高压海底电缆暂时过电压研究

周超凡，熊 玮，李浩原

（1.国家电网公司华中电力调控分中心，湖北 武汉 430077；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉430074）

0 引言

海底电缆指敷设在海洋中的电缆，它的发展历史超过百年，最初用于向近海的灯塔等设备供电，现已发展为连接海峡两侧电网或者大陆向海岛供电的重要通道[1-3]。

海底电力电缆工程是国际公认的复杂、困难的大型工程，电缆的设计、制造、施工难度及技术要求均高于架空线及陆地电缆工程。随着我国经济和技术水平的迅速发展，特别是国家“海洋战略”的全面实施，海底电缆输电工程近年来呈现快速发展的特点。我国海域辽阔、海岸线漫长，沿海岛屿与大陆、岛屿与岛屿电力联网空间巨大。

海底电缆工程往往造价昂贵、施工抢修较为复杂，一旦发生故障，系统将解列，后果严重，因此海底电缆系统的安全可靠性要求较高。电缆的过电压水平与绝缘性能是海底电缆系统可靠性的重要评价依据，对海缆的造价水平也有着显著的影响。因此，有必要对海底高压电缆的过电压进行研究。本文针对海底电缆系统的暂时过电压进行仿真计算研究[4-6]。

1 暂时过电压仿真模型

1.1 暂时过电压原理

暂时过电压包括工频电压升高和谐振过电压，工频电压升高主要包括空载长线的电容效应、无故障或接地故障甩负荷。

工频过电压（工频电压升高）是指系统正常或故障时可能出现的幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高。工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，与多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它们有可能同时出现。因此它的大小直接影响操作过电压的幅值。工频电压升高也是决定避雷器等过电压保护装置工作条件的重要依据。

谐振过电压是指因系统的电感，电容参数配合不当，出现的各类持续时间长、波形周期性重复的电压升高[7]。

本文将针对上述暂时过电压情况展开分析。

1.2 暂时过电压仿真模型

借鉴以往工程案例进行仿真系统搭建。架空线-海缆混合系统包含起点500kV变电站、终点500kV变电站、500kV高抗站、海缆首端终端站、海缆末端终端站、起点变电站－高抗站－海缆首端终端站架空线路、海底电缆、海缆末端终端站－终点500kV变电站架空线路。

根据上述方案示意图，可基于ATP平台搭建混合系统仿真模型如图1所示。

图1 架空线-海缆混合系统仿真模型

1.3 仿真参数设置

1）电源参数。

暂时过电压水平与系统中等效电源阻抗有关，本节仿真中电源采用理想电压源与序阻抗串联模型。系统两侧电源等值阻抗参数如表1所示。

表1 电源等值阻抗Ω

仿真计算中，搭建包含系统各部分的仿真模型。在此基础上接入BPA等值参数。基于多年潮流数据，考虑较严重情况，电源电压取不同系统运行方式下最高电压540kV。

2）电缆参数设置。

电缆参数如表2所示，终端对地电容取0.001μF。

表2 海缆仿真模型有效性验证

3）系统无功补偿。

仿真分析中将在起点变电站装设1组90Mvar高抗，高抗站装设2组180Mvar高抗，终点变电站装设2组180Mvar高抗，线路高抗补偿度约91.8%。

2 暂时过电压分布规律

2.1 容升效应过电压分布规律

为研究空载线路容升效应，选取不同的高抗配置方案如表3所示，方案1、方案2、方案3为配置了补偿高抗，方案4无高抗。

表3 高抗配置方案

起点线路较长，海缆容升效应更为明显，仿真中设置起点线路及海缆接入，终点变电站断路器断开。海缆不同位置的过电压波形如图2所示，沿线各点过电压幅值较为接近。

图2 空载电缆的电容效应

不同高抗配置方案下，海缆工频过电压升高情况如表4所示。

表4 不同高抗配置方案下工频电压升高情况pu

仿真结果表明，配置补偿高抗时，系统容升效应不明显，高抗补偿度越高，容升过电压水平越低。无高抗补偿时，系统容升过电压水平大幅上升。

2.2 无故障及接地故障甩负荷过电压

甩负荷工况主要包括无故障甩负荷、单相接地故障甩负荷、两相接地故障甩负荷等类型，其中单相接地故障甩负荷较为常见。本节将针对起点线路发生单相接地故障，三相断路器跳闸开展工频过电压分布规律分析。

