0 引言

随着我国电力系统建设的飞速发展,电力结构和电力负荷越来月趋向复杂化,电力系统最终有形成统一大电网的趋势,甚至已有学者提出构建全球能源互联网的构想^[1]。柔性直流输电系统可联系两个不同频率的或不要求同步运行的交流系统,稳定性好、控制灵活,特别适合远距离输电、跨海输电、大区域电网互联和非工频系统如风力发电等与工频系统相互连接,以及两个系统用交流连接稳定性不足的场合^[2-3]。多端直流输电技术能够实现多电源供电、多落点受电,运行方式灵活、能自如地调节电网电压、功角,从而在不改变现有电网结构的前提下提高输送容量、增加其稳定性,是未来直流输电的发展方向^[4-5]。

直流输电技术虽然线路造价相对于交流输电技术更为经济,但因为其换流站需要大量的晶闸管阀器件,换流站造价较高,因此要尽量避免各种事故对其内部器件造成损伤。文献[6]提出了舟山多端柔性直流工程的系统性方案,包括换流站主接线、运行方式等。文献[7]为合理确定舟山多端柔性直流输电工程各换流站设备的绝缘水平,给出了3种不同避雷器布置方案以供参考。文献[8-10]总结了多端直流输电系统的控制策略与故障特征,并分析了目前高压直流输电线路故障定位的优缺点,给出了建议与设想。

与此同时,为保证站内设备和运行人员的安全,有必要确定电力系统中生产运行安全距离,而目前国内外针对生产运行安全距离的研究主要集中在交流系统。文献[11-13]研究了不同电压等级的交流输电线路绝缘斗臂车和直升机带电作业安全间隙距离试验,明确了不同电压等级下交流输电线路带电作业的最小安全距离。文献[14]研究了不同电压等级线路、不同海拔地区带电作业用保护间隙取值确定方法和保护范围,并对采用线路避雷器代替保护间隙的可行性进行了分析。上述文献对生产距离的研究集中在交流系统,然而随着柔性直流输电工程大力发展,针对换流站在过电压影响下的生产运行安全距离研究十分必要,目前国内外对换流站过电压方面的研究较少^[4],而涉及到换流站内直流场在过电压影响下的生产运行安全距离则更少。文献[15],从电位能量转移角度考虑带电作业对人身安全的影响,并开展了导电手套放电试验研究。文献[16-17]中推荐采用惯用法进行直流线路的带电作业绝缘配合计算,即根据线路最大过电压值结合试验得出的绝缘间隙击穿电压与间隙距离的关系确定安全距离。文献^[18-21]中介绍了一种基于带电作业危险率确定绝缘间隙安全距离的方法,要求绝缘间隙在安全距离下危险率<10^-5。

该多端柔性直流输电工程直流电压等级为±200 kV,是世界首个5端柔性直流输电工程,为保证换流站内安全生产与运检工作的顺利进行,需要防止直流场内人体触及或过分接近带电体,也要防止带电体与接地体之间的距离过小在系统内部产生过电压的时候发生放电现象。而现有国家、行业和企业标准均未提供±200 kV电压等级换流站、输电线路作业人员与带电体的安全距离推荐值。因此本文基于该柔直工程换流站直流场设计对±200 kV电压等级换流站生产运行安全距离展开试验研究,针对换流站内存在放电可能性的各典型电极间隙采用1：1的试品模型展开放电试验,得出各典型间隙的放电特性曲线,借鉴带电作业中的安全距离计算方法得出各间隙的安全距离,并利用放电特性曲线对各安全距离进行危险率校验,得出不同安全裕度下的安全距离。

1 试验方案

1.1 试验波形

因为整个直流场都处于室内,且外部出线均采用埋地电缆,因此其直流场过电压不需要考虑雷电的影响,因此采用操作冲击电压波展开试验,直流场内同时存在+200 kV和-200 kV直流电压,而相同间隙距离下正极性的击穿电压低于负极性的击穿电压,因此本次试验采用正极性的电压波形,本文采用2 400 kV冲击电压发生器产生正极性250/2 500 μs操作冲击电压,波形如图1所示。

