南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心 楊方明

武漢大學電氣工程學院 劉 川 樊友平

1.引言

500kV海南聯網工程將中國南方電網和海南電網通過瓊州海峽互聯，是我國第一條超高壓、大容量、遠距離的海底輸電線。海底電纜的絕緣狀況決定了它是否能安全運行，所以對海纜絕緣進行有效的直流耐壓試驗以了解其絕緣狀況是非常重要的。

本文根據海南聯網工程海底電纜的直流耐壓試驗模型及特點，對海纜直流耐壓試驗時可能出現三種典型的擊穿故障進行Matlab建模分析。

2.海底電纜直流耐壓試驗

海南聯網工程在海底電纜投入運行時，需要對海纜進行直流耐壓試驗，該試驗是考核電纜絕緣性能及其承受過電壓能力的主要方法，并能夠有效檢測充油海底電纜的機械損傷、介質受潮等局部缺陷。但直流耐壓試驗是一種破壞性試驗，在直流高壓的作用下絕緣依然容易發(fā)生損壞的現象，對以后的穩(wěn)定運行造成影響，因此研究直流耐壓試驗時可能出現的絕緣故障是十分有必要的。[1]

2.1 直流耐壓試驗的基本原理

直流耐壓試驗的基本原理是首先將直流電壓施加在電纜的主絕緣上，這個直流電壓要求比電纜的正常工作電壓高，將這個電壓保持一段時間并且電壓值盡量恒定，如果被試海纜試樣能在 這段時間經受這樣高的直流電壓而不出現擊穿的現象，則可以判定符合要求，以圖1為直流耐壓試驗的電路原理接線圖。[1-2]

圖1 直流耐壓試驗電路原理接線圖

2.2 直流耐壓試驗的電壓值

參考IEC 60141-1中的規(guī)定[3]，500kV海南聯網工程的額定電壓值U0=303kV，對應的直流試驗電壓為3U0=909kV；或50%的雷電沖擊試驗電壓。500kV充油電纜雷電沖擊試驗電壓為-1550kV，按此直流試驗電壓為-775kV。取兩者中的較低值，為-775kV。[4]采用負極性電壓的直流耐壓是現場檢查油紙絕緣電力電纜電氣強度的常用方法，結合廠家技術規(guī)范，最終確定海纜安裝后直流耐壓試驗電壓為775kV，歷時15min。

3.直流高壓試驗儀器

根據DL/T596-2005《電力設備預防性試驗規(guī)程》的規(guī)定，500kV海纜應該在775kV的直流電壓下進行直流耐壓試驗。[5]目前國內在500kV電壓等級領域的海纜直流耐 壓試驗尚屬一片空白，為此南方電網超高壓公司特研發(fā)出一套800kV/10mA直流高壓 發(fā)生器(以下簡稱直高發(fā))。

3.1 直流高壓發(fā)生器原理

直高發(fā)產生直流高壓的核心電路為串級式中頻多倍壓電路，該電路應用PWM脈寬調制技術，大大提高了對電壓進行調節(jié)的穩(wěn)定性。多倍壓串聯式直流高壓試驗裝置原理框圖如圖2所示。[6]

由圖2可知，該直高發(fā)的特點是逆變器使用了大功率晶體管IGBT來提高變壓器的輸出功率，這種IGBT的開通和關斷時間都非常地小且同時具備自動關斷能力，因此精簡了電路中的部分元件從而使電路的設置更加合理且損耗更小。下圖3是直高發(fā)的現場照片，這種應用電子技術制成的直流高壓試驗儀器體積小、重量輕、便于攜帶且使用方便。

圖2 多倍壓串聯式直流高壓試驗裝置原理框圖

圖3 海纜直流高壓發(fā)生器現場照片

3. 2 直高發(fā)在海纜耐壓試驗中存在的缺陷

當時試驗單位已經研發(fā)出一套800kV/10mA的直高發(fā)，并且多次應用于換流變等小電容試品直流耐壓試驗，其電壓、容量、體積及連續(xù)運行時間等技術指標都能滿足海纜的直流耐壓試驗要求。但由于海南聯網工程采用的自容式充油海底電纜所處的環(huán)境特殊，其電容值較大，一般在2以上，在升壓 過程中，非常容易由于充電電流過大導致高壓過流而跳閘，所以在實際試驗之前對整套系統進行建模分析是非常必要的，相應地對直高發(fā)采取必要的保護措施。[7]

4.海纜直流耐壓試驗模型

調用Matlab中的Simulink對海纜直流耐壓試驗進行建模，海纜的直流耐壓試驗模型如圖4所示。[8]依據輸電線的集中參數等值電路，將海纜的直流耐壓試驗電路等效為型等值電路[9]，其具體各參數為：C1、C2表示海纜的分布電容，每公里取值為0.24；R1、R2表示海纜的絕緣電阻，每公里取值為52701.667；R3表示海纜的導體電阻，每公里取值為0.0221；L1表示海纜的電感，每公里為0.05mH；Ro為高壓直流發(fā)生器的保護電阻，取值8；Lo為輸出端到電纜終端之間的接線電感，取值0.5。

