南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心 楊方明
武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 劉 川 樊友平
500kV海南聯(lián)網(wǎng)工程將中國南方電網(wǎng)和海南電網(wǎng)通過瓊州海峽互聯(lián),是我國第一條超高壓、大容量、遠(yuǎn)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(yùn)行,所以對海纜絕緣進(jìn)行有效的直流耐壓試驗(yàn)以了解其絕緣狀況是非常重要的。
本文根據(jù)海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜的直流耐壓試驗(yàn)?zāi)P图疤攸c(diǎn),對海纜直流耐壓試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)三種典型的擊穿故障進(jìn)行Matlab建模分析。
海南聯(lián)網(wǎng)工程在海底電纜投入運(yùn)行時(shí),需要對海纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn),該試驗(yàn)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(jī)械損傷、介質(zhì)受潮等局部缺陷。但直流耐壓試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn),在直流高壓的作用下絕緣依然容易發(fā)生損壞的現(xiàn)象,對以后的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響,因此研究直流耐壓試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)的絕緣故障是十分有必要的。[1]
直流耐壓試驗(yàn)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(gè)直流電壓要求比電纜的正常工作電壓高,將這個(gè)電壓保持一段時(shí)間并且電壓值盡量恒定,如果被試海纜試樣能在 這段時(shí)間經(jīng)受這樣高的直流電壓而不出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象,則可以判定符合要求,以圖1為直流耐壓試驗(yàn)的電路原理接線圖。[1-2]
圖1 直流耐壓試驗(yàn)電路原理接線圖
參考IEC 60141-1中的規(guī)定[3],500kV海南聯(lián)網(wǎng)工程的額定電壓值U0=303kV,對應(yīng)的直流試驗(yàn)電壓為3U0=909kV;或50%的雷電沖擊試驗(yàn)電壓。500kV充油電纜雷電沖擊試驗(yàn)電壓為-1550kV,按此直流試驗(yàn)電壓為-775kV。取兩者中的較低值,為-775kV。[4]采用負(fù)極性電壓的直流耐壓是現(xiàn)場檢查油紙絕緣電力電纜電氣強(qiáng)度的常用方法,結(jié)合廠家技術(shù)規(guī)范,最終確定海纜安裝后直流耐壓試驗(yàn)電壓為775kV,歷時(shí)15min。
根據(jù)DL/T596-2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定,500kV海纜應(yīng)該在775kV的直流電壓下進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)。[5]目前國內(nèi)在500kV電壓等級領(lǐng)域的海纜直流耐 壓試驗(yàn)尚屬一片空白,為此南方電網(wǎng)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))。
直高發(fā)產(chǎn)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(yīng)用PWM脈寬調(diào)制技術(shù),大大提高了對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。多倍壓串聯(lián)式直流高壓試驗(yàn)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(diǎn)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(guān)斷時(shí)間都非常地小且同時(shí)具備自動(dòng)關(guān)斷能力,因此精簡了電路中的部分元件從而使電路的設(shè)置更加合理且損耗更小。下圖3是直高發(fā)的現(xiàn)場照片,這種應(yīng)用電子技術(shù)制成的直流高壓試驗(yàn)儀器體積小、重量輕、便于攜帶且使用方便。
圖2 多倍壓串聯(lián)式直流高壓試驗(yàn)裝置原理框圖
圖3 海纜直流高壓發(fā)生器現(xiàn)場照片
當(dāng)時(shí)試驗(yàn)單位已經(jīng)研發(fā)出一套800kV/10mA的直高發(fā),并且多次應(yīng)用于換流變等小電容試品直流耐壓試驗(yàn),其電壓、容量、體積及連續(xù)運(yùn)行時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)都能滿足海纜的直流耐壓試驗(yàn)要求。但由于海南聯(lián)網(wǎng)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(dǎo)致高壓過流而跳閘,所以在實(shí)際試驗(yàn)之前對整套系統(tǒng)進(jìn)行建模分析是非常必要的,相應(yīng)地對直高發(fā)采取必要的保護(hù)措施。[7]
