CN107979057B - 基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法 - Google Patents

基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，首先分别建立与接地极线路各位置内过压峰值、接地极线路绝缘水平、防止雷击建弧、自然灭弧所对应的接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线；之后依据接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线构建安全区域，得到接地极线路各个位置的并联间隙尺寸范围；再对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。本发明统筹考虑影响并联间隙尺寸选取的多种因素，确保内过电压不会引起并联间隙闪络，接地极线路的绝缘水平低于中性母线的保护水平，雷电不会引起并联间隙建弧或并联间隙闪络后的自主熄弧，能够全方位优化接地极线路绝缘配合方案，提高接地极线路运行的安全性、可靠性和稳定性。

Description

基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法
技术领域
本发明属于高压直流输电技术领域，涉及高压直流接地极线路绝缘配合方法，具体涉及一种基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法。
背景技术
高压直流输电技术具有输送容量大、输送距离远等优势，是实现“西电东送”国家能源战略，以及“能源互联网”全球能源战略的主要技术手段。
接地极设计是高压直流输电工程中的重要环节，为了降低入地电流对换流站等电力设备的影响，接地极一般布置在远离换流站的位置，距离可达数十至上百千米。接地极线路即为连接换流站与接地极的线路(一般为架空线路)，其安全稳定运行对整个直流系统至关重要。目前，接地极线路的设计主要依据《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》，其绝缘配置重点考虑了接地极线路的工作电压和防雷保护，通常采用绝缘子加装保护间隙(招弧角间隙、并联间隙)的形式，即在绝缘子串两端并联一对金属电极(招弧角)，构成并联间隙，一方面当接地极线路遭雷击时，并联间隙击穿，有效保护绝缘子，另一方面可在短时间内能有效自然灭弧，断开直流续流，防止接地极线路遭受雷击后建立稳定电弧，对接地极线路造成间接损坏。
然而，近年来随着高压直流输电工程的建设和发展，系统的电压等级和输送容量不断提高，直流输电工程在中性母线和接地极线上发生多起故障，不仅造成大量的直接经济损失，还严重影响了直流输电技术的可靠性。例如，至2008年，天-广直流马窝侧接地极线路分别在2002年8月、2007年5月和2007年8月发生3次接地故障。2012年7月7日，500kV伊-穆直流工程伊敏换流站单极金属回线与大地回线运行方式转换过程中，过电压导致接地极线路4号塔并联间隙闪络，持续燃弧造成并联间隙烧毁、绝缘子炸裂、接地极线路导线脱落。2015年7月13日，宾-金特高压直流输电工程金华侧发生极II高压套管短路故障，系统在双极转单极运行过程中，过电压导致宜宾侧接地极线路11号杆塔并联间隙闪络，电弧持续燃烧造成绝缘子炸裂、掉串，接地极线路导线掉落、断线，损失输送功率6000MW。集中暴露了对高压直流输电系统中性母线及接地极线路过电压认识的不足。
这是由于中性母线和接地极线路在直流工程正常运行状态下的工作电压较低，容易使人忽略其中可能产生的高幅值过电压。例如，在部分设计规定中认为，接地极线路的过电压较低，中性母线和接地极线路绝缘水平均按照35kV输电线路设计。
申请号为CN201610371306.7的专利申请文件公开了一种特高压直流接地极线路绝缘配合方法，综合考虑操作过电压水平和招弧角熄弧能力，采用伏安特性曲线相交法确定招弧角间隙，根据操作过电压水平和招弧角熄弧能力决定招弧角配置，流程复杂，直观性差，且没有考虑外部过电压因素，也没有考虑中性母线及接地极线路之间的绝缘配合，因此不利于指导制定经济、安全、可靠的直流接地极线路差异化绝缘配置方案，在本领域内难以推广使用。
发明内容
本发明的目的旨在，克服现有技术的不足，提供一种基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，综合考虑各种因素，在安全区域内更加直观的选取并联间隙尺寸。
为了确保接地极线路绝缘配置的合理性，需要首先设计并联间隙尺寸，然后按照并联间隙尺寸为绝缘子串长75％～85％的配合系数确定绝缘子串长。因此，并联间隙尺寸配置的合理性关键着接地极线路绝缘配置方案的成败！为此，本发明全面考虑接地极线路各位置内过压峰值、接地极线路与中性母线绝缘配合、雷击建弧和并联间隙闪络后的主动熄弧4个因素，在同一坐标系内绘制接地极线路沿线的并联间隙曲线，由得到的并联间隙曲线围成相应安全区域，并在此安全区域内针对各区段采用差异化的配置方案，得到并联间隙尺寸。
本发明提供的一种基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，步骤如下：
S1分别建立与接地极线路各位置内过压峰值、接地极线路绝缘水平、防止雷击建弧、自然灭弧所对应的接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线；
