特高压交直流输电系统的绝缘配合分析黎宗东

特高压交直流输电系统的绝缘配合分析黎宗东

黎宗东

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局510000)

摘要：特高压直流输电由于具有大容量、远距离和低损耗等优点，将在我国“西电东送”战略中发挥重要作用。±1100kv特高压直流输电作为一个全新的输电电压等级，电压等级更高、输送容量更大、输电距离更远，非常适合特大型能源基地向远方负荷中心输送电能。因此，本文针对换流站避雷器布置和换流站设备的绝缘水平对特高压交直流输电系统的绝缘配合进行探讨。

关键词：特高压；输电系统；绝缘配合

一、换流站避雷器布置

换流站设备的主要保护装置是氧化锌避雷器，合理的避雷器配置方案对提高直流系统运行的安全可靠性及降低设备的成本具有重要意义。特高压直流换流站避雷器配置的基本原则是：换流站交流侧的过电压由交流侧避雷器进行限制；直流侧过电压由直流侧避雷器限制；换流站内重要设备由紧靠它的避雷器直接进行保护；对某些设备的保护可由支或多支避雷器串联实现，如换流变阀侧套管的对地绝缘是由多支避雷器串联保护的。

目前国内特高压直流输电工程中，换流站的避雷器布置主要有两种：云南——广东特高压直流工程中采用的SIEMENS推荐方案和向家坝——上海特高压直流工程中采用的ABB推荐方案，这两种避雷器布置方案各有优缺点。两种方案的主要区别在于对高端换流变压器阔侧绕组的保护，向上工程采用MH与V避雷器串联的保护方式，每站每极仅需安装1台避雷器，避雷器布置相对筒单，缺点是换流变闽侧绕组的绝缘水平较高；而云广工程采用A2避雷器直接保护高端换流变压器闹侧绕俎，可以降低该处设备的绝缘水平，缺点是每站每极需安装3台避雷器，会占用阀厅较大的空间。

在特高压直流系统中，由于采用了双12脉动换流器串联的接线方式，最高端Y/Y换流变阀侧电压很高，对绝缘的要求也很高。而过高的绝缘会导致换流变压器的体积增大，给设备的制造运输带来较大困难。因此，在特高压直流中，高压端Y/Y换流变压器阀侧套管的绝缘水平通常是换流变研制的最大瓶颈，降低高压端换流变压器阀侧套管的绝缘水平对降低整个工程的绝缘费用非常重要。考虑到特高压直流输电系统的电压等级比较高，高端Y/Y换流变阀侧绕组的绝缘水平将直接关系到换流变压器的制造以及换流站设备的绝缘费用。而采用SIEMENS推荐方案可以降低高端换流变阀侧绕组的绝缘水平，因此在研究特高压直流换流站绝缘配合时，避雷器的布置暂按该方案考虑。

二、换流站设备的绝缘水平

（一）一基本原则及方法

目前特高压直流换流站的绝缘配合方法及流程与常规高压直流换流站基本相同，即采用惯用法进行绝缘配合。在特高压直流工程中，换流站的绝缘配合也将继续采用惯用法。惯用法的主要思路是根据电气设备上可能出现的最大过电压，并保证电气设备可能出现的最大过电压与要求的耐受电压之间留有一定的裕度，考虑设备要求的绝缘裕度后得到设备要求耐受电压，即设备要求耐受电压，其中为代表性过电压，对于受避雷器直接保护的设备，设备的代表性过电压等于避雷器的保护水平。然后，参考标准耐受电压或考虑其他因素最终确定设备的绝缘耐受电压值。

在最终确定设备绝缘爾受电压时，需要注意的是对换流站交流侧设备和直流侧设备有所区别。对于交流侧设备，可以根据计算得到的设备要求耐受电压，在此基础上参照已有的交流设备的标准耐受电压值，选取标准耐受电压值作为设备的绝缘受电压；对于直流侧设备，由于目前还没有标准耐受电压水平可供参考，因此在计算得到设备的要求耐受电压后，通常就近取一个高于要求耐受电压的整数值作为设备的绝缘耐受电压。

