0  引言

    柔性直流輸電是當前的熱點課題。隨著國內(nèi)多項柔性直流工程的順利投運，柔性直流輸電技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。得益于供電容量大、線路損耗小、可以閉環(huán)運行、利于分布電源并網(wǎng)等諸多優(yōu)點，我國正加速對柔性直流配電網(wǎng)的研究^[1-2]。

    過電壓與絕緣配合是直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而目前尚無配套的規(guī)程規(guī)范，相關(guān)研究還很不足。有大量文獻進行了交流電網(wǎng)架空輸電線路和電纜線路的過電壓仿真分析，可作為絕緣配合的基礎(chǔ)^[3-6]，不過直流電網(wǎng)的對應(yīng)研究現(xiàn)有報道。結(jié)合深圳±10 kV多端直流配電示范工程，深圳供電局有限公司和華南理工大學(xué)進行了過電壓和絕緣配合的研究，提出了避雷器保護水平和設(shè)備絕緣水平的推薦數(shù)值，為工程設(shè)計提供了依據(jù)^[7-8]。然而，鑒于直流工程的特殊性，其研究結(jié)果難以直接應(yīng)用于其他相似工程。一套適應(yīng)現(xiàn)行規(guī)范、易于設(shè)計接受的絕緣配合方法具有重要工程意義。

    以張北交直流配電網(wǎng)示范工程為背景，本文分析了工程應(yīng)對的過電壓類型，參照避雷器標準和廠家制造水平，確定了避雷器參數(shù)和配置方案；在此基礎(chǔ)上，提出交直流配電網(wǎng)的絕緣配合方案，確定關(guān)鍵設(shè)備的絕緣水平。上述研究可為示范工程設(shè)計提供參考。

1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行方式

1.1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    示范工程位于張家口市張北縣，建設(shè)10 kV小二臺柔性變電站和直流光伏升壓站，工程概況如圖1所示。

    本工程包括4個電壓等級：交流10 kV，直流±10 kV，直流±375 V，交流380 V。

    交流10 kV正常運行時為諧振接地系統(tǒng)，在云計算站經(jīng)接地變和消弧線圈接地，當發(fā)生直流單極故障時，將消弧線圈短路，轉(zhuǎn)為電阻接地方式，從而切除直流故障線路。

    直流±10 kV采用不接地方式，不設(shè)換流變，正常運行時通過交流10 kV得到參考電位。

    直流±375 V系統(tǒng)不接地，通過380 V側(cè)中性點接地得到參考電位。

    交流380 V側(cè)由變壓器中性點直接接地，并且引出獨立的N線和PE線，形成TN-S系統(tǒng)。

    由于低壓側(cè)電壓等級低，絕緣易于實現(xiàn)且本身裕度較大，同時，低壓側(cè)不會直接遭受雷電過電壓。基于以上考慮，絕緣配合的重點集中于高壓側(cè)，即交流10 kV和直流±10 kV系統(tǒng)。

1.2  系統(tǒng)運行方式及繼電保護配置

    暫時過電壓與系統(tǒng)接地方式有關(guān)，其持續(xù)時間受運行方式及保護策略影響。經(jīng)過獨立的專題論證，本工程在交流單相和直流單極接地故障后的保護動作方式如下：

    （1）10 kV交流側(cè)發(fā)生單相接地，按照配電規(guī)程，系統(tǒng)允許繼續(xù)運行2小時。保護裝置發(fā)單相接地信號，開關(guān)不跳閘。此時消弧線圈投入，將電容電流補償至10 A以下，可以有效避免間歇性弧光接地過電壓。由于未設(shè)置換流變，±10 kV直流系統(tǒng)電壓畸變明顯，保護動作于柔性變壓器直流側(cè)開關(guān)跳閘，將直流線路切除，動作時間小于10 s。

    （2）±10 kV直流側(cè)單極接地時，保護動作，柔性變壓器直流側(cè)開關(guān)跳閘，隔離故障，動作時間小于10 s。

2  過電壓分析

2.1  雷電過電壓

    交流10 kV線路為全電纜線路，不考慮直擊雷，雷電反擊電纜的可能性極小，采取常規(guī)10 kV系統(tǒng)防雷設(shè)計，無需特殊措施。

    ±10 kV采用架空絕緣線，需要考慮雷擊的影響。同時，架空絕緣導(dǎo)線遭受雷電過電壓導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)時，相間電力電弧可能使絕緣導(dǎo)線熔斷，需采用防弧金具、有串聯(lián)間隙的線路避雷器等防護措施。

    變電所的直擊雷防護采用避雷針，與常規(guī)工程相同。雷電侵入波的主要防護措施為裝設(shè)于線路側(cè)和母線上的避雷器，避雷器參數(shù)及配置在第3節(jié)做詳細分析。

