1000kv级特高压直流输电工程设备绝缘配合方法

1000kv级特高压直流输电工程设备绝缘配合方法

0特高压直流输电工程中国能源资源和能源需求在地理分布上极不平衡。因此，中国必须走一条漫长而广泛的能源供应和全国能源资源配置的道路。特高压直流输电具有远距离、大容量、低损耗的优势,是实施“西电东送”战略、实现我国能源资源优化配置的有效途径。±800kV直流输电系统是目前国内外已投运的最高电压等级的直流输电系统。我国已有多条±800kV特高压直流输电工程投运,并有多条正在规划建设中,各项技术已日趋成熟。为满足未来更大容量、更远距离的输电需求,例如西北等大型能源基地向中东部负荷中心送电距离通常>2500km,远超过±800kV特高压直流的经济输电距离,国家电网公司于2007年就对±1000kV级直流输电工程进行了探索性研究,±1000kV级直流输电包括±1000kV和±1100kV电压等级输电系统。±1000kV级直流输电系统在世界上尚属首次提出,对其过电压和绝缘配合的研究在世界范围内也没有成熟的经验可以借鉴,相关的研究报道文献极少,因此尚无该电压等级的直流输电工程的建设和运行经验可供借鉴。与现有的±800kV特高压直流输电相比,±1000kV级直流输电的电压等级更高、输送容量更大,绝缘故障带来的损失更加严重。设备的冲击绝缘水平已成为制约设备制造难度和大件运输的重要因素,如穿墙套管和高端换流变等。对直流系统的过电压和绝缘配合提出了更高的要求。±1000kV直流输电系统的过电压和绝缘配合研究目前还存在诸多问题,例如,没有确定的避雷器配置方案可以参考,高性能避雷器的性能参数还处在试验研究过程中,±1000kV级设备的绝缘水平不能按±800kV工程直接按比例放大,需要开展过电压限制措施和绝缘配合方法的全面深入研究。研究成果对降低设备绝缘水平,乃至工程造价具有非常重要的意义。本文就深度抑制±1000kV级特高压直流换流站电气设备上的过电压措施及高性能避雷器参数的选取进行了论述,详细介绍了采用高性能避雷器降低设备绝缘水平的可行性。给出了±1000kV级特高压直流输电工程设备绝缘配合方法和直流设备冲击绝缘水平的推荐值。同时,根据线路过电压沿线分布的研究结果,对直流线路绝缘配置方案给出了适当的建议。1避雷器荷电率的确定对于高压直流换流站设备,无论是操作过电压还是雷电过电压,均是由直接或间接连接在被保护设备上的避雷器加以限制,±1000kV级直流换流站避雷器的布置方式如图1所示。避雷器是限制直流设备过电压水平的重要措施(几乎无可替代),避雷器的保护特性是抑制过电压水平的关键,也是决定直流设备冲击绝缘水平的基础。想进一步降低设备的绝缘水平,就需要采用保护水平更低的高性能避雷器。高性能避雷器可从两方面入手:(1)提高避雷器的耐老化性能,即提高避雷器的荷电率;(2)在不改变荷电率的前提下进一步降低避雷器的保护水平,即降低避雷器的压比。避雷器的荷电率是指避雷器的运行电压与参考电压之比。避雷器用金属氧化物电阻片在长期运行电压的作用下会发生裂化(称之为老化),避雷器的老化速度和程度与荷电率的取值有关。为了保证避雷器在运行寿命期间不因老化而损坏,需要合理地确定避雷器的荷电率。避雷器荷电率的确定依赖于避雷器电阻片的老化性能试验研究,并考虑避雷器动作负载耐受能力。特高压直流换流站设备的持续运行电压不同于交流系统的。它不只是单一的工频电压,而是直流电压、基频电压、谐波电压和高频瞬态电压的合成,且因位置的不同而不同,典型波形如图2所示。图中,α为延迟角,μ为换相角,T为基波周期,UCCOV为峰值持续运行电压,UPCOV为换相过冲的持续运行电压,UA为理想空载下的UCCOV值。由于不同波形的运行电压对避雷器产生的应力不同,因此,不同运行电压波形对避雷器电阻片老化特性的影响是不同的。电阻片裂化程度的趋势是:直流>全波>半波。电压波形示意图见图3。对于直流设备,其运行电压波形更加复杂,因此,在选择避雷器荷电率时要具体问题具体分析,这对于有效地限制过电压水平和降低设备的冲击绝缘水平是非常有利的。避雷器电阻片在不同波形下的老化性能(荷电率)是通过老化试验确定的。本文对交直流两用电阻片(电阻片直径为100mm,高度为22mm)进行了探索性的老化试验研究,试验电压选用了交流、直流和六脉动波波形,荷电率分别取105%、95%和90%,通过了1000h的试验考验,结果见表1。依此建议直流换流站避雷器选用的荷电率见表2。在适当提高避雷器荷电率的基础上,适当增加避雷器电阻片的面积或并联柱数,可以起到进一步降低避雷器保护水平的目的,这一技术在交流1000kV特高压工程中得到应用。建议±1000kV级直流工程避雷器采用交流1000kV特高压避雷器技术,即高性能4柱并联避雷器结构,其性能参数如表3所示。2平代表性电压直流换流站设备的绝缘配合方法通常采用确定性法,由避雷器保护水平或代表性过电压乘以1个系数来获得设备的要求耐受电压。对于±1000kV级直流输电换流站设备,为了进一步降低绝缘水平,绝缘配合方法应力求深入、细致、合理和准确。可以从下面几点入手。2.1目前存在的问题和方法避雷器的配合电流是用于确定代表性过电压时通过避雷器的电流,或绝缘配合时用于确定避雷器保护水平时对应的电流,包括雷电和操作冲击电流2种,是绝缘配合的重要参数。