1.2 试验设备

根据直流场内各带电设备与接地设备的相对位置,归纳出直流场内可能存在管母线-墙、管母线-人、分裂母线-人、分裂母线-墙、分裂母线-栅栏这5种典型的空气放电间隙。试验所用1:1试品尺寸为：管母线为长6 m钢管,直径20 cm,管母两端有均压球,直径25 cm;分裂母线长6 m,分裂间距20 cm,子导线为直径3 cm的钢管,端部作大角度弯折处理,打磨光滑;模拟墙壁为4 m×8 m的钢板,表面相对光滑,边角作均压处理。平波电抗器为等比例钢板圆筒,高2.8 m,直径2.21 m。金属栅栏1.8 m高,6 m宽,钢管框架中间为金属网,边角作均压处理。人为1.8 m高站立假人模型,穿带电作业屏蔽服。

1.3 试验电压修正

试验采用升降法加压,每隔10 min记录一次大气参数,取平均值作为每次试验的大气压及温湿度,以此来修正电压,修正方法采用DL/T 620—1997中推荐的考虑了大气湿度影响的电压修正方法^[22]。

图1 试验波形 Fig.1 Test waveform

2 试验结果

2.1 管母线均压球对墙

直流场内,管母线与墙壁的相对位置是垂直关系,试验布置如图2所示。

管母线水平悬挂,模拟墙壁竖直放置,试验过程中为防止管母线对地面,使管母线对地面的距离H大于间隙距离d（此处为管母线对墙壁距离）的1.5倍。其50%击穿电压U_50%与d关系见图3。其拟合式为

U_50%=529.5d^0.445 (1)

2.2 管母线对假人

2.2.1 管母线中部对假人

当工作人员靠近管母线时,肢体如手臂可能无意识活动,因此本次试验考虑比较严重的情况,即工作人员手臂伸直竖直举起这种极端情况,管母线中部对假人试验布置示意图如图4所示。假人身高1.8 m,手臂伸直举起时最高点手指距离地面高度2.25 m,试验过程中假人身穿带电作用屏蔽服,各部件间采用金属丝带连接,试验前经过中国电科院武汉高压研究所检验,屏蔽服导电性能良好,试验后经检验无损坏。

假人直立放置,屏蔽服良好接地,其50%击穿电压与间隙距离d的关系见图5。其拟合式为

U_50%=1 258d^0.683 (2)

2.2.2 管母线端部均压球对假人

将假人模型移至管母线端部均压球的正下方。其50%击穿电压与间隙距离d关系见图6。其拟合式为

U_50%=712.5d^0.380 (3)

2.3 分裂母线对假人

当工作人员靠近分裂母线时,同样可能引起放电事故。考虑工作人员将手举起这种极端情况,分裂母线对假人试验布置示意图见图7。

假人直立放置,屏蔽服良好接地,其50%击穿电压与间隙距离d的关系见图8。其拟合式为

U_50%=689.2d^0.764 (4)

2.4 分裂母线对栅栏

直流场内存在金属栅栏,而场内二分裂母线恰好又会从金属栅栏上方穿过,如果二者之间的距离太小二分裂母线可能对金属栅栏放电。因二分裂母线与其下方的金属栅栏所成角度可能会因为一些不定因素而改变,因此本次试验考虑二分裂母线从金属栅栏上方垂直穿过及平行穿过两种极端情况。试

图2 管母线-墙间隙试验布置图 Fig.2 Test arrangement of tube bus-wall gap

图3 管母线-墙间隙击穿特性曲线 Fig.3 Breakdown characteristic curve of tube bus-wall gap

图4 管母线中部-假人试验布置示意图 Fig.4 Test schematic diagram of tube bus- dummy gap

验布置示意图如图9所示。

金属栅栏放置,边角作均压处理,良好接地,二分裂导线在其上方水平悬挂,其50%击穿电压与间隙距离d的关系如图10所示。

两种不同的布置下,当二分裂母线与栅栏垂直时,其击穿特性拟合式为

U_50%=595.7d^0.775 (5)

图5 管母线中部-假人击穿特性曲线 Fig.5 Breakdown characteristic curve of tube bus middle part-dummy gap

图6 管母线端部-假人击穿特性曲线 Fig.5 Breakdown characteristic curve of tube bus grading ball-dummy gap

图7 分裂母线-假人试验布置示意图 Fig.7 Test schematic diagram of divided bus-dummy gap

当二分裂母线与栅栏平行时,其击穿特性拟合式为

U_50%=577.7d^0.806 (6)

2.5 二分裂母线对侧面墙壁

直流场内二分裂母线与其附近墙壁基本呈平

图8 分裂母线-假人击穿特性曲线 Fig.8 Breakdown characteristic curve of divided bus-dummy gap

图9 分裂母线-栅栏垂直布置示意图 Fig.9 Test schematic diagram of divided bus-fence gap

图10 分裂母线-栅栏击穿特性曲线 Fig.10 Breakdown characteristic curve of divided bus-fence gaps

