值與15 km線路非常接近，總體略高于15 km線路的統(tǒng)計過電壓值。

3.3 空載線路分閘重燃過電壓

如斷路器不發(fā)生重燃，空載線路分閘時系統(tǒng)中不會出現(xiàn)操作過電壓，但在考慮斷路器重燃的情況下，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)很高的操作過電壓。因目前斷路器的性能較好，發(fā)生多次重燃的可能性較小，本文僅討論斷路器一次重燃的操作過電壓情況。在仿真計算中，假設斷路器一相在端口電壓最大時發(fā)生重燃，并在該相電流過零點時熄弧。因電纜和GIL中部均不會發(fā)生相間絕緣擊穿，僅計算母線、線路相對地過電壓值以及斷路器斷口的過電壓值。500 kV系統(tǒng)的相對地操作過電壓不宜大于2.0(標幺值)，斷路器斷口的操作過電壓控制水平按照不大于2.9(標幺值)控制。

(1)不配置線路并聯(lián)高壓電抗器。在不配置線路并聯(lián)高壓電抗器的情況下，線路長度分別15 km和20 km的雙拼電纜和GIL分閘空載線路重燃過電壓情況如表2所示。

表2 分閘空載線路重燃過電壓(標幺值，不配置線路并聯(lián)高抗)

從表2可見，長度為15 km和20 km的雙拼電纜和GIL的斷路器斷口過電壓均能夠控制在2.9(標幺值)的范圍內(nèi)，但母線和線路的相對地過電壓均超過2.0(標幺值)的控制標準。總體看來，線路長度相同時雙拼電纜的母線、線路首末端和斷口過電壓均高于GIL，但GIL的線路中間過電壓高于雙拼電纜。長度為20 km的雙拼電纜和GIL的過電壓水平高于15 km同類型線路。

各線路的分閘重燃操作過電壓的波形接近，以20 km的雙拼電纜為例，典型波形如圖3所示。

圖3 20 km雙拼電纜分閘重燃操作過電壓波形圖

為防止斷路器重燃對設備造成損害，除采取合理配置避雷器、使用滅弧性能優(yōu)良的斷路器以降低重燃概率等措施外，常用的限制措施還有配置線路并聯(lián)高壓電抗器，可以使線路上的殘余電荷產(chǎn)生衰減振蕩，降低斷路器斷口的恢復電壓上升速度，大幅減少重燃的可能性，降低高幅值過電壓的發(fā)生概率。

(2)配置線路并聯(lián)高壓電抗器。根據(jù)《電力工程電氣設計手冊(電氣一次部分)》，線路并聯(lián)電抗器容量一般按補償度40%～80%選取，本文按線路充電功率的80%確定并聯(lián)電抗器容量?？紤]配置線路并聯(lián)高壓電抗器的情況下，20 km雙拼電纜的分閘空載線路時斷路器斷口過電壓情況如圖4所示。

圖4 配置并聯(lián)高壓電抗器20 km雙拼電纜分閘斷口過電壓波形圖

從圖4可見，配置線路并聯(lián)高壓電抗器后斷路器斷口的恢復電壓上升速度變緩，有利于斷口間滅弧介質(zhì)的絕緣恢復，從而使得斷路器重燃的可能性大幅降低，避免產(chǎn)生威脅設備絕緣的過電壓水平。同型號線路在不配置并聯(lián)高壓電抗器情況下，分閘空載線路時的斷路器斷口過電壓波形如圖5所示。

圖5 20 km雙拼電纜(不配置并聯(lián)高壓電抗器)分閘斷口過電壓波形圖

對比圖4和圖5可知，在斷路器分閘初始階段，配置并聯(lián)高壓電抗器后的斷口恢復電壓明顯降低，可有效減少斷路器重燃概率。

20 km GIL配置并聯(lián)高壓電抗器前后的斷路器分閘斷口電壓波形圖與雙拼電纜近似，如圖6所示。

圖6 20 km GIL配置并聯(lián)高壓電抗器前后的斷路器分閘斷口過電壓波形圖比較(不考慮斷路器重燃)

從圖6可見，雖然配置并聯(lián)高壓電抗器后的斷路器斷口最高過電壓與不配置并聯(lián)高壓電抗器接近，但在斷路器分閘初始階段的恢復電壓速度與幅值明顯低于不配置并聯(lián)高壓電抗器的情況。

因此，對于雙拼電纜和GIL，通過配置線路并聯(lián)高壓電抗器能夠有效抑制分閘線路操作過電壓。GIL充電功率遠小于雙拼電纜線路，在相同補償度(80%)的情況下并聯(lián)高壓電抗器的容量也明顯小于雙拼電纜，在線路長度均為20 km的情況下，GIL配置并聯(lián)高壓電抗器容量約為70 Mvar，而雙拼電纜配置并聯(lián)容量約為570 Mvar。較之雙拼電纜，GIL配置并聯(lián)高壓電抗器的容量明顯降低，占地和損耗也大幅減小。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)相關標準要求，500 kV地下輸電線路可采用以下絕緣水平：相對地操作過電壓不超過2.0(標幺值)，斷口操作過電壓不超過2.9(標幺值)，相間操作過電壓不作要求。

(2)考慮在變電站500 kV母線和線路首末端均加裝避雷器，線路長度為15，20 km的500 kV雙拼2 500 mm2截面電纜與GIL的空載線路合閘的統(tǒng)計過電壓值均能夠控制在2.0 (標幺值)的范圍內(nèi)，不需要采取控制措施。

(3)考慮斷路器重燃，在變電站500 kV母線和線路首末端均配置避雷器的情況下，線路長度為15，20 km的雙拼電纜和GIL的母線和線路的相對地分閘重燃操作過電壓均超過2.0 (標幺值)的控制標準?？傮w來看，線路長度相同的雙拼電纜的操作過電壓略高于GIL。

(4)為控制分閘空載線路重燃過電壓，配置線路并聯(lián)高壓電抗器是非常有效的措施，因GIL充電功率明顯小于雙拼電纜線路，需配置的并聯(lián)高壓電抗器容量也明顯低于雙拼電纜線路。