故障相电压越接近峰值时发生单相接地故障，系统的暂态过电压幅值越高，故障点暂态过电流也越大。设置起点线路在A相电压达到峰值时发生单相接地故障，接地电阻取30Ω（弧道电阻15Ω，杆塔接地电阻15Ω），经继电保护响应时间（0.1s）后，终点变电站断路器跳闸。单相接地故障海缆末端过电压分布如图3所示。

图3 单相接地故障海缆末端过电压波形

发生单相接地故障后，系统继电保护动作，断路器分闸，系统稳定后，接地相电压幅值较低，未接地相幅值较高，B相电压幅值最高。海缆沿线B相过电压分布情况如图4所示。

图4 海缆沿线B相过电压波形

沿线工频过电压幅值基本一致，无明显差异，如表5所示。

表5 单相接地甩负荷海缆沿线过电压幅值

工频过电压倍数见图5。

图5 单相接地甩负荷海缆沿线过电压幅值

2.3 谐振过电压

在线路高抗中性点装设小电抗的目的主要有2个：1）抑制线路谐振过电压；2）控制潜供电流。不同高抗及小电抗配置时，系统谐振情况如图6所示。

图6 谐振过电压计算结果曲线

图6中：X为小电抗值。仿真计算结果曲线表明，若高抗中性点不装设小电抗（或退出运行），高抗补偿容量在850MVar左右时，联网线路上会产生较高的谐振过电压；当高抗站每组高抗中性点装设100 Ω的小电抗时，可获得相对较好的抑制谐振过电压的效果，且该小电抗值对高抗容量及海底电缆长度等敏感性因素具有较好的适应性。

集中装设中性点小电抗后，谐振过电压较小，对系统不构成威胁。

3 暂时过电压影响因素分析

3.1 系统开断点

基于仿真模型，分别计算无故障甩负荷（k（0））、单相接地甩负荷（k（1））、两相接地甩负荷（k（2））情况下的工频过电压幅值，弧道电阻取为15Ω。

1）当起点断路器断开时，工频过电压计算结果如表6所示。

表6 起点断路器断开时工频过电压计算结果pu

距终点变电站越远过电压幅值越高，单相接地甩负荷与两相接地甩负荷过电压幅值无明显差异，无故障甩负荷过电压水平较低。

2）当高抗站断路器断开时，工频过电压计算结果如表7所示。

表7 高抗站断路器断开时工频过电压计算结果pu

海缆上过电压水平较低，高抗站远离两端电源，过电压水平较高。

3）当终点变电站断路器断开时，工频过电压计算结果如表8所示。

表8 终点变电站断路器断开工频过电压计算结果pu

终点变电站断路器断开时，几乎全部的海缆及架空线路仍连接在系统中，同时终点变电站的高抗退出运行，不对称接地故障下，系统工频过电压水平大幅上升。海缆通过架空线连接断路器，断路器动作时海缆上工频过电压水平低于系统中最严重点。不对称接地故障工况下，海缆-架空线系统海缆上最大工频过电压值为1.33pu，架空线上最大工频过电压值为1.35pu。

3.2 系统无功配置方案

高抗配置方案如表3所示，不同高抗配置方案下，海缆系统暂时过电压分布如表9所示。

表9 不同高抗配置方案下工频过电压计算结果pu

无高抗时，系统暂时过电压较大，超过了1.4 pu。进行高抗补偿后，暂时过电压水平降到了允许时，补偿方案1的过电压水平较低，海缆上的最大暂态过电压值为1.33pu，架空线上的最大过电压值为1.35pu。从限制暂时过电压的角度考虑，架空线-海缆系统必须进行高抗配置，高抗补偿容量越大，系统暂时过电压水平越低。

