500kV海缆直流耐压试验时的故障状况研究

南方电网超高压输电公司检修试验中心 杨方明

武汉大学电气工程学院 刘 川 樊友平

1.引言

500kV海南联网工程将中国南方电网和海南电网通过琼州海峡互联，是我国第一条超高压、大容量、远距离的海底输电线。海底电缆的绝缘状况决定了它是否能安全运行，所以对海缆绝缘进行有效的直流耐压试验以了解其绝缘状况是非常重要的。

本文根据海南联网工程海底电缆的直流耐压试验模型及特点，对海缆直流耐压试验时可能出现三种典型的击穿故障进行Matlab建模分析。

2.海底电缆直流耐压试验

海南联网工程在海底电缆投入运行时，需要对海缆进行直流耐压试验，该试验是考核电缆绝缘性能及其承受过电压能力的主要方法，并能够有效检测充油海底电缆的机械损伤、介质受潮等局部缺陷。但直流耐压试验是一种破坏性试验，在直流高压的作用下绝缘依然容易发生损坏的现象，对以后的稳定运行造成影响，因此研究直流耐压试验时可能出现的绝缘故障是十分有必要的。[1]

2.1 直流耐压试验的基本原理

直流耐压试验的基本原理是首先将直流电压施加在电缆的主绝缘上，这个直流电压要求比电缆的正常工作电压高，将这个电压保持一段时间并且电压值尽量恒定，如果被试海缆试样能在 这段时间经受这样高的直流电压而不出现击穿的现象，则可以判定符合要求，以图1为直流耐压试验的电路原理接线图。[1-2]

图1 直流耐压试验电路原理接线图

2.2 直流耐压试验的电压值

参考IEC 60141-1中的规定[3]，500kV海南联网工程的额定电压值U0=303kV，对应的直流试验电压为3U0=909kV；或50%的雷电冲击试验电压。500kV充油电缆雷电冲击试验电压为-1550kV，按此直流试验电压为-775kV。取两者中的较低值，为-775kV。[4]采用负极性电压的直流耐压是现场检查油纸绝缘电力电缆电气强度的常用方法，结合厂家技术规范，最终确定海缆安装后直流耐压试验电压为775kV，历时15min。

3.直流高压试验仪器

根据DL/T596-2005《电力设备预防性试验规程》的规定，500kV海缆应该在775kV的直流电压下进行直流耐压试验。[5]目前国内在500kV电压等级领域的海缆直流耐 压试验尚属一片空白，为此南方电网超高压公司特研发出一套800kV/10mA直流高压 发生器(以下简称直高发)。

3.1 直流高压发生器原理

直高发产生直流高压的核心电路为串级式中频多倍压电路，该电路应用PWM脉宽调制技术，大大提高了对电压进行调节的稳定性。多倍压串联式直流高压试验装置原理框图如图2所示。[6]

由图2可知，该直高发的特点是逆变器使用了大功率晶体管IGBT来提高变压器的输出功率，这种IGBT的开通和关断时间都非常地小且同时具备自动关断能力，因此精简了电路中的部分元件从而使电路的设置更加合理且损耗更小。下图3是直高发的现场照片，这种应用电子技术制成的直流高压试验仪器体积小、重量轻、便于携带且使用方便。

图2 多倍压串联式直流高压试验装置原理框图

图3 海缆直流高压发生器现场照片

3. 2 直高发在海缆耐压试验中存在的缺陷

当时试验单位已经研发出一套800kV/10mA的直高发，并且多次应用于换流变等小电容试品直流耐压试验，其电压、容量、体积及连续运行时间等技术指标都能满足海缆的直流耐压试验要求。但由于海南联网工程采用的自容式充油海底电缆所处的环境特殊，其电容值较大，一般在2以上，在升压 过程中，非常容易由于充电电流过大导致高压过流而跳闸，所以在实际试验之前对整套系统进行建模分析是非常必要的，相应地对直高发采取必要的保护措施。[7]

4.海缆直流耐压试验模型

调用Matlab中的Simulink对海缆直流耐压试验进行建模，海缆的直流耐压试验模型如图4所示。[8]依据输电线的集中参数等值电路，将海缆的直流耐压试验电路等效为型等值电路[9]，其具体各参数为：C1、C2表示海缆的分布电容，每公里取值为0.24；R1、R2表示海缆的绝缘电阻，每公里取值为52701.667；R3表示海缆的导体电阻，每公里取值为0.0221；L1表示海缆的电感，每公里为0.05mH；Ro为高压直流发生器的保护电阻，取值8；Lo为输出端到电缆终端之间的接线电感，取值0.5。

