王卿玮，叶键民，叶 剑

(1. 深圳供电局有限公司，深圳 518000；2. 上海电力设计院有限公司，上海 200025)

目前，大容量地下输电技术在城市电网规划设计中得到广泛应用。500 kV电缆线路在城市电网中已十分常见。气体绝缘金属封闭输电线路(Gas-insulated Metal Closed Transmission Line，简称GIL)是一种采用SF6或其他气体绝缘、外壳与导体同轴布置的电力传输设备，具有传输容量大、占地少、单位损耗低、可靠性高等优点，也得到较为广泛的应用并处于应用推广阶段[1]。高电压、长距离地下输电线路的对地电容和充电功率很大，会引起电网运行电压升高，对城市电网的安全稳定运行产生影响，并对过电压和绝缘配合水平提出了更高的要求。

电力系统中可引起操作过电压的情况有很多种，对于500 kV电缆和GIL线路，一般空载线路合闸过电压和空载线路分闸重燃过电压最为严重，因此本文只讨论这两种操作过电压形式，分别对500 kV电缆和GIL进行仿真计算和比较分析，并提出抑制操作过电压的建议与措施。

1 操作过电压下的绝缘配合原则

绝缘配合应根据电网中出现的各种电压(工作电压和过电压)和保护装置的特性来确定设备的绝缘水平，需要全面考虑造价、维修费用以及故障损失等，力求达到安全、经济和高质量供电的目的。不同的电网系统，因结构不同以及所处发展阶段不同，可以有不同的绝缘水平。

国内关于绝缘配合方面的标准主要有GB 311.1—2012《绝缘配合 第1部分：定义、原则和规则》(以下简称“GB 311.1”)、GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(以下简称“GB/T 50064”)和DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(以下简称“DL/T 620”)。GB 311.1规定，对于非自恢复绝缘系统，其绝缘配合方法采用确定性法。绝缘配合的确定性法(惯用法)的原则是在惯用过电压(即可接受的接近于设备安装点的预期最大过电压)与耐受电压之间，按设备制造和电力系统的运行经验选取适宜的配合系数。

DL/T 620规定，500 kV操作过电压基准值为449.07 kV。DL/T 620中4.2.1条指出，空载线路合闸时，线路电感-电容的振荡将产生合闸过电压。在线路重合闸时，由于电源电势较高以及线路上残余电荷的存在，加剧了电磁振荡过程，使过电压进一步提高。空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸(如果运行中使用)，在线路上产生的相对地统计过电压，对于500 kV系统不宜大于2.0(标幺值)。但对于空载线路分闸重燃过电压未作明确规定。

根据GB 311.1的表3和DL/T 620的表20规定，500 kV系统的额定操作冲击耐受电压(峰值)分为两档，分别为相对地电压1 050 kV、相间电压1 675 kV和相对地1 175 kV、相间电压1 800 kV，断口电压均为1 500 kV。GB/T 50064的表6.4规定，500 kV系统的额定操作冲击耐受电压也分为两档，分别为相对地电压1 050 kV、相间电压1 760 kV和相对地电压为1 175 kV、相间电压1 950 kV，断口电压均为1 500 kV。GB/T 50064规定的两档相对地耐受电压与GB 311.1和DL/T 620相同，但相间与相对地耐受电压之比均为1.7，高于GB 311.1和DL/T 620规定的1.6和1.5。

根据GB 311.1要求，耐受电压等于有代表性的过电压乘以相应的配合因数KC。KC是根据我国的长期运行经验并综合考虑了诸多因数，如绝缘类型及其特性、外绝缘大气条件修正因数、安全因数(设备生产、装配的分散性、安装质量、绝缘老化等)、快波前过电压时避雷器和被保护设备间的距离效应等而选定的。操作冲击耐受电压一般取KC≥1.15，本文取操作冲击耐受电压绝缘配合系数KC=1.15。

本文根据GB 311.1和DL/T 620要求，取500 kV系统电气设备操作冲击耐受电压为相对地电压为1 175 kV、相间电压为1 800 kV、断口电压为1 500 kV，取15%的绝缘裕度，则500 kV系统过电压水平为相对地电压1 021.7 kV、相间电压为1 565.2 kV、断口电压为1 304.3 kV，转化为标幺值分别是相对地电压2.27、相间电压为3.48 、断口电压为2.90。考虑到500 kV电缆和GIL的每相均有独立的绝缘屏蔽，一般不存在相间绝缘问题，本文根据实际线路绝缘水平设计以及电缆的绝缘结构，在分析计算时对500 kV系统采用以下绝缘水平：相对地操作过电压不超过2.0(标幺值)，断口操作过电压不超过2.9(标幺值)。