行关系,因此模拟试验布置如图11所示。试验过程中为防止二分裂导线对地面放电,使二分裂母线对地面的距离H大于其对墙壁距离d的1.5倍。其50%击穿电压与d的关系见图12。其击穿特性拟合式为

U_50%=486.8d^0.734 (7)

2.6 平波电抗器对栅栏

直流场内平波电抗器被金属栅栏围绕,如果金属栅栏离电抗器太近,也可能会引起电抗器对金属栅栏放电。模拟试验过程中用绝缘绳将模拟电抗器的圆筒竖直吊起,保持其水平,金属栅栏根据换流站直流场内实际布置放在其侧面,模拟试验布置见图13。试验过程中金属栅栏良好接地,其50%击穿电压与d的关系见图14。其击穿特性拟合式为

U_50%=565.6d^0.598 (8)

3 安全距离

鉴于本文中各间隙与带电作业中绝缘间隙有所差异,因此从严考虑,采取惯用法确定不同安全裕度下各间隙安全距离,再对其进行危险率校验。

3.1 绝缘配合

根据直流场内可能出现的最大操作过电压,采用惯用法对直流场内绝缘配合进行研究。

采用比空气间隙击穿电压试验值U_50%低3σ的电压值U_w作为间隙耐受电压^[16],即

U_w=U_50%(1-3σ) (9)

式中σ为其相对标准差,一般偏严格取6%^[11]。

当各空气间隙的耐受电压不小于直流线路的最大操作过电压U_m时,即U_w≥U_m时,即可保证各间隙间不会发生放电现象,避免造成严重事故。

因此,可根据式(9)及各间隙U_50%随d的变化关系确定各空气间隙最小安全距离。

3.2 不同裕度下的安全距离

根据第2章中各间隙50%击穿电压与间隙距离的关系式及已知直流场内可能出现的最大过电压值为510 kV,根据绝缘配合原则可得不同安全裕度下的安全距离为

U_a=(1+A)U_w (10)

式中：A为安全裕度,%;U_a为满足不同安全裕度下的耐受电压。

据此,可得不同间隙在不同安全裕度下的安全距离如表1所示,A=0%时即为最小安全距离。

3.3 危险率校验

带电作业中,将绝缘破坏的概率称之为危险率。检验方法是首先进行模拟电极布置真型试验,然后根据试验结果及过电压分布情况计算出危险率,可以接受的危险率判据为<10^-5,即每出现一次最大幅值的过电压,间隙放电概率应该<10^-5。

根据GB/T 19185—2008,假设系统操作过电压

图11 分裂母线-墙壁试验布置示意图 Fig.11 Test schematic diagram of divided bus-wall gap

图12 分裂母线-墙壁击穿特性曲线 Fig.12 Breakdown characteristic curve of divided bus-wall gap

图13 电抗器-栅栏试验布置示意图 Fig.13 Test schematic diagram of reactor-fence gap

的概率分布和空气间隙击穿的概率分布均服从正态分布^[22],危险率计算式为

\({{R}_{0}}\text{=}\frac{1}{2}\int_{0}^{\infty }{{{p}_{0}}}(U){{p}_{\text{d}}}(U)dU\) (12)

式中：p₀(U)为操作过电压幅值的概率密度分布函数;p_d(U)为空气间隙在操作过电压幅值为U时击穿的概率密度分数函数,分别为：

图14 电抗器-栅栏击穿特性曲线 Fig.14 Breakdown characteristic curve of reactor-fence gap

\({{p}_{0}}(U)=\frac{1}{{{\sigma }_{0}}\sqrt{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}}{{\text{e}}^{-\frac{1}{2}{{(\frac{U-{{U}_{av}}}{{{\sigma }_{0}}})}^{2}}}}\) (13)

式中：σ₀为操作过电压标准偏差;σ_d为空气间隙放电电压的标准差;U_av为操作过电压平均值,kV;U_50%为空气间隙50%放电电压,kV。

由式(12)—(14)可知,危险率取决于间隙放电电压和系统操作过电压及二者的分散性。而绝缘配合惯用法是根据间隙耐受电压确定间隙距离,因此若要对前文计算出的安全距离进行危险率校验,与间隙结构类型无关,是对各不同长度的间隙结构在相同的间隙耐受电压下的危险率进行校验,校验结果见表2,均满足<10^-5这一要求。