調(diào)用Matlab中的Simulink對海纜直流耐壓試驗(yàn)進(jìn)行建模,海纜的直流耐壓試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D4所示。[8]依據(jù)輸電線的集中參數(shù)等值電路,將海纜的直流耐壓試驗(yàn)電路等效為型等值電路[9],其具體各參數(shù)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(dǎo)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(hù)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(yàn)?zāi)P?/p>
試驗(yàn)中所加的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行電壓,如果安裝后海纜內(nèi)部絕緣存在明顯缺陷,在現(xiàn)場耐壓過程中將可能出現(xiàn)內(nèi)部擊穿故障。在試驗(yàn)電壓升至-775kV并穩(wěn)定后,海纜絕緣故障按擊穿點(diǎn)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(cè)端部擊穿和末端端部擊穿。[10]依據(jù)海纜的直流耐壓試驗(yàn)?zāi)P?,針對三種故障情況進(jìn)行Matlab仿真分析。[11]
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(yàn)?zāi)P停诤@|中間位置(15.35km)發(fā)生本體擊穿,此處設(shè)置開關(guān)0.5s時(shí)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(shí)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(dāng)簡化分析,可視為三個(gè)簡單電路的疊加之和。圖中縱坐標(biāo) 單位分別為安培和伏特,橫坐標(biāo)單位為秒。若海纜0.5s時(shí)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(jié)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(cè)端部擊穿模型
由公式(1)(2)推導(dǎo)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(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的振蕩函數(shù),電路的響應(yīng)為衰減振蕩響應(yīng),隨著時(shí)間的推移,電流振蕩衰減到0.1A;電壓振蕩衰減到0。
加壓側(cè)擊穿的模型如圖8所示,L0只有在端部擊穿時(shí)有效,其他情況下可以忽略不計(jì)。由于擊穿部位在試驗(yàn)設(shè)備加壓側(cè)的一端,擊穿時(shí)會(huì)有較另外兩種情況下的相對大電流,故此次試驗(yàn)主要整定直高發(fā)的繼電保護(hù)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(yīng)。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(yīng)的擊穿電壓和電流的仿真結(jié)果如圖9所示。
圖9 加壓側(cè)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(shí)間內(nèi)即完成放電過程。
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(diǎn)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(dāng)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(shí)類似,均為振蕩放電過程,模擬的結(jié)果如圖11所示。
由圖11可知,末端端部擊穿電流和電壓呈現(xiàn)二階震蕩衰減特性,隨著時(shí)間的推移,電流振蕩衰減到0.1A;電壓振蕩衰減到0。
(1)借助Matlab研究海纜耐壓試驗(yàn)過程中發(fā)生擊穿故障的特征,本文模擬計(jì)算了三種典型故障情況:海纜中間位置本體擊穿、加壓側(cè)端部擊穿和末端端部擊穿。仿真結(jié)果表明海纜中間位置本體擊穿和末端端部擊穿均呈現(xiàn)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(cè)端部擊穿呈現(xiàn)一階快速衰減特性,沒有明顯的反擊過電壓現(xiàn)象。預(yù)先研究可能出現(xiàn)的故障導(dǎo)致電壓及電流變化的規(guī)律,對實(shí)際耐壓時(shí)出現(xiàn)故障進(jìn)行正確判斷提供依據(jù)。
(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(hù)裝置,依據(jù)故障電流波形,試驗(yàn)時(shí)把直流高壓發(fā)生器的過流保護(hù)設(shè)置為0.015A,過流保護(hù)就可以有效地切除故障,防止試驗(yàn)把海纜存在的缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大并有效地保護(hù)了直流高壓發(fā)生器。此外,在海纜試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了全程故障錄波,若出現(xiàn)擊穿故障,以上仿真結(jié)果就是故障分析的重要依據(jù),本文模擬試驗(yàn)結(jié)果對海底電纜與直流高壓發(fā)生器的繼電保護(hù)整定有重要的指導(dǎo)意義。
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