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

1.引言

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。

2.海底電纜直流耐壓試驗(yàn)

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]

2.1 直流耐壓試驗(yàn)的基本原理

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

2.2 直流耐壓試驗(yàn)的電壓值

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。

3.直流高壓試驗(yàn)儀器

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))。

3.1 直流高壓發(fā)生器原理

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

3. 2 直高發(fā)在海纜耐壓試驗(yàn)中存在的缺陷

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]

4.海纜直流耐壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

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>

5.試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)的故障狀況分析

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]

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(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。

5.2 海纜加壓側(cè)端部擊穿

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。

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(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。

6.結(jié)論

(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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