0  引言

    柔性直流输电是当前的热点课题。随着国内多项柔性直流工程的顺利投运，柔性直流输电技术在越来越多的领域得以应用。得益于供电容量大、线路损耗小、可以闭环运行、利于分布电源并网等诸多优点，我国正加速对柔性直流配电网的研究^[1-2]。

    过电压与绝缘配合是直流配电网的关键技术之一，而目前尚无配套的规程规范，相关研究还很不足。有大量文献进行了交流电网架空输电线路和电缆线路的过电压仿真分析，可作为绝缘配合的基础^[3-6]，不过直流电网的对应研究现有报道。结合深圳±10 kV多端直流配电示范工程，深圳供电局有限公司和华南理工大学进行了过电压和绝缘配合的研究，提出了避雷器保护水平和设备绝缘水平的推荐数值，为工程设计提供了依据^[7-8]。然而，鉴于直流工程的特殊性，其研究结果难以直接应用于其他相似工程。一套适应现行规范、易于设计接受的绝缘配合方法具有重要工程意义。

    以张北交直流配电网示范工程为背景，本文分析了工程应对的过电压类型，参照避雷器标准和厂家制造水平，确定了避雷器参数和配置方案；在此基础上，提出交直流配电网的绝缘配合方案，确定关键设备的绝缘水平。上述研究可为示范工程设计提供参考。

1  系统结构及运行方式

1.1  系统结构

    示范工程位于张家口市张北县，建设10 kV小二台柔性变电站和直流光伏升压站，工程概况如图1所示。

    本工程包括4个电压等级：交流10 kV，直流±10 kV，直流±375 V，交流380 V。

    交流10 kV正常运行时为谐振接地系统，在云计算站经接地变和消弧线圈接地，当发生直流单极故障时，将消弧线圈短路，转为电阻接地方式，从而切除直流故障线路。

    直流±10 kV采用不接地方式，不设换流变，正常运行时通过交流10 kV得到参考电位。

    直流±375 V系统不接地，通过380 V侧中性点接地得到参考电位。

    交流380 V侧由变压器中性点直接接地，并且引出独立的N线和PE线，形成TN-S系统。

    由于低压侧电压等级低，绝缘易于实现且本身裕度较大，同时，低压侧不会直接遭受雷电过电压。基于以上考虑，绝缘配合的重点集中于高压侧，即交流10 kV和直流±10 kV系统。

1.2  系统运行方式及继电保护配置

    暂时过电压与系统接地方式有关，其持续时间受运行方式及保护策略影响。经过独立的专题论证，本工程在交流单相和直流单极接地故障后的保护动作方式如下：

    （1）10 kV交流侧发生单相接地，按照配电规程，系统允许继续运行2小时。保护装置发单相接地信号，开关不跳闸。此时消弧线圈投入，将电容电流补偿至10 A以下，可以有效避免间歇性弧光接地过电压。由于未设置换流变，±10 kV直流系统电压畸变明显，保护动作于柔性变压器直流侧开关跳闸，将直流线路切除，动作时间小于10 s。

    （2）±10 kV直流侧单极接地时，保护动作，柔性变压器直流侧开关跳闸，隔离故障，动作时间小于10 s。

2  过电压分析

2.1  雷电过电压

    交流10 kV线路为全电缆线路，不考虑直击雷，雷电反击电缆的可能性极小，采取常规10 kV系统防雷设计，无需特殊措施。

    ±10 kV采用架空绝缘线，需要考虑雷击的影响。同时，架空绝缘导线遭受雷电过电压导致绝缘子闪络时，相间电力电弧可能使绝缘导线熔断，需采用防弧金具、有串联间隙的线路避雷器等防护措施。

    变电所的直击雷防护采用避雷针，与常规工程相同。雷电侵入波的主要防护措施为装设于线路侧和母线上的避雷器，避雷器参数及配置在第3节做详细分析。

2.2  操作过电压

    根据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》，范围I（最高运行电压为252 kV及以下）线路合闸和重合闸过电压一般不超过3.0 p.u.，通常无需采取限制措施^[9]。带入工程拓扑，经过系统专业仿真计算，发现本工程并无特殊的操作过电压形态。所以，避雷器参数选择主要考虑雷电过电压保护。