3.4 生产运行安全距离

直流场内设备可能存在的典型放电情况主要包括管母对地放电、分裂母线对地和金属栅栏放电以及平波电抗器对栅栏放电,再考虑到2.25 m高的工作人员在直流场内活动的影响,根据表2中各间隙试验数据及计算结果,建议直流场内各典型带电体与接地体/地面之间的距离在不同安全裕度下对应的距离不小于表3中的值。

直流场内各高压带电体与接地设备或地面之间的距离大于表3中推荐的最小安全距离即A=0%时的安全距离时,直流场内各高压设备即使在系统内最大过电压作用下,也不会对接地设备或地面发生发电现象,工作人员进入直流场内正常活动时在极端情况下发生危险的概率也极低。

4 结论

1）考虑到工作人员的影响,建议直流场内各

表1 各空气间隙在不同裕度下的安全距离 Table 1 Safe distance of gaps under various safety margins

表2 不同安全裕度下的危险率 Table 2 Hazard rate of gaps under different safety margins

表3 直流场内生产运行安全距离 Table 3 Safe producing and operating distance in DC field

带电体与接地体/地面间的最小安全距离不小于如下距离：管母线距离地面2.95 m,其端部距离墙壁1.44 m;二分裂母线距离地面3.12 m,距离侧面墙壁1.4 m;金属栅栏距离平波电抗器1.17 m。

2）金属栅栏与分裂母线垂直时间隙击穿电压比其与分裂母线平行时击穿电压相对略高,但是二者相对位置对间隙击穿电压无明显影响,二者处于垂直和平行时间隙击穿电压相差≤6%。

3）当工作人员进入直流场内,在管母线中部下方比在管母端部均压球下方相对来说更安全。

参考文献

[1] 刘振亚. 构建全球能源互联网推动能源与环境协调发展[J]. 中国电力企业管理,2014,23:14-17. LIU Zhenya.Consructing global energy internet to promote the harmonious development of energy and environment[J]. China Electricity Council, 2014, 23: 14-17.

[2] 马为民,吴方劼,杨一鸣,等. 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 高电压技术,2014,40(8):2429-2439. MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming, et al.Flexible HVDC transmission technology’s today and tomorrow[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): 2429-2439.

[3] 肖晃庆,徐政,薛英林,等. 多端柔性直流输电系统的启动控制策略[J]. 高电压技术,2014,40(8):2550-2557. XIAO Huangqing, XU Zheng, XUE Yinglin, et al.Start control strategy of MMC-MTDC system[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): 2550-2557

[4] 许烽,徐政. 基于LCC和FHMMC的混合型直流输电系统[J]. 高电压技术,2014,40(8):2520-2530. XU Feng, XU Zheng.Hybird HVDC system based on LCC and FHMMC[J]. High Voltage Engineering, 2014,40(8):2520-2530.

[5] 许烽,徐政,傅闯. 多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略[J]. 电力系统自动化,2012,36(6):74-78. XU Feng, XU Zheng, FU Chuang.A control and protection scheme of muti-terminal DC power system for DC line fault[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(6): 74-78.

[6] 马玉龙,马为民,陈东,等. 舟山多端柔性直流工程系统方案[J]. 电力建设,2014,35(3):1-6. MA Yulong, MA Weimin, CHEN Dong, et al.System scheme of Zhoushan muti-terminal VSC-HVDC project[J]. Power Construction, 2014, 35(3): 1-6.

[7] 周浩,沈扬,李敏,等. 舟山多端柔性直流输电工程换流站绝缘配合[J]. 电网技术,2013,37(4):879-890. ZHOU Hao, SHEN Yang, LI Min, et al.Research on insulation coordination for converter stations of Zhoushan multi-terminal VSC-HVDC transmission project[J]. Power System Technology, 2013, 37(4): 1-6.

[8] JOVCIC D, PAHALAWATHTHA N, ZAVAHIR M.Investigation of the use of inverter control strategy instead of synchronous condensers at inverter terminal of an HVDC system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(2): 704-709.

[9] 宋国兵,蔡新雷,高淑萍,等. 高压直流输电线路故障定位研究综述[J]. 电力系统保护与控制,2012,40(5):133-137,147. SONG Guobing, CAI Xinlei, GAO Shuping, et al.Survey of fault location for HVDC transmission lines[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(5): 133-137, 147.

