周超凡，熊 瑋，李浩原

（1.國家電網(wǎng)公司華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢 430077；2.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430074）

0 引言

海底電纜指敷設(shè)在海洋中的電纜，它的發(fā)展歷史超過百年，最初用于向近海的燈塔等設(shè)備供電，現(xiàn)已發(fā)展為連接海峽兩側(cè)電網(wǎng)或者大陸向海島供電的重要通道[1-3]。

海底電力電纜工程是國際公認(rèn)的復(fù)雜、困難的大型工程，電纜的設(shè)計(jì)、制造、施工難度及技術(shù)要求均高于架空線及陸地電纜工程。隨著我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的迅速發(fā)展，特別是國家“海洋戰(zhàn)略”的全面實(shí)施，海底電纜輸電工程近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的特點(diǎn)。我國海域遼闊、海岸線漫長，沿海島嶼與大陸、島嶼與島嶼電力聯(lián)網(wǎng)空間巨大。

海底電纜工程往往造價(jià)昂貴、施工搶修較為復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)將解列，后果嚴(yán)重，因此海底電纜系統(tǒng)的安全可靠性要求較高。電纜的過電壓水平與絕緣性能是海底電纜系統(tǒng)可靠性的重要評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)海纜的造價(jià)水平也有著顯著的影響。因此，有必要對(duì)海底高壓電纜的過電壓進(jìn)行研究。本文針對(duì)海底電纜系統(tǒng)的暫時(shí)過電壓進(jìn)行仿真計(jì)算研究[4-6]。

1 暫時(shí)過電壓仿真模型

1.1 暫時(shí)過電壓原理

暫時(shí)過電壓包括工頻電壓升高和諧振過電壓，工頻電壓升高主要包括空載長線的電容效應(yīng)、無故障或接地故障甩負(fù)荷。

工頻過電壓（工頻電壓升高）是指系統(tǒng)正?；蚬收蠒r(shí)可能出現(xiàn)的幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高。工頻電壓升高大都在空載或輕載條件下發(fā)生，與多種操作過電壓的發(fā)生條件相同或相似，所以它們有可能同時(shí)出現(xiàn)。因此它的大小直接影響操作過電壓的幅值。工頻電壓升高也是決定避雷器等過電壓保護(hù)裝置工作條件的重要依據(jù)。

諧振過電壓是指因系統(tǒng)的電感，電容參數(shù)配合不當(dāng)，出現(xiàn)的各類持續(xù)時(shí)間長、波形周期性重復(fù)的電壓升高[7]。

本文將針對(duì)上述暫時(shí)過電壓情況展開分析。

1.2 暫時(shí)過電壓仿真模型

借鑒以往工程案例進(jìn)行仿真系統(tǒng)搭建。架空線-海纜混合系統(tǒng)包含起點(diǎn)500kV變電站、終點(diǎn)500kV變電站、500kV高抗站、海纜首端終端站、海纜末端終端站、起點(diǎn)變電站－高抗站－海纜首端終端站架空線路、海底電纜、海纜末端終端站－終點(diǎn)500kV變電站架空線路。

根據(jù)上述方案示意圖，可基于ATP平臺(tái)搭建混合系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

圖1 架空線-海纜混合系統(tǒng)仿真模型

1.3 仿真參數(shù)設(shè)置

1）電源參數(shù)。

暫時(shí)過電壓水平與系統(tǒng)中等效電源阻抗有關(guān)，本節(jié)仿真中電源采用理想電壓源與序阻抗串聯(lián)模型。系統(tǒng)兩側(cè)電源等值阻抗參數(shù)如表1所示。

表1 電源等值阻抗Ω

仿真計(jì)算中，搭建包含系統(tǒng)各部分的仿真模型。在此基礎(chǔ)上接入BPA等值參數(shù)?；诙嗄瓿绷鲾?shù)據(jù)，考慮較嚴(yán)重情況，電源電壓取不同系統(tǒng)運(yùn)行方式下最高電壓540kV。

