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(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

目前，大容量地下輸電技術(shù)在城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。500 kV電纜線(xiàn)路在城市電網(wǎng)中已十分常見(jiàn)。氣體絕緣金屬封閉輸電線(xiàn)路(Gas-insulated Metal Closed Transmission Line，簡(jiǎn)稱(chēng)GIL)是一種采用SF6或其他氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸布置的電力傳輸設(shè)備，具有傳輸容量大、占地少、單位損耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，也得到較為廣泛的應(yīng)用并處于應(yīng)用推廣階段[1]。高電壓、長(zhǎng)距離地下輸電線(xiàn)路的對(duì)地電容和充電功率很大，會(huì)引起電網(wǎng)運(yùn)行電壓升高，對(duì)城市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，并對(duì)過(guò)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(guò)電壓的情況有很多種，對(duì)于500 kV電纜和GIL線(xiàn)路，一般空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓和空載線(xiàn)路分閘重燃過(guò)電壓最為嚴(yán)重，因此本文只討論這兩種操作過(guò)電壓形式，分別對(duì)500 kV電纜和GIL進(jìn)行仿真計(jì)算和比較分析，并提出抑制操作過(guò)電壓的建議與措施。

1 操作過(guò)電壓下的絕緣配合原則

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

國(guó)內(nèi)關(guān)于絕緣配合方面的標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)稱(chēng)“GB 311.1”)、GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GB/T 50064”)和DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DL/T 620”)。GB 311.1規(guī)定，對(duì)于非自恢復(fù)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(guò)電壓(即可接受的接近于設(shè)備安裝點(diǎn)的預(yù)期最大過(guò)電壓)與耐受電壓之間，按設(shè)備制造和電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選取適宜的配合系數(shù)。

DL/T 620規(guī)定，500 kV操作過(guò)電壓基準(zhǔn)值為449.07 kV。DL/T 620中4.2.1條指出，空載線(xiàn)路合閘時(shí)，線(xiàn)路電感-電容的振蕩將產(chǎn)生合閘過(guò)電壓。在線(xiàn)路重合閘時(shí)，由于電源電勢(shì)較高以及線(xiàn)路上殘余電荷的存在，加劇了電磁振蕩過(guò)程，使過(guò)電壓進(jìn)一步提高?？蛰d線(xiàn)路合閘、單相重合閘和成功的三相重合閘(如果運(yùn)行中使用)，在線(xiàn)路上產(chǎn)生的相對(duì)地統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓，對(duì)于500 kV系統(tǒng)不宜大于2.0(標(biāo)幺值)。但對(duì)于空載線(xiàn)路分閘重燃過(guò)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(duì)地電壓1 050 kV、相間電壓1 675 kV和相對(duì)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(duì)地電壓1 050 kV、相間電壓1 760 kV和相對(duì)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(duì)地耐受電壓與GB 311.1和DL/T 620相同，但相間與相對(duì)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(guò)電壓乘以相應(yīng)的配合因數(shù)KC。KC是根據(jù)我國(guó)的長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并綜合考慮了諸多因數(shù)，如絕緣類(lèi)型及其特性、外絕緣大氣條件修正因數(shù)、安全因數(shù)(設(shè)備生產(chǎn)、裝配的分散性、安裝質(zhì)量、絕緣老化等)、快波前過(guò)電壓時(shí)避雷器和被保護(hù)設(shè)備間的距離效應(yīng)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(shè)備操作沖擊耐受電壓為相對(duì)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(guò)電壓水平為相對(duì)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(biāo)幺值分別是相對(duì)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(dú)立的絕緣屏蔽，一般不存在相間絕緣問(wèn)題，本文根據(jù)實(shí)際線(xiàn)路絕緣水平設(shè)計(jì)以及電纜的絕緣結(jié)構(gòu)，在分析計(jì)算時(shí)對(duì)500 kV系統(tǒng)采用以下絕緣水平：相對(duì)地操作過(guò)電壓不超過(guò)2.0(標(biāo)幺值)，斷口操作過(guò)電壓不超過(guò)2.9(標(biāo)幺值)。

2 500 kV地下線(xiàn)路典型參數(shù)

2.1 500 kV電纜和GIL基本結(jié)構(gòu)