2.3  暂时过电压

    由于本工程交流系统和直流系统间未设置换流变压器，交流单相接地、直流单极接地后产生的电压偏置会传递至对侧系统，以10 kV和±10 kV的联系较为重要，分析结果如下：

    （1）交流单相接地，本侧相电压升高倍，系统中性点出现有效值为6.928 kV的交流电压偏置，传递至直流±10 kV系统。其中，交流侧取系统最高电压12 kV，直流侧取±11 kV，峰值可达20.798 kV。计算过程见式（1）。

    （2）直流单极接地，将产生直流偏置传递至交流系统。取两侧系统的最高电压，交流侧电压峰值可达20.798 kV，计算过程同式（1）。

    由交流单相接地、直流单极接地产生暂时过电压，选择避雷器参数时应注意在上述过电压情况下避雷器不动作。

3  避雷器的选择和配置

3.1  避雷器参数选择

    参考GB 11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》^[10]和GB 22389-2008《高压直流换流站无间隙金属氧化物避雷器使用导则》^[11]，结合工程情况，建议的避雷器参数如表1和表2所示。

    交流避雷器参数与常规10 kV系统使用的避雷器相同，无需特殊订制。

    直流避雷器承受长期的直流电压，且换流阀的直流侧配置电容，在操作过电压时通过避雷器泄放的能量较大，需要保证其方波能量值满足要求。

    直流±375 V系统配置直流避雷器，可选择成熟产品，额定电压为1 kV，标称放电电流下残压2.4 kV。

    交流380 V系统配置浪涌保护器，可采用常规低压设备。

3.2  避雷器配置

    参考常规10 kV变电站的避雷器配置方式，本工程在高压侧（交流10 kV和直流±10 kV）母线和出线处均配置避雷器。为了防止传递过电压，于低压侧（直流±375 V和交流380 V）母线配置避雷器或过电压保护器。配置方案如图2所示。

4  绝缘配合

    考虑所采用的过电压保护措施后，决定设备上可能的作用电压，并根据设备的绝缘特性及可能影响绝缘特性的因素，从安全运行和技术经济合理性两方面确定设备的绝缘强度。本文将从空气间隙、绝缘子、电气设备3个方面讨论本工程的绝缘配合方案。

4.1  空气间隙

    小二台10 kV柔性变电站和光伏直流升压站均为全户内站，采用封闭母线桥和电力电缆连接开关柜等电气设备，应注意在电缆终端处满足电气要求的安全净距。相比于雷电冲击过电压，直流运行电压不起决定作用。本站选用了雷电冲击残压45 kV的避雷器，与空气间隙绝缘做配合，所以，10 kV及±10 kV侧仍可以采用DL/T 5352-2006《高压配电装置设计技术规程》中的安全净距^[12]。

4.2  绝缘子

    本工程包括小二台柔性变电站和光伏直流升压站，均为全户内站，站内绝缘子处于清洁干燥环境中，可以不考虑运行电压下的干弧闪络，对绝缘子爬电距离要求很低。所以，运行电压不作为绝缘配合的决定因素，控制因素为绝缘子结构高度对应空气间隙的击穿电压。因为本站选用雷电冲击残压45 kV的避雷器，与常规工程一致，配置标准的交流10 kV绝缘子可以满足交流和直流高压侧的电气绝缘要求。

    10 kV交流部分为电缆线路，户外绝缘子应用于±10 kV直流线路，控制因素为污秽状态下的爬电距离。参考Q/GDW 1152.2-2014《电力系统污区分级与外绝缘选择标准 第2部分：直流系统》^[13]，工程所在环境接近示例E3，对应的现场污秽度分级为C中，统一爬电比距选择C级上限69 mm/kV，电压选择系统最高运行电压11 kV，线路绝缘子串爬电距离L要求如式（2）：