圖4 海纜直流耐壓試驗模型

5.試驗時可能出現的故障狀況分析

試驗中所加的穩(wěn)態(tài)試驗電壓遠大于實際運行電壓，如果安裝后海纜內部絕緣存在明顯缺陷，在現場耐壓過程中將可能出現內部擊穿故障。在試驗電壓升至-775kV并穩(wěn)定后，海纜絕緣故障按擊穿點的位置不同，可分為三種典型情況：海纜中間位置本體擊穿、加壓側端部擊穿和末端端部擊穿。[10]依據海纜的直流耐壓試驗模型，針對三種故障情況進行Matlab仿真分析。[11]

5.1 海纜中間位置本體擊穿

海纜中間位置擊穿的分布式簡化模型如圖6所示，該模型 基于海纜的直流耐壓試驗模型，在海纜中間位置（15.35km）發(fā)生本體擊穿，此處設置開關0.5s時閉合以模擬擊穿故障。

圖6 中間位置本體擊穿模型

由于同時具備電感和電容兩種儲能元件，屬于二階電路，由電路原理可知，將電路適當簡化分析，可視為三個簡單電路的疊加之和。圖中縱坐標 單位分別為安培和伏特，橫坐標單位為秒。若海纜0.5s時刻發(fā)生中間位置本體擊穿，主干路的電流、電壓均為振蕩放電過程，模擬的結果如圖7所示。

圖7 中間位置本體擊穿電流和電壓波形圖

圖8 加壓側端部擊穿模型

由公式(1)(2)推導可知：

主干路的電流i和主干路電壓u（即電容C1上的電壓）i和u均為幅值隨著時間按指數規(guī)律衰減的振蕩函數，電路的響應為衰減振蕩響應，隨著時間的推移，電流振蕩衰減到0.1A；電壓振蕩衰減到0。

5.2 海纜加壓側端部擊穿

加壓側擊穿的模型如圖8所示，L0只有在端部擊穿時有效，其他情況下可以忽略不計。由于擊穿部位在試驗設備加壓側的一端，擊穿時會有較另外兩種情況下的相對大電流，故此次試驗主要整定直高發(fā)的繼電保護裝置。

這里，將海纜作為整體等值電路考慮，視為一階RL零狀態(tài)響應。電感L0上的擊穿電壓和電流用公式(3)(4)可表示為：

電感元件上相應的擊穿電壓和電流的仿真結果如圖9所示。

圖9 加壓側端部擊穿電流和電壓波形圖

圖10 末端端部擊穿模型

圖11 末端端部擊穿電流和電壓波形圖

由圖9中可看出，電感元件上的擊穿電壓和電流的變化劇烈近似階躍變化，這是由于直高發(fā)與海纜之間的接線電感無限小，所以其電壓與電流波形變化較為陡峭，在很短時間內即完成放電過程。

5.3 海纜末端端部擊穿

海纜末端端部擊穿的簡化模型與海纜本體中部擊穿類似，只是擊穿的故障點后移，海纜長度為30.7km，等值電路模型基本相同，如圖10所示。

當海纜發(fā)生末端端部擊穿后，主干路的電流、電壓變化與本體擊穿時類似，均為振蕩放電過程，模擬的結果如圖11所示。

由圖11可知，末端端部擊穿電流和電壓呈現二階震蕩衰減特性，隨著時間的推移，電流振蕩衰減到0.1A；電壓振蕩衰減到0。

6.結論

(1)借助Matlab研究海纜耐壓試驗過程中發(fā)生擊穿故障的特征，本文模擬計算了三種典型故障情況：海纜中間位置本體擊穿、加壓側端部擊穿和末端端部擊穿。仿真結果表明海纜中間位置本體擊穿和末端端部擊穿均呈現二階震蕩衰減特性，只是末端端部擊穿震蕩周期較長，幅值較小。而加壓側端部擊穿呈現一階快速衰減特性，沒有明顯的反擊過電壓現象。預先研究可能出現的故障導致電壓及電流變化的規(guī)律，對實際耐壓時出現故障進行正確判斷提供依據。

(2)了解到三種故障情況的電流與電壓波形后，需要整定直流高壓發(fā)生器的繼電保護裝置，依據故障電流波形，試驗時把直流高壓發(fā)生器的過流保護設置為0.015A，過流保護就可以有效地切除故障，防止試驗把海纜存在的缺陷進一步擴大并有效地保護了直流高壓發(fā)生器。此外，在海纜試驗時進行了全程故障錄波，若出現擊穿故障，以上仿真結果就是故障分析的重要依據，本文模擬試驗結果對海底電纜與直流高壓發(fā)生器的繼電保護整定有重要的指導意義。

[1]陳化鋼.電力設備預防性試驗技術問答[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

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