S2依据接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线构建安全区域，得到接地极线路各个位置的并联间隙尺寸范围；
S3对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。
上述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11根据接地极线路各位置的内过电压峰值Ui(kV)，按照
Figure GDA0002227662860000021
i为接地极线路第i个位置，确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸Li(mm)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线I；
S12将0.9-0.95倍中性母线保护水平作为接地极线路绝缘水平UJDJ(kV)，按照
Figure GDA0002227662860000031
确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸LN(mm)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线II；
S13根据接地极线路各位置对应的工作电压usr(l)和并联间隙单位长度电弧所需的维持电压u0＝1.5×10-3kV/mm，确定接地极线路各位置的防止接地极线路遭雷击后建立电弧的并联间隙最小尺寸Larc(l)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线III；其中，usr(l)＝us(Lnl-l)，us为直流输电线路单极运行时的接地极线路站端工作电压(kV)，Lnl为接地极线路长度(km)，l为接地极线路各位置到接地极线路站端的距离；
Figure GDA0002227662860000032
S14根据接地极线路各位置闪络后的电弧直流分流值Iarc(A)以及并联间隙与其自然灭弧的直流电流关系，确定接地极线路各位置的并联间隙自然灭弧的并联间隙最小尺寸LDCe(l)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线IV；其中，Iarc基于暂态电磁计算程序，结合接地极线路参数和接地极线路故障电流计算获得，LDCe(l)＝Iarc(l)/3，l为接地极线路各位置到接地极线路站端的距离。
上述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，所述步骤S11中，接地极线路各个位置的内过电压峰值的确定方法为：根据接地极线路站端避雷器的动作区域电压值、以及接地极线路内过电压沿线自站端向接地极线性降低的分布规律，确定接地极线路各个位置的内过电压峰值。
上述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，所述步骤S2中，构建安全区域包括：
第一安全区域，是由曲线I以上、曲线II以下、曲线III以上所围成的区域；
第二安全区域，是由曲线I以上、曲线II以下、曲线IV以上所围成的区域。
上述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，其特征在于所述步骤S3中，在确定的第一安全区域或第二安全区域内对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。
与现有技术相比，本发明基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法具有以下有益效果：
1、本发明统筹考虑影响并联间隙尺寸选取的多种因素，确保内过电压不会引起并联间隙闪络，接地极线路的绝缘水平低于中性母线的保护水平，雷电不会引起并联间隙建弧或并联间隙闪络后的自主熄弧，从而能够全方位优化接地极线路绝缘配合方案，提高接地极线路运行的安全性、可靠性和稳定性；
2、本发明由四条并联间隙尺寸曲线围成安全区域，在安全区域内选取并联间隙尺寸，具有较好的直观性；
3、本发明在安全区域内，根据可供选择的并联间隙尺寸，对接地极线路各个区段采用差异化的并联间隙尺寸配置方案，在确保接地极线路正常运行的前提下，提高接地极线路绝缘配置的经济性。
附图说明
图1为采用本发明基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线以及接地极线路不同区段对应的并联间隙尺寸；其中，曲线I为内过电压不会引起并联间隙闪络对应的并联间隙尺寸，曲线II为接地极线路与中性母线配合对应的并联间隙尺寸，曲线III为雷电不会引起并联间隙建弧对应的并联间隙尺寸，曲线IV为外过电压导致并联间隙闪络后其能够自主熄弧对应的并联间隙尺寸，曲线V为得到的接地极线路差异化的并联间隙配置方案。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
本实施例中涉及的术语“并联间隙”、“内过电压”、“闪络”、“中性母线保护水平”等，在不做特殊说明的情况下，均理解为其在本领域中常规含义。本实施例以接地极线路的起始位置作为接地极站端，接地极线路各位置均相对于接地极站端而言。
本实施例针对的接地极线路全程长度为Lnl＝103km，接地极线路站端蓓蕾器动作区域电压值为U0＝290kV，中性母线保护水平为UZXMX＝437kV，站端工作电压为us＝11.68kV。