2）電纜參數(shù)設(shè)置。

電纜參數(shù)如表2所示，終端對(duì)地電容取0.001μF。

表2 海纜仿真模型有效性驗(yàn)證

3）系統(tǒng)無功補(bǔ)償。

仿真分析中將在起點(diǎn)變電站裝設(shè)1組90Mvar高抗，高抗站裝設(shè)2組180Mvar高抗，終點(diǎn)變電站裝設(shè)2組180Mvar高抗，線路高抗補(bǔ)償度約91.8%。

2 暫時(shí)過電壓分布規(guī)律

2.1 容升效應(yīng)過電壓分布規(guī)律

為研究空載線路容升效應(yīng)，選取不同的高抗配置方案如表3所示，方案1、方案2、方案3為配置了補(bǔ)償高抗，方案4無高抗。

表3 高抗配置方案

起點(diǎn)線路較長，海纜容升效應(yīng)更為明顯，仿真中設(shè)置起點(diǎn)線路及海纜接入，終點(diǎn)變電站斷路器斷開。海纜不同位置的過電壓波形如圖2所示，沿線各點(diǎn)過電壓幅值較為接近。

圖2 空載電纜的電容效應(yīng)

不同高抗配置方案下，海纜工頻過電壓升高情況如表4所示。

表4 不同高抗配置方案下工頻電壓升高情況pu

仿真結(jié)果表明，配置補(bǔ)償高抗時(shí)，系統(tǒng)容升效應(yīng)不明顯，高抗補(bǔ)償度越高，容升過電壓水平越低。無高抗補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)容升過電壓水平大幅上升。

2.2 無故障及接地故障甩負(fù)荷過電壓

甩負(fù)荷工況主要包括無故障甩負(fù)荷、單相接地故障甩負(fù)荷、兩相接地故障甩負(fù)荷等類型，其中單相接地故障甩負(fù)荷較為常見。本節(jié)將針對(duì)起點(diǎn)線路發(fā)生單相接地故障，三相斷路器跳閘開展工頻過電壓分布規(guī)律分析。

故障相電壓越接近峰值時(shí)發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓幅值越高，故障點(diǎn)暫態(tài)過電流也越大。設(shè)置起點(diǎn)線路在A相電壓達(dá)到峰值時(shí)發(fā)生單相接地故障，接地電阻取30Ω（弧道電阻15Ω，桿塔接地電阻15Ω），經(jīng)繼電保護(hù)響應(yīng)時(shí)間（0.1s）后，終點(diǎn)變電站斷路器跳閘。單相接地故障海纜末端過電壓分布如圖3所示。

圖3 單相接地故障海纜末端過電壓波形

發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作，斷路器分閘，系統(tǒng)穩(wěn)定后，接地相電壓幅值較低，未接地相幅值較高，B相電壓幅值最高。海纜沿線B相過電壓分布情況如圖4所示。

圖4 海纜沿線B相過電壓波形

沿線工頻過電壓幅值基本一致，無明顯差異，如表5所示。

表5 單相接地甩負(fù)荷海纜沿線過電壓幅值

工頻過電壓倍數(shù)見圖5。

圖5 單相接地甩負(fù)荷海纜沿線過電壓幅值

2.3 諧振過電壓

在線路高抗中性點(diǎn)裝設(shè)小電抗的目的主要有2個(gè)：1）抑制線路諧振過電壓；2）控制潛供電流。不同高抗及小電抗配置時(shí)，系統(tǒng)諧振情況如圖6所示。

圖6 諧振過電壓計(jì)算結(jié)果曲線

圖6中：X為小電抗值。仿真計(jì)算結(jié)果曲線表明，若高抗中性點(diǎn)不裝設(shè)小電抗（或退出運(yùn)行），高抗補(bǔ)償容量在850MVar左右時(shí)，聯(lián)網(wǎng)線路上會(huì)產(chǎn)生較高的諧振過電壓；當(dāng)高抗站每組高抗中性點(diǎn)裝設(shè)100 Ω的小電抗時(shí)，可獲得相對(duì)較好的抑制諧振過電壓的效果，且該小電抗值對(duì)高抗容量及海底電纜長度等敏感性因素具有較好的適應(yīng)性。