2.2  操作過電壓

    根據(jù)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》，范圍I（最高運行電壓為252 kV及以下）線路合閘和重合閘過電壓一般不超過3.0 p.u.，通常無需采取限制措施^[9]。帶入工程拓撲，經(jīng)過系統(tǒng)專業(yè)仿真計算，發(fā)現(xiàn)本工程并無特殊的操作過電壓形態(tài)。所以，避雷器參數(shù)選擇主要考慮雷電過電壓保護。

2.3  暫時過電壓

    由于本工程交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)間未設(shè)置換流變壓器，交流單相接地、直流單極接地后產(chǎn)生的電壓偏置會傳遞至對側(cè)系統(tǒng)，以10 kV和±10 kV的聯(lián)系較為重要，分析結(jié)果如下：

    （1）交流單相接地，本側(cè)相電壓升高倍，系統(tǒng)中性點出現(xiàn)有效值為6.928 kV的交流電壓偏置，傳遞至直流±10 kV系統(tǒng)。其中，交流側(cè)取系統(tǒng)最高電壓12 kV，直流側(cè)取±11 kV，峰值可達20.798 kV。計算過程見式（1）。

    （2）直流單極接地，將產(chǎn)生直流偏置傳遞至交流系統(tǒng)。取兩側(cè)系統(tǒng)的最高電壓，交流側(cè)電壓峰值可達20.798 kV，計算過程同式（1）。

    由交流單相接地、直流單極接地產(chǎn)生暫時過電壓，選擇避雷器參數(shù)時應(yīng)注意在上述過電壓情況下避雷器不動作。

3  避雷器的選擇和配置

3.1  避雷器參數(shù)選擇

    參考GB 11032-2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》^[10]和GB 22389-2008《高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則》^[11]，結(jié)合工程情況，建議的避雷器參數(shù)如表1和表2所示。

    交流避雷器參數(shù)與常規(guī)10 kV系統(tǒng)使用的避雷器相同，無需特殊訂制。

    直流避雷器承受長期的直流電壓，且換流閥的直流側(cè)配置電容，在操作過電壓時通過避雷器泄放的能量較大，需要保證其方波能量值滿足要求。

    直流±375 V系統(tǒng)配置直流避雷器，可選擇成熟產(chǎn)品，額定電壓為1 kV，標稱放電電流下殘壓2.4 kV。

    交流380 V系統(tǒng)配置浪涌保護器，可采用常規(guī)低壓設(shè)備。

3.2  避雷器配置

    參考常規(guī)10 kV變電站的避雷器配置方式，本工程在高壓側(cè)（交流10 kV和直流±10 kV）母線和出線處均配置避雷器。為了防止傳遞過電壓，于低壓側(cè)（直流±375 V和交流380 V）母線配置避雷器或過電壓保護器。配置方案如圖2所示。

4  絕緣配合

    考慮所采用的過電壓保護措施后，決定設(shè)備上可能的作用電壓，并根據(jù)設(shè)備的絕緣特性及可能影響絕緣特性的因素，從安全運行和技術(shù)經(jīng)濟合理性兩方面確定設(shè)備的絕緣強度。本文將從空氣間隙、絕緣子、電氣設(shè)備3個方面討論本工程的絕緣配合方案。

4.1  空氣間隙

    小二臺10 kV柔性變電站和光伏直流升壓站均為全戶內(nèi)站，采用封閉母線橋和電力電纜連接開關(guān)柜等電氣設(shè)備，應(yīng)注意在電纜終端處滿足電氣要求的安全凈距。相比于雷電沖擊過電壓，直流運行電壓不起決定作用。本站選用了雷電沖擊殘壓45 kV的避雷器，與空氣間隙絕緣做配合，所以，10 kV及±10 kV側(cè)仍可以采用DL/T 5352-2006《高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中的安全凈距^[12]。

4.2  絕緣子

    本工程包括小二臺柔性變電站和光伏直流升壓站，均為全戶內(nèi)站，站內(nèi)絕緣子處于清潔干燥環(huán)境中，可以不考慮運行電壓下的干弧閃絡(luò)，對絕緣子爬電距離要求很低。所以，運行電壓不作為絕緣配合的決定因素，控制因素為絕緣子結(jié)構(gòu)高度對應(yīng)空氣間隙的擊穿電壓。因為本站選用雷電沖擊殘壓45 kV的避雷器，與常規(guī)工程一致，配置標準的交流10 kV絕緣子可以滿足交流和直流高壓側(cè)的電氣絕緣要求。

    10 kV交流部分為電纜線路，戶外絕緣子應(yīng)用于±10 kV直流線路，控制因素為污穢狀態(tài)下的爬電距離。參考Q/GDW 1152.2-2014《電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標準 第2部分：直流系統(tǒng)》^[13]，工程所在環(huán)境接近示例E3，對應(yīng)的現(xiàn)場污穢度分級為C中，統(tǒng)一爬電比距選擇C級上限69 mm/kV，電壓選擇系統(tǒng)最高運行電壓11 kV，線路絕緣子串爬電距離L要求如式（2）：