2 500 kV地下线路典型参数

2.1 500 kV电缆和GIL基本结构

(1)500 kV交联电缆。交联高压电缆从内到外由导体、绝缘、金属护套、外绝缘等组成，其余包含导体屏蔽、绝缘屏蔽、缓冲层等。500 kV交联电缆典型结构示意图如图1所示。

图1 500 kV交联电缆典型结构示意图

(2)500 kV GIL。GIL主要分为三相共箱和单相分箱这2种，500 kV电压等级一般采用单相分箱型式。GIL为同轴圆柱结构，由中心导体、绝缘子、外壳及外壳与导体间的绝缘气体构成。一般导体与壳均采用铝制，气体绝缘采用SF6或SF6/N2混合气体。GIL结构示意图如图2所示。

图2 GIL结构示意图

2.2 计算参数

(1)500 kV电缆。按照城市电网输送容量要求，500 kV电缆线路一般采用2 500 mm2截面交联电缆，导体外径61.5 mm；导体屏蔽直径66 mm；交联聚乙烯(XLPE)绝缘直径126 mm；绝缘屏蔽直径129 mm；皱纹铝护套外径158.4 mm；皱纹铝护套厚度3.2 mm；外护套直径(电缆外径)170 mm；XLPE相对介电常数2.300；三角形排列；正序、零序电容0.232 μF/km。

(2)500 kV GIL。根据国内厂家生产的GIL产品，500 kV GIL典型参数：截面2 500 mm2；导体外径140 mm；导体厚度15 mm；壳体外径516 mm；壳体厚度8 mm；绝缘介质SF6，SF6相对介电常数1.002；上中下排列；正序、零序电容0.043 μF/km。

3 操作过电压计算

3.1 计算条件

(1)采用ATP-EMTP(55版)程序进行操作过电压计算。

(2)考虑到500 kV电缆(2 500 mm2截面)的输送容量约170万kVA，500 kV GIL的输送容量一般可达340～430万kVA。为使500 kV电缆线路的输送容量与GIL相匹配，考虑采用双拼2 500 mm2截面电缆，2回电缆仅在首末两端并联。

(3)参照国内典型大城市电网运行情况，按系统侧等值电压源电压为515 kV、系统侧500 kV短路电流水平为60 kA进行等值。

(4)参照国内典型大城市电网500 kV电缆运行实际，按电缆与GIL长度分别为15 km和20 km计算分析操作过电压情况，电缆按PI模型、集中参数进行模拟，分为6～8段、每段2.5 km开展仿真计算。

(5)考虑在变电站500 kV母线和线路首末端均加装避雷器，避雷器型号采用Y20W-444/1106，参数参照国内厂家的该型号避雷器典型技术参数。

3.2 空载线路合闸过电压

电缆线路和GIL的接地故障多是永久性故障，不考虑重合闸操作。空载线路合闸过电压只计算正常有计划的合闸操作，即合闸后，线路各点电压由零值过渡到考虑电容效应后的工频稳态电压值的过程中出现的合闸过电压。在计算空载线路合闸操作过电压时，考虑断路器随机合闸100次，取每次合闸三相中最高的过电压值进行统计，记录100次操作中出现概率为2%的过电压。根据典型断路器性能参数，断路器三相合闸最大时差在5 ms以内。电缆线路和GIL中部均不会发生相间绝缘击穿，因此仅计算相对地过电压统计值。线路长度分别为15 km和20 km的双拼电缆和GIL空载合闸统计过电压情况如表1所示。在表1中，统计过电压(2%)为100次操作中出现概率不超过2%的过电压值，统计最高过电压为100次操作中出现的最高过电压值。

表1 空载线路合闸过电压统计值(标幺值)

从表1可见，线路长度为15 km和20 km的双拼2 500 mm2截面电缆与GIL，在线路的统计过电压值均能够控制在2.0(标幺值)的标准范围内。双拼电缆和GIL的统计过电压值和变化趋势较为接近，均呈现线路首端最低、末端最高的特点，其中线路首端GIL的统计过电压低于双拼电缆，在线路中间和线路末端二者的计算结果非常接近。长度为20 km的双拼电缆和GIL的统计过电压值与15 km线路非常接近，总体略高于15 km线路的统计过电压值。

3.3 空载线路分闸重燃过电压

如断路器不发生重燃，空载线路分闸时系统中不会出现操作过电压，但在考虑断路器重燃的情况下，系统中可能出现很高的操作过电压。因目前断路器的性能较好，发生多次重燃的可能性较小，本文仅讨论断路器一次重燃的操作过电压情况。在仿真计算中，假设断路器一相在端口电压最大时发生重燃，并在该相电流过零点时熄弧。因电缆和GIL中部均不会发生相间绝缘击穿，仅计算母线、线路相对地过电压值以及断路器断口的过电压值。500 kV系统的相对地操作过电压不宜大于2.0(标幺值)，断路器断口的操作过电压控制水平按照不大于2.9(标幺值)控制。