本实施例考虑接地极线路各位置内过压峰值、接地极线路绝缘水平、雷击建弧以及并联间隙雷击建弧后的自然灭弧四个因素对并联间隙尺寸选择的影响，提供了一种考虑更加全面的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，包括步骤S1～S3。
S1分别建立与接地极线路各位置内过压峰值、接地极线路绝缘水平、防止雷击建弧、自然灭弧所对应的接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线，包括分步骤S11～S14。
S11根据接地极线路各位置的内过电压峰值Ui(kV)，
Figure GDA0002227662860000041
i为接地极线路第i个位置，确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸Li(mm)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线I。
根据接地极线路站端避雷器的动作区域电压值、以及接地极线路内过电压沿线自站端向接地极线性降低的分布规律，确定接地极线路各位置的内过电压峰值Ui(kV)，然后按照
Figure GDA0002227662860000051
i为接地极线路第i个位置，确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸Li(mm)，得到不会引起并联间隙闪络对应的接地极线路沿线并联间隙尺寸曲线I，
本实施例中，接地极线路末端电压为0，
Figure GDA0002227662860000052
由于Lnl＝103km，接地极线路站端避雷器的动作区域电压值U0＝290kV，因此Ui＝(2.816×l)kV，
Figure GDA0002227662860000053
即得到图1中的不会引起并联间隙闪络对应的接地极线路沿线并联间隙尺寸曲线I，为了使接地极线路不会因内过电压发生闪络，需要选取对应接地极线路各个位置在曲线I上方的并联间隙尺寸。
S12将0.9-0.95倍中性母线保护水平作为接地极线路绝缘水平UJDJ(kV)，按照
Figure GDA0002227662860000054
确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸LN(mm)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线II。
为了避免中性母线设备在内过电压作用下先于接地极线路闪络，本实施例将接地极线路绝缘水平UJDJ配置于中性母线保护水平UZXMX之下，这里取UJDJ＝(0.9～0.95)UZXMX，然后按照
Figure GDA0002227662860000055
确定接地极线路各位置的并联间隙LN。本实施例中，UJDJ＝0.95UZXMX＝415.15kV，
Figure GDA0002227662860000056
即得到图1中的接地极线路与中性母线配合对应的接地极线路沿线并联间隙曲线II，为了保证中性母线设备在内过电压作用下不会先于接地极线路闪络，需要选取对应接地极线路各个位置在曲线II下方的并联间隙尺寸。
S13根据接地极线路各位置对应的工作电压usr(l)和并联间隙单位长度电弧所需的维持电压u0＝1.5×10-3kV/mm，确定接地极线路各位置的防止接地极线路遭雷击后建立电弧的并联间隙最小尺寸Larc(l)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线III；其中，usr(l)＝us(Lnl-l)，us为直流输电线路单极运行时的接地极线路站端工作电压(kV)，Lnl为接地极线路长度(km)，l为接地极线路各位置到接地极线路站端的距离；
Figure GDA0002227662860000059
本实施例中，us＝11.68kV，
Figure GDA0002227662860000058
即得到图1中雷电不会引起并联间隙建弧对应的接地极线路沿线并联间隙尺寸曲线III。为了防止接地极线路遭受雷击后建立稳定电弧，需要选取对应接地极线路各个位置在曲线III上方的并联间隙尺寸。
S14根据接地极线路各位置闪络后的电弧直流分流值Iarc(A)以及并联间隙与其自然灭弧的直流电流关系，确定接地极线路各位置的并联间隙自然灭弧的并联间隙最小尺寸LDCe(l)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线IV；其中，Iarc基于暂态电磁计算程序，结合接地极线路参数和接地极线路故障电流计算获得，LDCe(l)＝Iarc(l)/3，l为接地极线路各位置到接地极线路站端的距离。
基于暂态电磁计算程序，结合接地极线路参数和接地极线路故障电流计算获得Iarc的方法为本领域内常规手段，这里不再详述。
本实施例中，基于暂态电磁计算程序，结合接地极线路参数和接地极线路故障电流计算获得的Iarc＝1590-12.91×l，因此，LDCe(l)＝Iarc(l)/3＝530-(4.303×l)mm，即得到图1中并联间隙建弧后其能够自主熄弧对应的接地极线路沿线并联间隙尺寸曲线IV。为了实现外过电压导致并联间隙闪络后再主动灭弧，需要选取对应接地极线路各个位置在曲线IV上方的并联间隙尺寸。
S2依据接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线构建安全区域，得到接地极线路各个位置的并联间隙尺寸范围。