对于某一直流输电工程,避雷器配合电流应通过仿真计算系统运行中可能出现的各种类型操作或故障下的过电压来确定。它与直流工程的系统条件、换流器结构、设备参数、控制保护和避雷器配置等因素有关。如图1所示,当换流站设备(如换流变阀侧)由2支串联连接的避雷器保护,其操作波保护水平由2支串联的避雷器各自保护水平相加决定时,如高端换流变阀侧Y绕组端子(52)是由上6脉动桥避雷器M2和阀避雷器V联合限制的(M+V);高端换流变阀侧D绕组端子(62)上过电压是由12脉动桥避雷器CB1A和阀避雷器V联合限制的(CB1A+V)。以往串联避雷器配合电流多采用以下取值方法:方法12支避雷器操作波保护水平相应的配合电流以同一个故障下流过串联避雷器中某台避雷器的最大配合电流决定。而实际上同一故障中流过2支避雷器的各自放电电流不同,因此该方法给绝缘配合留有额外的裕度。方法2避雷器操作波保护水平相应的配合电流以串联避雷器中的2支避雷器在不同故障下的最大配合电流确定,而实际上最大配合放电电流不可能在同一故障中同时出现在串联的每支避雷器上,因此该方法给绝缘配合留有的裕度大于方法1的。对于±1000kV级直流输电换流站设备,为了进一步降低绝缘水平,避雷器的配合电流应更加合理、准确,因此,2支串联避雷器的配合电流应取产生最大过电压的同一个故障下流过串联避雷器的各自电流。特别要注意的是,同一避雷器对不同点的绝缘配合采用的配合电流可能是不同的,如±1000kV级直流输电工程中,上6脉动桥避雷器M2在确定6脉动桥(72)点的操作冲击绝缘水平时配合电流取1kA;在确定高端换流变阀侧Y绕组端子(52)点的操作冲击绝缘水平时配合电流取0.1kA。2.2避雷器电流的特性操作冲击绝缘水平下的避雷器配合电流的标准波形是30/60μs,这是照搬交流输电工程的标准。对于直流输电工程,不同位置的操作过电压和通过避雷器电流的波形要复杂的多,影响因素也很复杂。而避雷器电阻片的伏安特性与电流波形息息相关,图4给出了典型直流电阻片在不同电流波形下的伏安特性曲线。同样,对于进一步降低±1000kV级直流输电换流站设备的绝缘水平,应选择更加合理的避雷器配合电流的波形和避雷器的保护特性。避雷器配合电流的波形是指产生代表性过电压对应的波形,可通过仿真计算求得。避雷器在不同波形下的伏安特性应通过试验研究确定。2.3选取标准系列值对于交流输电工程,设备的冲击绝缘水平要求取标准中规定的冲击耐受电压标准系列值。±500kV及以下直流输电工程的设备冲击绝缘水平基本上也是参照交流输电工程的模式,选取标准系列值。对于±1000kV级特高压直流输电工程,由于标准系列值的级差很大,若强制规定取标准系列值,则可能使换流站设备的绝缘裕度较大,不利于尽可能降低设备绝缘水平和降低设备制造难度的初衷,所以,对±1000kV级特高压直流输电工程,建议换流站设备的操作冲击绝缘水平在绝缘配合研究结果的基础上适当取整,不需要取标准系列值。3仿真计算及仿真结果分析在采用高性能避雷器的基础上,对依托工程开展了过电压仿真计算研究,得出避雷器的配合电流,通过绝缘配合,给出了±1000kV级特高压直流设备冲击绝缘水平的推荐值,见表4。4工艺设计因素±1000kV级特高压直流输电线路的长度很长,在2000~3000km范围内。从依托工程开展的直流线路过电压仿真计算结果得知,直流线路的过电压水平和分布特性具有以下几个特点:1)直流线路中点发生接地短路故障时,非故障极线路中点过电压情况最为严重;2)线路过电压幅值和分布特性与多种因素有关,如:线路参数、长度、杆塔接地电阻和直流滤波器的整个回路设计等因素;3)过电压幅值沿线分布的差异较大,高幅值过电压占线路长度的比例较少,大部分过电压幅值较低。图5和图6分别给出了±1000kV和±1100kV依托工程直流线路沿线过电压的仿真计算结果。从上述研究结果可以看出,±1000kV级直流输电线路过电压分布因工程而异,需要根据工程设计的具体参数通过仿真计算求得。±1000kV级特高压直流线路多采用V型绝缘子串,塔头空气间隙距离可能由操作过电压起控制作用,因此,塔头的空气间隙距离取决于过电压水平、塔头间隙放电特性和海拔高度等因素。可见,过电压水平直接影响着直流线路塔头的设计和杆塔的造价。鉴于±1000kV级特高压直流线路较长和过电压幅值沿线分布不均的特点,建议±1000kV级特高压直流的绝缘配置不采用特高压交流输电线路的绝缘配置方式,即全线不是用一个统一的高幅值过电压水平进行设计的原则,而是应结合线路过电压幅值、分布特性和沿线海拔高度等因素综合分析,采用分段设计原则,会使线路杆塔的造价更加经济合理。5研究扩大避雷器荷电率及配合电流1)进一步降低避雷器保护水平可从两方面入手:(1)提高避雷器的耐老化性能,即提高避雷器的荷电率;(2)降低避雷器的压比,如加大避雷器电阻片的面积(并联柱数)。2)直流避雷器运行电压的波形因安装位置不同差别较大而情况复杂,因此,在选择避雷器的荷电率时要针对实际运行电压波形的特点,通过试验研究来确定,这对于有效限制过电压水平和降低设备冲击绝缘水平是非常有利的。3)在进行绝缘配合时,要通过仿真计算研