柔性直流配電網的過電壓與絕緣配合

柔性直流輸電是當前的熱點課題。隨著國內多項柔性直流工程的順利投運，柔性直流輸電技術在越來越多的領域得以應用。得益於供電容量大、線路損耗小、可以閉環運行、利於分佈電源併網等諸多優點，我國正加速對柔性直流配電網的研究

與是直流配電網的關鍵技術之一，而目前尚無配套的規程規範，相關研究還很不足。有大量文獻進行了交流電網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^[3-6]，不過直流電網的對應研究現有報道。結合深圳±10 kV多端直流配電示範工程，深圳供電局有限公司和華南理工大學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備絕緣水平的推薦數值，為工程設計提供了依據^[7-8]。然而，鑑於直流工程的特殊性，其研究結果難以直接應用於其他相似工程。一套適應現行規範、易於設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示範工程為背景，本文分析了工程應對的過電壓類型，參照避雷器標準和廠家製造水平，確定了避雷器參數和配置方案；在此基礎上，提出交直流配電網的絕緣配合方案，確定關鍵設備的絕緣水平。上述研究可為示範工程設計提供參考。

1 系統結構及運行方式

1.1 系統結構

示範工程位於張家口市張北縣，建設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，在雲計算站經接地變和消弧線圈接地，當發生直流單極故障時，將消弧線圈短路，轉為電阻接地方式，從而切除直流故障線路。

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

直流±375 V系統不接地，通過380 V側中性點接地得到參考電位。

交流380 V側由變壓器中性點直接接地，並且引出獨立的N線和PE線，形成TN-S系統。

由於低壓側電壓等級低，絕緣易於實現且本身裕度較大，同時，低壓側不會直接遭受雷電過電壓。基於以上考慮，絕緣配合的重點集中於高壓側，即交流10 kV和直流±10 kV系統。

1.2 系統運行方式及繼電保護配置

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

（1）10 kV交流側發生單相接地，按照配電規程，系統允許繼續運行2小時。保護裝置發單相接地信號，開關不跳閘。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。由於未設置換流變，±10 kV直流系統電壓畸變明顯，保護動作於柔性變壓器直流側開關跳閘，將直流線路切除，動作時間小於10 s。

（2）±10 kV直流側單極接地時，保護動作，柔性變壓器直流側開關跳閘，隔離故障，動作時間小於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，採取常規10 kV系統防雷設計，無需特殊措施。

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

變電所的直擊雷防護採用避雷針，與常規工程相同。雷電侵入波的主要防護措施為裝設於線路側和母線上的避雷器，避雷器參數及配置在第3節做詳細分析。

2.2 操作過電壓

根據GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規範》，範圍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.，通常無需採取限制措施^[9]。帶入工程拓撲，經過系統專業仿真計算，發現本工程並無特殊的操作過電壓形態。所以，避雷器參數選擇主要考慮雷電過電壓保護。

2.3 暫時過電壓

由於本工程交流系統和直流系統間未設置換流變壓器，交流單相接地、直流單極接地後產生的電壓偏置會傳遞至對側系統，以10 kV和±10 kV的聯繫較為重要，分析結果如下：

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

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

由交流單相接地、直流單極接地產生暫時過電壓，選擇避雷器參數時應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則》^[11]，結合工程情況，建議的避雷器參數如表1和表2所示。

交流避雷器參數與常規10 kV系統使用的避雷器相同，無需特殊訂製。

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

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

交流380 V系統配置浪湧保護器，可採用常規低壓設備。

3.2 避雷器配置

參考常規10 kV變電站的避雷器配置方式，本工程在高壓側（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，於低壓側（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

考慮所採用的過電壓保護措施後，決定設備上可能的作用電壓，並根據設備的絕緣特性及可能影響絕緣特性的因素，從安全運行和技術經濟合理性兩方面確定設備的絕緣強度。本文將從空氣間隙、絕緣子、電氣設備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站，採用封閉母線橋和電力電纜連接開關櫃等電氣設備，應注意在電纜終端處滿足電氣要求的安全淨距。相比於雷電衝擊過電壓，直流運行電壓不起決定作用。本站選用了雷電衝擊殘壓45 kV的避雷器，與空氣間隙絕緣做配合，所以，10 kV及±10 kV側仍可以採用DL/T 5352-2006《高壓配電裝置設計技術規程》中的安全淨距^[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，均為全戶內站，站內絕緣子處於清潔乾燥環境中，可以不考慮運行電壓下的幹弧閃絡，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構高度對應空氣間隙的擊穿電壓。因為本站選用雷電衝擊殘壓45 kV的避雷器，與常規工程一致，配置標準的交流10 kV絕緣子可以滿足交流和直流高壓側的電氣絕緣要求。

10 kV交流部分為電纜線路，戶外絕緣子應用於±10 kV直流線路，控制因素為汙穢狀態下的爬電距離。參考Q/GDW 1152.2-2014《電力系統汙區分級與外絕緣選擇標準 第2部分：直流系統》

絕緣子型號和片數應滿足爬電距離要求，同時考慮耐張串加零值等問題，結合工程現場情況做具體設計。

4.3 電氣設備

4.3.1 絕緣配合思路

參考交流工程，電氣設備在運行電壓和各種過電壓下的絕緣配合方式如下：

（1）設備的最高工作電壓應高於系統的最高運行電壓，對於本工程，高壓交流設備能夠長期承受12 kV交流電壓，高壓直流設備能夠長期承受±11 kV直流電壓；

（2）設備應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；

（3）以避雷器操作衝擊保護水平為基礎，採用習慣法確定設備的操作衝擊耐受水平，操作衝擊耐受電壓經換算係數換算為短時工頻和雷電衝擊電壓進行試驗驗證；

（4）電氣設備內、外絕緣雷電衝擊絕緣水平，以避雷器雷電衝擊保護水平為基礎，採用習慣法確定，通過雷電衝擊試驗得以體現。

4.3.2 耐壓試驗方案

根據上述絕緣配合思路，以核心設備柔性變壓器為例，設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和雷電衝擊75 kV可以保證設備絕緣滿足交流電壓、雷電衝擊、操作衝擊的要求。對於直流±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有效值對應的峰值，約50 kV；

（2）交流系統單相接地後要求持續運行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。基於上述情景，要求增加直流長時間（2 h）耐壓試驗，試驗電壓經絕緣配合程序確定，選擇為25 kV，數值確定過程詳見本文第5節。

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計。

4.3.3 配合係數校驗

參考GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規範》^[9]，進行雷電衝擊的配合係數校驗。10 kV和±10 kV電氣設備的雷電衝擊耐受電壓75 kV，對應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：

滿足慣用法對雷電衝擊絕緣配合的要求。

5 討論

結合工程特殊性，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：使用導則》^[14]，配合過程如下：

電壓類型為暫時過電壓，配合係數K_c=1.0；

考慮服役壽命內的絕緣老化，取安全係數，外絕緣K_s=1.05，內絕緣K_s=1.15；

海拔修正至1000m，僅對外絕緣有效，戶內潔淨絕緣子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，保守設計，試驗換算係數K_tc=1.0。

內絕緣試驗要求：

通過上述絕緣配合程序的計算，±10kV系統長時間直流耐壓試驗可取25kV。

6 結論

基於張北交直流配電網示範工程，本文對過電壓保護與絕緣配合進行了分析，主要結論如下：

（1）結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，應採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要求和配置方案，並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，直流系統應增加絕緣試驗方案，通過絕緣配合程序，驗證了試驗電壓取值的合理性。

（4）鑑於柔性直流配網的特殊性，過電壓保護與絕緣配合應結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

（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100038）

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