[10] CHAUDHURI B, MAJUMDER R, PAL B C.Wide-area measurement-based stabilizing control of power system considering signal transmission delay[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2004, 19(4): 1971-1979.

[11] 邓鹤鸣,蔡炜,于鑫,等. 66 kV输电线路绝缘斗臂车带电作业方式及安全防护[J]. 高电压技术,2015,41(9):3091-3096. DENG Heming, CAI Wei, YU Xin, et al.Methods and safety protection of live working on 66 kV transmission lines by aerial device with insulating boom[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(9): 3091-3096.

[12] 刘庭,唐盼,周炳凌,等. 500 kV线路绝缘斗臂车带电作业安全距离试验[J]. 高电压技术,2016,42(7):2315-2321. LIU Ting, TANG Pan, ZHOU Binglin, et al.Experiment research of minimum approach distance for live working used of 500 kV insulated aerial vehicles[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(7): 2315-2321.

[13] 杜勇,彭勇,刘铁,等. 特高压交流输电线路平台法直升机带电作业安全间隙距离试验研究[J]. 高电压技术,2015,41(4):1292-1298. DU Yong, PENG Yong, LIU Tie, et al.Experimental research for safe gap distance of helicopter live working with platform method on UHV AC transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(4): 1292-1298.

[14] 蔡焕青,邵瑰玮,付晶,等. 考虑海拔因素超、特高压输电线路带电作业保护间隙作业方式[J]. 高电压技术,2016,42(5):1675-1680. CAI Huanqing, SHAO Guiwei, FU Jing, et al.Protective gap operating type of live working for EHV and UHV transmission lines considering elevation factors[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(5): 1675-1680.

[15] 蔡焕青,邵瑰玮,文志科,等. 带电作业中电位转移能量对人身安全的影响[J]. 高电压技术,2015,41(10):3479-3483. CAI Huanqing, SHAO Guiwei, WEN Zhike, et al.Influence of potential shift transient energy on personnel safety during live working[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(10): 3479-3485.

[16] 刘洪正,刘凯,孟海磊,等.±660 kV直流输电带电作业安全距离的试验研究[J]. 电网技术,2011,35(11):183-189. LIU Hongzheng, LIU Kai, MENG Hailei, et al.Experimental research on safety distance for live-line working carried out on ±660 kV DC power transmission line[J]. Power System Technology, 2011, 35(11): 183-189.

[17] 蒋兴良,苑吉河,孙才新,等. 我国±800 kV特高压直流输电线路外绝缘问题[J]. 电网技术,2006,30(9):1-9. JIANG Xingliang, YUAN Jihe, SUN Caixin, et al.External insulation of ±800 kV UHV DC power transmission lines in China[J]. Power System Technology, 2006, 30(9): 1-9.

[18] 胡毅,肖宾,刘凯,等. ±500 kV同塔双回直流线路带电作业试验研究[J]. 高电压技术,2010,36(2):318-321. HU Yi, XIAO Bin, LIU Kai, et al.Experimental research of live working on ±500 kV double circuit DC transmission line on the same tower[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(2): 318-321.

[19] 王力农,胡毅,邵瑰玮,等. 1 000 kV输电线路带电作业安全距离研究[J]. 高电压技术,2006,32(12):78-82. WANG Linong, HU Yi, SHAO Guiwei, et al.Research on minimum approach distance for live working on 1 000 kV AC transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(12): 78-82.

[20] 刘凯,胡毅,肖宾,等. 1 000 kV交流紧凑型输电线路带电作业安全距离试验分析[J]. 高电压技术,2011,37(8):1857-1861. LIU Kai, HU Yi, XIAO Bin, et al.Experimental analysis of live working safety distance on 1 000 kV AC compact transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(8): 1857-1861.

[21] 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合:DL/T 620—1997[S]流电气装置的过电压保护和绝缘配合:DL/T 620—1997[S]. 北京:中国电力出版社,1997. Overvoltage protection and insulation coordination for AC electrical installations: DL/T 620—1997[S] DL/T 620—1997[S]. Beijing, China: China Electric Power Press, 1997.

[22] 交流线路带电作业安全距离计算方法:GB/T 19185—2008[S]流线路带电作业安全距离计算方法:GB/T 19185—2008[S]. 北京:中国标准出版社,2009. Calculation method of live working minimum approach distance on AC transmission line: GB/T 19185—2008[S] GB/T 19185—2008[S]. Beijing, China: China Standard Press, 2009.