    絕緣子型號和片數(shù)應(yīng)滿足爬電距離要求，同時考慮耐張串加零值等問題，結(jié)合工程現(xiàn)場情況做具體設(shè)計。

4.3  電氣設(shè)備

4.3.1  絕緣配合思路

    參考交流工程，電氣設(shè)備在運行電壓和各種過電壓下的絕緣配合方式如下：

    （1）設(shè)備的最高工作電壓應(yīng)高于系統(tǒng)的最高運行電壓，對于本工程，高壓交流設(shè)備能夠長期承受12 kV交流電壓，高壓直流設(shè)備能夠長期承受±11 kV直流電壓；

    （2）設(shè)備應(yīng)能承受一定幅值和時間的暫時過電壓，通過短時工頻耐受試驗得以體現(xiàn)；

    （3）以避雷器操作沖擊保護水平為基礎(chǔ)，采用習(xí)慣法確定設(shè)備的操作沖擊耐受水平，操作沖擊耐受電壓經(jīng)換算系數(shù)換算為短時工頻和雷電沖擊電壓進行試驗驗證；

    （4）電氣設(shè)備內(nèi)、外絕緣雷電沖擊絕緣水平，以避雷器雷電沖擊保護水平為基礎(chǔ)，采用習(xí)慣法確定，通過雷電沖擊試驗得以體現(xiàn)。

4.3.2  耐壓試驗方案

    根據(jù)上述絕緣配合思路，以核心設(shè)備柔性變壓器為例，設(shè)計的絕緣試驗方法如表3所示。

    表3中，交流10 kV端口和直流±10 kV端口為絕緣的重點。短時工頻35 kV和雷電沖擊75 kV可以保證設(shè)備絕緣滿足交流電壓、雷電沖擊、操作沖擊的要求。對于直流±10 kV端口，考慮直流運行電壓的特殊影響，增加短時直流和長時間直流耐壓試驗，原因如下：

    （1）參考短時（1 min）工頻耐壓的思路，更改電壓類型為直流，取值為35 kV有效值對應(yīng)的峰值，約50 kV；

    （2）交流系統(tǒng)單相接地后要求持續(xù)運行2小時，此時交流偏置會通過柔性變壓器疊加至直流端口，直流側(cè)電壓見式（1），在11 kV的直流電壓上疊加有效值約6.9 kV的交流電壓，整體峰值接近21 kV?；谏鲜銮榫?，要求增加直流長時間（2 h）耐壓試驗，試驗電壓經(jīng)絕緣配合程序確定，選擇為25 kV，數(shù)值確定過程詳見本文第5節(jié)。

    以柔性變壓器的絕緣水平和耐壓試驗為標準，其他直流配電裝置可參照進行絕緣設(shè)計。

4.3.3  配合系數(shù)校驗

    參考GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》^[9]，進行雷電沖擊的配合系數(shù)校驗。10 kV和±10 kV電氣設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓75 kV，對應(yīng)的避雷器在標稱放電電流下的雷電殘壓均為45 kV，檢驗如下：

    滿足慣用法對雷電沖擊絕緣配合的要求。

5  討論

    結(jié)合工程特殊性，本文推薦的耐壓試驗方案中首次提出長時間直流耐壓試驗，需要對試驗電壓取值進行討論。參考GB 311.2-2013《絕緣配合 第2部分：使用導(dǎo)則》^[14]，配合過程如下：

    電壓類型為暫時過電壓，配合系數(shù)K_c=1.0；

    考慮服役壽命內(nèi)的絕緣老化，取安全系數(shù)，外絕緣K_s=1.05，內(nèi)絕緣K_s=1.15；

    海拔修正至1000m，僅對外絕緣有效，戶內(nèi)潔凈絕緣子q取1.0，則K_a=1.13；

    同一峰值的直流電壓比交直流混合電壓更嚴酷，保守設(shè)計，試驗換算系數(shù)K_tc=1.0。

    內(nèi)絕緣試驗要求：

    通過上述絕緣配合程序的計算，±10kV系統(tǒng)長時間直流耐壓試驗可取25kV。

6  結(jié)論

    基于張北交直流配電網(wǎng)示范工程，本文對過電壓保護與絕緣配合進行了分析，主要結(jié)論如下：

    （1）結(jié)合本工程的具體情況，雷電過電壓與暫時過電壓是絕緣的主要考核因素，應(yīng)采取避雷器保護和加強絕緣的防護措施。

    （2）提出交流避雷器和直流避雷器的參數(shù)要求和配置方案，并通過了絕緣配合的驗證，可以達到雷電過電壓防護要求。

    （3）本工程存在特殊的暫時過電壓，直流系統(tǒng)應(yīng)增加絕緣試驗方案，通過絕緣配合程序，驗證了試驗電壓取值的合理性。

    （4）鑒于柔性直流配網(wǎng)的特殊性，過電壓保護與絕緣配合應(yīng)結(jié)合工程實際具體分析，本文提出了一套分析思路，可為相似工程提供參考。

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作者信息:

楊朝翔，李紅建，張立斌，張金偉，謝景海，劉素伊

（國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100038）