集中裝設(shè)中性點(diǎn)小電抗后，諧振過電壓較小，對(duì)系統(tǒng)不構(gòu)成威脅。

3 暫時(shí)過電壓影響因素分析

3.1 系統(tǒng)開斷點(diǎn)

基于仿真模型，分別計(jì)算無故障甩負(fù)荷（k（0））、單相接地甩負(fù)荷（k（1））、兩相接地甩負(fù)荷（k（2））情況下的工頻過電壓幅值，弧道電阻取為15Ω。

1）當(dāng)起點(diǎn)斷路器斷開時(shí)，工頻過電壓計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 起點(diǎn)斷路器斷開時(shí)工頻過電壓計(jì)算結(jié)果pu

距終點(diǎn)變電站越遠(yuǎn)過電壓幅值越高，單相接地甩負(fù)荷與兩相接地甩負(fù)荷過電壓幅值無明顯差異，無故障甩負(fù)荷過電壓水平較低。

2）當(dāng)高抗站斷路器斷開時(shí)，工頻過電壓計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 高抗站斷路器斷開時(shí)工頻過電壓計(jì)算結(jié)果pu

海纜上過電壓水平較低，高抗站遠(yuǎn)離兩端電源，過電壓水平較高。

3）當(dāng)終點(diǎn)變電站斷路器斷開時(shí)，工頻過電壓計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 終點(diǎn)變電站斷路器斷開工頻過電壓計(jì)算結(jié)果pu

終點(diǎn)變電站斷路器斷開時(shí)，幾乎全部的海纜及架空線路仍連接在系統(tǒng)中，同時(shí)終點(diǎn)變電站的高抗退出運(yùn)行，不對(duì)稱接地故障下，系統(tǒng)工頻過電壓水平大幅上升。海纜通過架空線連接斷路器，斷路器動(dòng)作時(shí)海纜上工頻過電壓水平低于系統(tǒng)中最嚴(yán)重點(diǎn)。不對(duì)稱接地故障工況下，海纜-架空線系統(tǒng)海纜上最大工頻過電壓值為1.33pu，架空線上最大工頻過電壓值為1.35pu。

3.2 系統(tǒng)無功配置方案

高抗配置方案如表3所示，不同高抗配置方案下，海纜系統(tǒng)暫時(shí)過電壓分布如表9所示。

表9 不同高抗配置方案下工頻過電壓計(jì)算結(jié)果pu

無高抗時(shí)，系統(tǒng)暫時(shí)過電壓較大，超過了1.4 pu。進(jìn)行高抗補(bǔ)償后，暫時(shí)過電壓水平降到了允許時(shí)，補(bǔ)償方案1的過電壓水平較低，海纜上的最大暫態(tài)過電壓值為1.33pu，架空線上的最大過電壓值為1.35pu。從限制暫時(shí)過電壓的角度考慮，架空線-海纜系統(tǒng)必須進(jìn)行高抗配置，高抗補(bǔ)償容量越大，系統(tǒng)暫時(shí)過電壓水平越低。

此外，為避免無功潮流的大幅流動(dòng)，架空線-海纜系統(tǒng)沿線各站點(diǎn)的充電功率應(yīng)盡量就地平衡。從均衡海底電纜兩端無功電流、充分利用海底電纜通流能力考慮，海底電纜兩端的感性補(bǔ)償容量應(yīng)盡量對(duì)稱。

綜合上述因素，建議架空線-海纜采用高補(bǔ)償度的高抗配置方案1，系統(tǒng)暫時(shí)過電壓水平較低，在任1組高抗退出運(yùn)行的條件下，其線路最大工頻過電壓仍維持在1.4pu以下，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)線路充電功率的就地補(bǔ)償。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

為分析系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)工頻過電壓影響，對(duì)終點(diǎn)變電站斷路器斷開工況下夏大和冬小運(yùn)行方式下的工頻過電壓情況進(jìn)行分析。工頻過電壓計(jì)算結(jié)果如表10所示。