考虑并联间隙具有内过电压不会引起并联间隙闪络，接地极线路的绝缘水平低于中性母线的保护水平，接地极线路遭受雷击后不会建立稳定电弧的效果，选取曲线Ⅰ以上、曲线Ⅱ以下、曲线Ⅲ以上围成的区域作为第一安全区域。
考虑间隙具有内过电压不会引起并联间隙闪络，接地极线路的绝缘水平低于中性母线的保护水平，外过电压导致并联间隙闪络后间隙能够自主熄弧的效果，选取曲线Ⅰ以上、曲线Ⅱ以下、曲线Ⅳ以上围成的区域作为第二安全区域。
确定了第一安全区域和第二安全区域，就确定了接地极线路各个位置的并联间隙尺寸可选择的范围。
S3对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。
在确定的第一安全区域或第二安全区域内对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。
同时为保证绝缘配置的经济性，根据步骤S2得到的在第一安全区域和第二安全区域内可供选择的并联间隙尺寸，进一步对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案：如图1中曲线V所示，在距离接地极线路站端30km内，并联间隙尺寸选取为620mm；在距离接地极线路站端30～60km内，并联间隙尺寸选取为400mm；在距离接地极线路站端60～103km内，并联间隙尺寸选取为280mm。这里给出的并联间隙尺寸配置方案仅是用于说明如何经济的制定接地极线路各个区段的绝缘配置方案。只要在本实施例给出安全区域内选择并联间隙尺寸，均可以满足目前高压直流接地极线路绝缘配合要求。
在确定了接地极线路各个区段的并联间隙尺寸后，再按照75％～85％的配合系数确定绝缘子串长。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，其特征在于步骤如下：
S1 分别建立与接地极线路各位置内过压峰值、接地极线路绝缘水平、防止雷击建弧、自然灭弧所对应的接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线，具体包括以下分步骤：
S11 根据接地极线路各位置的内过电压峰值Ui，单位kV，按照
Figure FDA0002218064550000011
i为接地极线路第i个位置，确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸Li，单位mm，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线I；
S12 将0.9-0.95倍中性母线保护水平作为接地极线路绝缘水平UJDJ，单位kV，按照
Figure FDA0002218064550000012
确定接地极线路各位置的并联间隙尺寸LN，单位mm，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线II；
S13 根据接地极线路各位置对应的工作电压usr(l)和并联间隙单位长度电弧所需的维持电压u0＝1.5×10-3kV/mm，确定接地极线路各位置的防止接地极线路遭雷击后建立电弧的并联间隙最小尺寸Larc(l)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线III；其中，usr(l)＝us(Lnl-l)，us为直流输电线路单极运行时的接地极线路站端工作电压，单位kV，Lnl为接地极线路长度，单位km，l为接地极线路各位置到接地极线路站端的距离；
Figure FDA0002218064550000013
S14 根据接地极线路各位置闪络后的电弧直流分流值Iarc，单位A以及并联间隙与其自然灭弧的直流电流关系，确定接地极线路各位置的并联间隙自然灭弧的并联间隙最小尺寸LDCe(l)，得到接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线IV；其中，Iarc基于暂态电磁计算程序，结合接地极线路参数和接地极线路故障电流计算获得，LDCe(l)＝Iarc(l)/3，l为接地极线路各位置到接地极线路站端的距离；
S2 依据接地极线路沿线的并联间隙尺寸曲线构建安全区域，得到接地极线路各个位置的并联间隙尺寸范围；
S3 对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。
2.根据权利要求1所述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，其特征在于所述步骤S11中，接地极线路各个位置的内过电压峰值的确定方法为：根据接地极线路站端避雷器的动作区域电压值、以及接地极线路内过电压沿线自站端向接地极线性降低的分布规律，确定接地极线路各个位置的内过电压峰值。
3.根据权利要求1或2所述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，其特征在于所述步骤S2中，构建安全区域包括：
第一安全区域，是由曲线I以上、曲线II以下、曲线III以上所围成的区域；
第二安全区域，是由曲线I以上、曲线II以下、曲线IV以上所围成的区域。
4.根据权利要求3所述基于安全区域法的高压直流接地极线路差异化绝缘配合方法，其特征在于所述步骤S3中，在确定的第一安全区域或第二安全区域内对接地极线路各个区段制定差异化的并联间隙配置方案。
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