    绝缘子型号和片数应满足爬电距离要求，同时考虑耐张串加零值等问题，结合工程现场情况做具体设计。

4.3  电气设备

4.3.1  绝缘配合思路

    参考交流工程，电气设备在运行电压和各种过电压下的绝缘配合方式如下：

    （1）设备的最高工作电压应高于系统的最高运行电压，对于本工程，高压交流设备能够长期承受12 kV交流电压，高压直流设备能够长期承受±11 kV直流电压；

    （2）设备应能承受一定幅值和时间的暂时过电压，通过短时工频耐受试验得以体现；

    （3）以避雷器操作冲击保护水平为基础，采用习惯法确定设备的操作冲击耐受水平，操作冲击耐受电压经换算系数换算为短时工频和雷电冲击电压进行试验验证；

    （4）电气设备内、外绝缘雷电冲击绝缘水平，以避雷器雷电冲击保护水平为基础，采用习惯法确定，通过雷电冲击试验得以体现。

4.3.2  耐压试验方案

    根据上述绝缘配合思路，以核心设备柔性变压器为例，设计的绝缘试验方法如表3所示。

    表3中，交流10 kV端口和直流±10 kV端口为绝缘的重点。短时工频35 kV和雷电冲击75 kV可以保证设备绝缘满足交流电压、雷电冲击、操作冲击的要求。对于直流±10 kV端口，考虑直流运行电压的特殊影响，增加短时直流和长时间直流耐压试验，原因如下：

    （1）参考短时（1 min）工频耐压的思路，更改电压类型为直流，取值为35 kV有效值对应的峰值，约50 kV；

    （2）交流系统单相接地后要求持续运行2小时，此时交流偏置会通过柔性变压器叠加至直流端口，直流侧电压见式（1），在11 kV的直流电压上叠加有效值约6.9 kV的交流电压，整体峰值接近21 kV。基于上述情景，要求增加直流长时间（2 h）耐压试验，试验电压经绝缘配合程序确定，选择为25 kV，数值确定过程详见本文第5节。

    以柔性变压器的绝缘水平和耐压试验为标准，其他直流配电装置可参照进行绝缘设计。

4.3.3  配合系数校验

    参考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》^[9]，进行雷电冲击的配合系数校验。10 kV和±10 kV电气设备的雷电冲击耐受电压75 kV，对应的避雷器在标称放电电流下的雷电残压均为45 kV，检验如下：

    满足惯用法对雷电冲击绝缘配合的要求。

5  讨论

    结合工程特殊性，本文推荐的耐压试验方案中首次提出长时间直流耐压试验，需要对试验电压取值进行讨论。参考GB 311.2-2013《绝缘配合 第2部分：使用导则》^[14]，配合过程如下：

    电压类型为暂时过电压，配合系数K_c=1.0；

    考虑服役寿命内的绝缘老化，取安全系数，外绝缘K_s=1.05，内绝缘K_s=1.15；

    海拔修正至1000m，仅对外绝缘有效，户内洁净绝缘子q取1.0，则K_a=1.13；

    同一峰值的直流电压比交直流混合电压更严酷，保守设计，试验换算系数K_tc=1.0。

    内绝缘试验要求：

    通过上述绝缘配合程序的计算，±10kV系统长时间直流耐压试验可取25kV。

6  结论

    基于张北交直流配电网示范工程，本文对过电压保护与绝缘配合进行了分析，主要结论如下：

    （1）结合本工程的具体情况，雷电过电压与暂时过电压是绝缘的主要考核因素，应采取避雷器保护和加强绝缘的防护措施。

    （2）提出交流避雷器和直流避雷器的参数要求和配置方案，并通过了绝缘配合的验证，可以达到雷电过电压防护要求。

    （3）本工程存在特殊的暂时过电压，直流系统应增加绝缘试验方案，通过绝缘配合程序，验证了试验电压取值的合理性。

    （4）鉴于柔性直流配网的特殊性，过电压保护与绝缘配合应结合工程实际具体分析，本文提出了一套分析思路，可为相似工程提供参考。

参考文献

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作者信息:

杨朝翔，李红建，张立斌，张金伟，谢景海，刘素伊

（国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038）