表10 不同運(yùn)行方式下過電壓計(jì)算結(jié)果pu

不同運(yùn)行方式下，相同故障條件引起的工頻過電壓幅值基本相同，其原因在于兩種運(yùn)行方式下電源參數(shù)相差較小，對(duì)工頻過電壓影響基本可以忽略。

3.4 電纜長度

為分析電纜長度的影響，選取10km、20km、30 km、40km、50km海纜進(jìn)行分析。由于海纜電容較大，海纜長度的改變顯著影響系統(tǒng)充電功率，高抗配置方案需進(jìn)行同步修正。研究中選取電弧電阻為15 Ω，終點(diǎn)變電站斷路器斷開，計(jì)算結(jié)果如表11所示。

圖7 操作過電壓隨海纜長度變化特性

表11 不同長度海纜系統(tǒng)工頻過電壓計(jì)算結(jié)果

由表11可知，系統(tǒng)工頻過電壓幅值隨著海纜長度的增加而增大。詳見圖7。

3.5 架空線長度

不同架空線長度下海纜上暫時(shí)過電壓幅值如表12所示。表中架空線長度為海纜起點(diǎn)至變電站的距離。

表12 不同架空線長度工頻過電壓值

仿真計(jì)算結(jié)果表明，隨著架空線長度的增加，海纜上暫時(shí)過電壓幅值增大。

4 結(jié)語

本文建立了架空線-海纜混合系統(tǒng)的暫時(shí)過電壓仿真模型，對(duì)空載長線的電容效應(yīng)、接地故障甩負(fù)荷、諧振過電壓等暫態(tài)過電壓原理進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了暫時(shí)過電壓的影響因素，研究結(jié)論如下：

1）配置補(bǔ)償高抗時(shí)，系統(tǒng)容升效應(yīng)不明顯，高抗補(bǔ)償度越高，容升過電壓水平越低，容升效應(yīng)過電壓小于1.05pu。無補(bǔ)償高抗時(shí)，系統(tǒng)容升過電壓水平大幅上升至1.14pu；

2）單相接地故障甩負(fù)荷及兩相接地故障甩負(fù)荷過電壓較高，超過了1.3pu，無故障甩負(fù)荷過電壓值較??；

3）若高抗中性點(diǎn)不裝設(shè)小電抗（或小電抗退出運(yùn)行），高抗補(bǔ)償容量在850MVar左右時(shí)，聯(lián)網(wǎng)線路上會(huì)產(chǎn)生較高的諧振過電壓；當(dāng)高抗站每組高抗中性點(diǎn)裝設(shè)100Ω的小電抗時(shí)，可獲得相對(duì)較好的抑制諧振過電壓的效果；

4）暫時(shí)過電壓中接地故障甩負(fù)荷過電壓值最大，是需要重點(diǎn)考慮的暫時(shí)過電壓類型。海纜沿線暫時(shí)過電壓幅值基本一致。本研究建立的架空線-海纜系統(tǒng)的工頻過電壓水平為1.35pu，考慮1.15倍的安全系數(shù)，電纜要求耐受電壓值為464kV；

5）暫時(shí)過電壓受系統(tǒng)補(bǔ)償方案、運(yùn)行方式、電纜類型及長度、架空線長度、海纜相間距等因素的影響。研究結(jié)果表明：無高抗時(shí)，系統(tǒng)暫時(shí)過電壓較大，超過了1.4pu。進(jìn)行高抗補(bǔ)償后，暫時(shí)過電壓水平降低至允許值范圍內(nèi)，從限制暫時(shí)過電壓的角度考慮，架空線-海纜系統(tǒng)必須進(jìn)行高抗配置，高抗補(bǔ)償容量越大，系統(tǒng)暫時(shí)過電壓水平越低；運(yùn)行方式對(duì)暫時(shí)過電壓幅值影響較?。籜LPE電纜暫時(shí)過電壓水平低于SCOF電纜；暫時(shí)過電壓隨著電纜長度及架空線長度的增加而增大；海纜相間距對(duì)暫時(shí)過電壓影響較小。