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

圖1 500 kV交聯(lián)電纜典型結(jié)構(gòu)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(jí)一般采用單相分箱型式。GIL為同軸圓柱結(jié)構(gòu)，由中心導(dǎo)體、絕緣子、外殼及外殼與導(dǎo)體間的絕緣氣體構(gòu)成。一般導(dǎo)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(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 GIL結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 計(jì)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(xiàn)路一般采用2 500 mm2截面交聯(lián)電纜，導(dǎo)體外徑61.5 mm；導(dǎo)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(hù)套外徑158.4 mm；皺紋鋁護(hù)套厚度3.2 mm；外護(hù)套直徑(電纜外徑)170 mm；XLPE相對(duì)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(guó)內(nèi)廠(chǎng)家生產(chǎn)的GIL產(chǎn)品，500 kV GIL典型參數(shù)：截面2 500 mm2；導(dǎo)體外徑140 mm；導(dǎo)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(duì)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(guò)電壓計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

(1)采用ATP-EMTP(55版)程序進(jìn)行操作過(guò)電壓計(jì)算。

(2)考慮到500 kV電纜(2 500 mm2截面)的輸送容量約170萬(wàn)kVA，500 kV GIL的輸送容量一般可達(dá)340～430萬(wàn)kVA。為使500 kV電纜線(xiàn)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(guó)內(nèi)典型大城市電網(wǎng)運(yùn)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(jìn)行等值。

(4)參照國(guó)內(nèi)典型大城市電網(wǎng)500 kV電纜運(yùn)行實(shí)際，按電纜與GIL長(zhǎng)度分別為15 km和20 km計(jì)算分析操作過(guò)電壓情況，電纜按PI模型、集中參數(shù)進(jìn)行模擬，分為6～8段、每段2.5 km開(kāi)展仿真計(jì)算。

(5)考慮在變電站500 kV母線(xiàn)和線(xiàn)路首末端均加裝避雷器，避雷器型號(hào)采用Y20W-444/1106，參數(shù)參照國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家的該型號(hào)避雷器典型技術(shù)參數(shù)。

3.2 空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓

電纜線(xiàn)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(xiàn)路合閘過(guò)電壓只計(jì)算正常有計(jì)劃的合閘操作，即合閘后，線(xiàn)路各點(diǎn)電壓由零值過(guò)渡到考慮電容效應(yīng)后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值的過(guò)程中出現(xiàn)的合閘過(guò)電壓。在計(jì)算空載線(xiàn)路合閘操作過(guò)電壓時(shí)，考慮斷路器隨機(jī)合閘100次，取每次合閘三相中最高的過(guò)電壓值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記錄100次操作中出現(xiàn)概率為2%的過(guò)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(shí)差在5 ms以?xún)?nèi)。電纜線(xiàn)路和GIL中部均不會(huì)發(fā)生相間絕緣擊穿，因此僅計(jì)算相對(duì)地過(guò)電壓統(tǒng)計(jì)值。線(xiàn)路長(zhǎng)度分別為15 km和20 km的雙拼電纜和GIL空載合閘統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓情況如表1所示。在表1中，統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓(2%)為100次操作中出現(xiàn)概率不超過(guò)2%的過(guò)電壓值，統(tǒng)計(jì)最高過(guò)電壓為100次操作中出現(xiàn)的最高過(guò)電壓值。

表1 空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓統(tǒng)計(jì)值(標(biāo)幺值)

從表1可見(jiàn)，線(xiàn)路長(zhǎng)度為15 km和20 km的雙拼2 500 mm2截面電纜與GIL，在線(xiàn)路的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓值均能夠控制在2.0(標(biāo)幺值)的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。雙拼電纜和GIL的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓值和變化趨勢(shì)較為接近，均呈現(xiàn)線(xiàn)路首端最低、末端最高的特點(diǎn)，其中線(xiàn)路首端GIL的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓低于雙拼電纜，在線(xiàn)路中間和線(xiàn)路末端二者的計(jì)算結(jié)果非常接近。長(zhǎng)度為20 km的雙拼電纜和GIL的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓值與15 km線(xiàn)路非常接近，總體略高于15 km線(xiàn)路的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓值。

3.3 空載線(xiàn)路分閘重燃過(guò)電壓

如斷路器不發(fā)生重燃，空載線(xiàn)路分閘時(shí)系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)操作過(guò)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(guò)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(guò)電壓情況。在仿真計(jì)算中，假設(shè)斷路器一相在端口電壓最大時(shí)發(fā)生重燃，并在該相電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄弧。因電纜和GIL中部均不會(huì)發(fā)生相間絕緣擊穿，僅計(jì)算母線(xiàn)、線(xiàn)路相對(duì)地過(guò)電壓值以及斷路器斷口的過(guò)電壓值。500 kV系統(tǒng)的相對(duì)地操作過(guò)電壓不宜大于2.0(標(biāo)幺值)，斷路器斷口的操作過(guò)電壓控制水平按照不大于2.9(標(biāo)幺值)控制。