(1)不配置线路并联高压电抗器。在不配置线路并联高压电抗器的情况下，线路长度分别15 km和20 km的双拼电缆和GIL分闸空载线路重燃过电压情况如表2所示。

表2 分闸空载线路重燃过电压(标幺值，不配置线路并联高抗)

从表2可见，长度为15 km和20 km的双拼电缆和GIL的断路器断口过电压均能够控制在2.9(标幺值)的范围内，但母线和线路的相对地过电压均超过2.0(标幺值)的控制标准。总体看来，线路长度相同时双拼电缆的母线、线路首末端和断口过电压均高于GIL，但GIL的线路中间过电压高于双拼电缆。长度为20 km的双拼电缆和GIL的过电压水平高于15 km同类型线路。

各线路的分闸重燃操作过电压的波形接近，以20 km的双拼电缆为例，典型波形如图3所示。

图3 20 km双拼电缆分闸重燃操作过电压波形图

为防止断路器重燃对设备造成损害，除采取合理配置避雷器、使用灭弧性能优良的断路器以降低重燃概率等措施外，常用的限制措施还有配置线路并联高压电抗器，可以使线路上的残余电荷产生衰减振荡，降低断路器断口的恢复电压上升速度，大幅减少重燃的可能性，降低高幅值过电压的发生概率。

(2)配置线路并联高压电抗器。根据《电力工程电气设计手册(电气一次部分)》，线路并联电抗器容量一般按补偿度40%～80%选取，本文按线路充电功率的80%确定并联电抗器容量。考虑配置线路并联高压电抗器的情况下，20 km双拼电缆的分闸空载线路时断路器断口过电压情况如图4所示。

图4 配置并联高压电抗器20 km双拼电缆分闸断口过电压波形图

从图4可见，配置线路并联高压电抗器后断路器断口的恢复电压上升速度变缓，有利于断口间灭弧介质的绝缘恢复，从而使得断路器重燃的可能性大幅降低，避免产生威胁设备绝缘的过电压水平。同型号线路在不配置并联高压电抗器情况下，分闸空载线路时的断路器断口过电压波形如图5所示。

图5 20 km双拼电缆(不配置并联高压电抗器)分闸断口过电压波形图

对比图4和图5可知，在断路器分闸初始阶段，配置并联高压电抗器后的断口恢复电压明显降低，可有效减少断路器重燃概率。

20 km GIL配置并联高压电抗器前后的断路器分闸断口电压波形图与双拼电缆近似，如图6所示。

图6 20 km GIL配置并联高压电抗器前后的断路器分闸断口过电压波形图比较(不考虑断路器重燃)

从图6可见，虽然配置并联高压电抗器后的断路器断口最高过电压与不配置并联高压电抗器接近，但在断路器分闸初始阶段的恢复电压速度与幅值明显低于不配置并联高压电抗器的情况。

因此，对于双拼电缆和GIL，通过配置线路并联高压电抗器能够有效抑制分闸线路操作过电压。GIL充电功率远小于双拼电缆线路，在相同补偿度(80%)的情况下并联高压电抗器的容量也明显小于双拼电缆，在线路长度均为20 km的情况下，GIL配置并联高压电抗器容量约为70 Mvar，而双拼电缆配置并联容量约为570 Mvar。较之双拼电缆，GIL配置并联高压电抗器的容量明显降低，占地和损耗也大幅减小。

4 结语

(1)根据相关标准要求，500 kV地下输电线路可采用以下绝缘水平：相对地操作过电压不超过2.0(标幺值)，断口操作过电压不超过2.9(标幺值)，相间操作过电压不作要求。

(2)考虑在变电站500 kV母线和线路首末端均加装避雷器，线路长度为15，20 km的500 kV双拼2 500 mm2截面电缆与GIL的空载线路合闸的统计过电压值均能够控制在2.0 (标幺值)的范围内，不需要采取控制措施。

(3)考虑断路器重燃，在变电站500 kV母线和线路首末端均配置避雷器的情况下，线路长度为15，20 km的双拼电缆和GIL的母线和线路的相对地分闸重燃操作过电压均超过2.0 (标幺值)的控制标准。总体来看，线路长度相同的双拼电缆的操作过电压略高于GIL。

(4)为控制分闸空载线路重燃过电压，配置线路并联高压电抗器是非常有效的措施，因GIL充电功率明显小于双拼电缆线路，需配置的并联高压电抗器容量也明显低于双拼电缆线路。