图4 海缆直流耐压试验模型

5.试验时可能出现的故障状况分析

试验中所加的稳态试验电压远大于实际运行电压，如果安装后海缆内部绝缘存在明显缺陷，在现场耐压过程中将可能出现内部击穿故障。在试验电压升至-775kV并稳定后，海缆绝缘故障按击穿点的位置不同，可分为三种典型情况：海缆中间位置本体击穿、加压侧端部击穿和末端端部击穿。[10]依据海缆的直流耐压试验模型，针对三种故障情况进行Matlab仿真分析。[11]

5.1 海缆中间位置本体击穿

海缆中间位置击穿的分布式简化模型如图6所示，该模型 基于海缆的直流耐压试验模型，在海缆中间位置（15.35km）发生本体击穿，此处设置开关0.5s时闭合以模拟击穿故障。

图6 中间位置本体击穿模型

由于同时具备电感和电容两种储能元件，属于二阶电路，由电路原理可知，将电路适当简化分析，可视为三个简单电路的叠加之和。图中纵坐标 单位分别为安培和伏特，横坐标单位为秒。若海缆0.5s时刻发生中间位置本体击穿，主干路的电流、电压均为振荡放电过程，模拟的结果如图7所示。

图7 中间位置本体击穿电流和电压波形图

图8 加压侧端部击穿模型

由公式(1)(2)推导可知：

主干路的电流i和主干路电压u（即电容C1上的电压）i和u均为幅值随着时间按指数规律衰减的振荡函数，电路的响应为衰减振荡响应，随着时间的推移，电流振荡衰减到0.1A；电压振荡衰减到0。

5.2 海缆加压侧端部击穿

加压侧击穿的模型如图8所示，L0只有在端部击穿时有效，其他情况下可以忽略不计。由于击穿部位在试验设备加压侧的一端，击穿时会有较另外两种情况下的相对大电流，故此次试验主要整定直高发的继电保护装置。

这里，将海缆作为整体等值电路考虑，视为一阶RL零状态响应。电感L0上的击穿电压和电流用公式(3)(4)可表示为：

电感元件上相应的击穿电压和电流的仿真结果如图9所示。

图9 加压侧端部击穿电流和电压波形图

图10 末端端部击穿模型

图11 末端端部击穿电流和电压波形图

由图9中可看出，电感元件上的击穿电压和电流的变化剧烈近似阶跃变化，这是由于直高发与海缆之间的接线电感无限小，所以其电压与电流波形变化较为陡峭，在很短时间内即完成放电过程。

5.3 海缆末端端部击穿

海缆末端端部击穿的简化模型与海缆本体中部击穿类似，只是击穿的故障点后移，海缆长度为30.7km，等值电路模型基本相同，如图10所示。

当海缆发生末端端部击穿后，主干路的电流、电压变化与本体击穿时类似，均为振荡放电过程，模拟的结果如图11所示。

由图11可知，末端端部击穿电流和电压呈现二阶震荡衰减特性，随着时间的推移，电流振荡衰减到0.1A；电压振荡衰减到0。

6.结论

(1)借助Matlab研究海缆耐压试验过程中发生击穿故障的特征，本文模拟计算了三种典型故障情况：海缆中间位置本体击穿、加压侧端部击穿和末端端部击穿。仿真结果表明海缆中间位置本体击穿和末端端部击穿均呈现二阶震荡衰减特性，只是末端端部击穿震荡周期较长，幅值较小。而加压侧端部击穿呈现一阶快速衰减特性，没有明显的反击过电压现象。预先研究可能出现的故障导致电压及电流变化的规律，对实际耐压时出现故障进行正确判断提供依据。

(2)了解到三种故障情况的电流与电压波形后，需要整定直流高压发生器的继电保护装置，依据故障电流波形，试验时把直流高压发生器的过流保护设置为0.015A，过流保护就可以有效地切除故障，防止试验把海缆存在的缺陷进一步扩大并有效地保护了直流高压发生器。此外，在海缆试验时进行了全程故障录波，若出现击穿故障，以上仿真结果就是故障分析的重要依据，本文模拟试验结果对海底电缆与直流高压发生器的继电保护整定有重要的指导意义。

[1]陈化钢.电力设备预防性试验技术问答[M].北京：中国水利电力出版社，1998.

[2]彭婵.500kV海南联网海底电缆试验技术研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

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[11]薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.