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

表2 分閘空載線(xiàn)路重燃過(guò)電壓(標(biāo)幺值，不配置線(xiàn)路并聯(lián)高抗)

從表2可見(jiàn)，長(zhǎng)度為15 km和20 km的雙拼電纜和GIL的斷路器斷口過(guò)電壓均能夠控制在2.9(標(biāo)幺值)的范圍內(nèi)，但母線(xiàn)和線(xiàn)路的相對(duì)地過(guò)電壓均超過(guò)2.0(標(biāo)幺值)的控制標(biāo)準(zhǔn)?？傮w看來(lái)，線(xiàn)路長(zhǎng)度相同時(shí)雙拼電纜的母線(xiàn)、線(xiàn)路首末端和斷口過(guò)電壓均高于GIL，但GIL的線(xiàn)路中間過(guò)電壓高于雙拼電纜。長(zhǎng)度為20 km的雙拼電纜和GIL的過(guò)電壓水平高于15 km同類(lèi)型線(xiàn)路。

各線(xiàn)路的分閘重燃操作過(guò)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(guò)電壓波形圖

為防止斷路器重燃對(duì)設(shè)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(xiàn)路并聯(lián)高壓電抗器，可以使線(xiàn)路上的殘余電荷產(chǎn)生衰減振蕩，降低斷路器斷口的恢復(fù)電壓上升速度，大幅減少重燃的可能性，降低高幅值過(guò)電壓的發(fā)生概率。

(2)配置線(xiàn)路并聯(lián)高壓電抗器。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)(電氣一次部分)》，線(xiàn)路并聯(lián)電抗器容量一般按補(bǔ)償度40%～80%選取，本文按線(xiàn)路充電功率的80%確定并聯(lián)電抗器容量。考慮配置線(xiàn)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(xiàn)路時(shí)斷路器斷口過(guò)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(guò)電壓波形圖

從圖4可見(jiàn)，配置線(xiàn)路并聯(lián)高壓電抗器后斷路器斷口的恢復(fù)電壓上升速度變緩，有利于斷口間滅弧介質(zhì)的絕緣恢復(fù)，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(shè)備絕緣的過(guò)電壓水平。同型號(hào)線(xiàn)路在不配置并聯(lián)高壓電抗器情況下，分閘空載線(xiàn)路時(shí)的斷路器斷口過(guò)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(guò)電壓波形圖

對(duì)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(fù)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(guò)電壓波形圖比較(不考慮斷路器重燃)

從圖6可見(jiàn)，雖然配置并聯(lián)高壓電抗器后的斷路器斷口最高過(guò)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(fù)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(duì)于雙拼電纜和GIL，通過(guò)配置線(xiàn)路并聯(lián)高壓電抗器能夠有效抑制分閘線(xiàn)路操作過(guò)電壓。GIL充電功率遠(yuǎn)小于雙拼電纜線(xiàn)路，在相同補(bǔ)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(xiàn)路長(zhǎng)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(yǔ)

(1)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，500 kV地下輸電線(xiàn)路可采用以下絕緣水平：相對(duì)地操作過(guò)電壓不超過(guò)2.0(標(biāo)幺值)，斷口操作過(guò)電壓不超過(guò)2.9(標(biāo)幺值)，相間操作過(guò)電壓不作要求。

(2)考慮在變電站500 kV母線(xiàn)和線(xiàn)路首末端均加裝避雷器，線(xiàn)路長(zhǎng)度為15，20 km的500 kV雙拼2 500 mm2截面電纜與GIL的空載線(xiàn)路合閘的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓值均能夠控制在2.0 (標(biāo)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(xiàn)和線(xiàn)路首末端均配置避雷器的情況下，線(xiàn)路長(zhǎng)度為15，20 km的雙拼電纜和GIL的母線(xiàn)和線(xiàn)路的相對(duì)地分閘重燃操作過(guò)電壓均超過(guò)2.0 (標(biāo)幺值)的控制標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來(lái)看，線(xiàn)路長(zhǎng)度相同的雙拼電纜的操作過(guò)電壓略高于GIL。

(4)為控制分閘空載線(xiàn)路重燃過(guò)電壓，配置線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路。