此外，为避免无功潮流的大幅流动，架空线-海缆系统沿线各站点的充电功率应尽量就地平衡。从均衡海底电缆两端无功电流、充分利用海底电缆通流能力考虑，海底电缆两端的感性补偿容量应尽量对称。

综合上述因素，建议架空线-海缆采用高补偿度的高抗配置方案1，系统暂时过电压水平较低，在任1组高抗退出运行的条件下，其线路最大工频过电压仍维持在1.4pu以下，同时可实现联网线路充电功率的就地补偿。

3.3 系统运行方式

为分析系统运行方式对工频过电压影响，对终点变电站断路器断开工况下夏大和冬小运行方式下的工频过电压情况进行分析。工频过电压计算结果如表10所示。

表10 不同运行方式下过电压计算结果pu

不同运行方式下，相同故障条件引起的工频过电压幅值基本相同，其原因在于两种运行方式下电源参数相差较小，对工频过电压影响基本可以忽略。

3.4 电缆长度

为分析电缆长度的影响，选取10km、20km、30 km、40km、50km海缆进行分析。由于海缆电容较大，海缆长度的改变显著影响系统充电功率，高抗配置方案需进行同步修正。研究中选取电弧电阻为15 Ω，终点变电站断路器断开，计算结果如表11所示。

图7 操作过电压随海缆长度变化特性

表11 不同长度海缆系统工频过电压计算结果

由表11可知，系统工频过电压幅值随着海缆长度的增加而增大。详见图7。

3.5 架空线长度

不同架空线长度下海缆上暂时过电压幅值如表12所示。表中架空线长度为海缆起点至变电站的距离。

表12 不同架空线长度工频过电压值

仿真计算结果表明，随着架空线长度的增加，海缆上暂时过电压幅值增大。

4 结语

本文建立了架空线-海缆混合系统的暂时过电压仿真模型，对空载长线的电容效应、接地故障甩负荷、谐振过电压等暂态过电压原理进行了分析，同时研究了暂时过电压的影响因素，研究结论如下：

1）配置补偿高抗时，系统容升效应不明显，高抗补偿度越高，容升过电压水平越低，容升效应过电压小于1.05pu。无补偿高抗时，系统容升过电压水平大幅上升至1.14pu；

2）单相接地故障甩负荷及两相接地故障甩负荷过电压较高，超过了1.3pu，无故障甩负荷过电压值较小；

3）若高抗中性点不装设小电抗（或小电抗退出运行），高抗补偿容量在850MVar左右时，联网线路上会产生较高的谐振过电压；当高抗站每组高抗中性点装设100Ω的小电抗时，可获得相对较好的抑制谐振过电压的效果；

4）暂时过电压中接地故障甩负荷过电压值最大，是需要重点考虑的暂时过电压类型。海缆沿线暂时过电压幅值基本一致。本研究建立的架空线-海缆系统的工频过电压水平为1.35pu，考虑1.15倍的安全系数，电缆要求耐受电压值为464kV；

5）暂时过电压受系统补偿方案、运行方式、电缆类型及长度、架空线长度、海缆相间距等因素的影响。研究结果表明：无高抗时，系统暂时过电压较大，超过了1.4pu。进行高抗补偿后，暂时过电压水平降低至允许值范围内，从限制暂时过电压的角度考虑，架空线-海缆系统必须进行高抗配置，高抗补偿容量越大，系统暂时过电压水平越低；运行方式对暂时过电压幅值影响较小；XLPE电缆暂时过电压水平低于SCOF电缆；暂时过电压随着电缆长度及架空线长度的增加而增大；海缆相间距对暂时过电压影响较小。