（二）设备绝缘裕度的选取

电气设备的绝缘耐受电压需高于避雷器的保护水平，这样才能保证换流站内设备在遭受过电压应力时的安全性，设备要求的绝缘耐受电压与避雷器保护水平之间的比值即为设备的绝缘裕度。绝缘裕度选取是否合理对整个工程的造价影响很大，绝缘裕度太大会造成不必要的经济浪费，太小又难以确保系统的安全稳定，在特高压直流输电系统中绝缘水平的略徼提高可导致绝缘尺寸的急剧增大。影响绝缘裕度的主要因素有：设备绝缘的老化特性；环境条件（雨、雾、环境污染等）；避雷器自身的老化；过电压模拟计算中存在的不确定因素，如杂散电容、母线长度等因素；高海拔地区的影响等。由于在特高压直流系统中，处于不同位置的设备的电压等级不同，并且采用不同绝缘方式的设备对绝缘裕度的要求也不一样，因此特高压直流系统的绝缘配合需要综合考虑系统的安全稳定性和工程的经济性。由于目前对特高压直流输电系统的过电压电磁暂态仿真计算很方便，并且相关的过电压计算也极为详尽，故进行换流站设备绝缘配合研究时，设备的绝缘水平可针对特定的过电压应力计算结果。

换流阀是直流输电系统的核心设备，现代直流输电系统换流阀大多釆用空气绝缘、水冷却的户内悬吊式多重闽结构。换流阀造价昂贵，其绝缘裕度选取得合理与否对整个工程的造价有较大影响。特高压换流阀的绝缘具有以下特点：（1）换流阀安装在阀厅内，室内环境条件较好，运行中基本不受外界环境因素（如温度、湿度、灰尘等）的影响，这也是换流阀绝缘区别于其他设备绝缘的最重要原因。（2）换流阀单元有严密的监控装置，易于发现出现故障的晶闸管阀和其他阀组件，在每一次检修后，可以认为阀的绝缘耐受能力恢复到初始值。（3）随着技术的进步，氧化锌避雷器在运行几年之后仍能够保持良好的伏安特性，保护换流阀的避雷器在过电压应力下仍能起到充分的保护作用。（4）降低的绝缘水平能降低阀和阀厅的高度，即能降低相应成本。综合考虑上述因素和特高压直流工程的特点，经研究认为在特高压直流系统中适当降低阀的绝缘裕度是可行的，并能带来显著的经济效益。

（三）交流侧设备绝缘水平

与±800kv特高压直流换流站不同，±1100kv特高压直流工程中，换流站交流侧有个不同的交流电压等级，分别为交流系统和交流系统。其中500kv交流侧设备的绝缘水平选取可参照±800kv特高压直流，绝缘水平的确定按照相关标准的推荐实施，中华人民共和国国家标准GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》和电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压和绝缘配合》对500KV交流设备的绝缘水平作了规定。根据规定可知，换流站交流500KV母线及设备的雷电冲击绝缘水平和操作冲击绝缘水平可分别取为1550KV和1175KV。对于750KV交流系统，绝缘水平的确定也可参考相关标准，标准IEC60071-1《Insulationcoordination-Part1:Definitions,principlesandrules》规定了最高电压为800kv的变电站设备的操作和雷电冲击绝缘水平，国家电网公司企业标准Q/GDW101-2003《750KV变电所设计暂行技术规定》规定了750KV设备额定的绝缘水平。综合考虑相关标准及资料，换流站750KV交流母线及设备的雷电冲击和操作冲击绝缘水平可分别取为1950/2100KV(变压器/其他设备)和1550KV。

(四)直流侧设备绝缘水平

根据前文确定的避雷器保护水平和设备推荐的绝缘裕度，并结合换流站设备的过电压计算结果，便可计算得到换流站直流侧设备的绝缘水平，并最终确定相关设备的绝缘水平推荐值。需要注意的是，当设备的保护由多支避雷器串联实现时，设备整体的保护水平由各避雷器的保护水平相加得到，由于实际上避雷器的最大配合放电电流不可能在同一故障下同时出现在串联的每支避雷器上，因此采用该方法进行绝缘配合时，实际上设备的绝缘水平有额外的绝缘裕度。

三、结语

特高压直流输电具有大容量、远距离和低损耗等优点，±1100kv特高压直流输电作为一个全新的输电电压等级，非常适合特大型能源基地向远方负荷中心输送电能。因此，文章针对换流站避雷器布置和换流站设备的绝缘水平的具体情况进行分析，为特高压交直流输电系统的绝缘配合提供了一定的参考依据。特高压交直流输电系统的绝缘配合并不是一个简单的工程，其存在的某些问题还需要引起工作人员的重视，相信随着科技的发展，该领域可以取得更大的研究成果。

参考文献:

[1]李京.±1100kV特高压直流输电系统的过电压与绝缘配合研究[D].华北电力大学.2015.

[2]周浩,陈锡磊,陈润辉等.±800kV特高压直流换流站绝缘配合方案分析[J].电网技术.2011(11).