陳小富，劉會勇，王 勇，周 輝

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000)

±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程安全距離研究

陳小富1，劉會勇2，王 勇2，周 輝1

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000)

介紹了±200 kV電壓等級柔性直流輸電設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行中的安全距離試驗(yàn)研究情況與結(jié)果，通過對典型運(yùn)行工況下的安全距離問題的計(jì)算分析并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，確定了±200 kV柔性直流輸電設(shè)備的最小電氣安全距離，并應(yīng)用于直流輸電工程的生產(chǎn)運(yùn)行，對今后柔性直流輸電工程的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行與作業(yè)安全規(guī)程的編制都具有參考價(jià)值。

柔性直流輸電；安全距離；輸電工程;換流站

0 引言

換流站直流設(shè)備電氣安全距離計(jì)算研究是柔性直流輸電工程運(yùn)行維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，其最終目的是通過合理確定換流站直流設(shè)備電氣安全距離，防止人體可能觸及或過分接近帶電設(shè)備，防止車輛和其他物體碰觸帶電運(yùn)行設(shè)備，確保系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。舟山多端柔性直流輸電工程采用基于模塊化多電平換流器(MMC)的柔性直流輸電技術(shù)，直流電壓等級為±200 kV，是我國第1個(gè)多端柔性直流輸電工程，在此之前國內(nèi)尚未開展相關(guān)電壓等級柔性直流輸電設(shè)備帶電運(yùn)行安全距離技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究及應(yīng)用。

為確保生產(chǎn)運(yùn)行過程中直流輸電設(shè)備的安全性，開展±200 kV電壓等級柔性直流輸電設(shè)備運(yùn)行電氣安全距離的分析研究，具有非常重要的工程意義?，F(xiàn)結(jié)合工程實(shí)際，對±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程在生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在的安全距離問題進(jìn)行了分析，并從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，針對典型運(yùn)行工況下的安全距離問題進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，給出了相應(yīng)的安全距離數(shù)值。

1 ±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程概況

±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程由分別位于不同地域的舟定換流站、舟岱換流站、舟衢換流站、舟洋換流站和舟泗換流站構(gòu)成，是世界上首個(gè)5端柔性直流輸電工程。其中舟定換流站、舟岱換流站連接至所在地的220 kV交流電網(wǎng)，其余3站均與所在地110 kV交流電網(wǎng)相連。工程總體輸送容量為1 000 MW，單端最大輸送容量400 MW，直流系統(tǒng)采用±200 kV電壓等級，換流站直流部分配電裝置均采用戶內(nèi)布置方式，站間直流系統(tǒng)采用全電纜接線，最大電纜截面面積為1 000 mm2，最大額定載流量為750 A。

直流系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

圖1 舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)接線方式

舟山多端柔性直流輸電工程設(shè)計(jì)額定直流電壓為±200 kV，整流站采用定直流電壓控制，在實(shí)際運(yùn)行中主要的運(yùn)行方式是：舟定換流站作為送電端，其他4站作為受電端；當(dāng)舟定換流站退出運(yùn)行時(shí)，舟岱換流站將作為送電端，其他3站作為受電端。考慮到測量誤差，系統(tǒng)各換流站直流電壓不得高于202 kV。

2 安全距離

2.1 安全距離定義和種類

安全距離是指為保證人身、設(shè)備安全，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中作業(yè)人員與不同電位的帶電體之間、帶電體與帶電體之間、帶電體與其他設(shè)施和設(shè)備之間所應(yīng)保持的各種空氣間隙距離的總和。

根據(jù)電氣設(shè)備特性的不同，安全距離可分為：線路的安全距離、變配電設(shè)備的安全距離、用電設(shè)備的安全距離和檢修維護(hù)時(shí)的安全距離。

安全距離的確定包含以下3個(gè)方面：(1) 帶電設(shè)備不停電時(shí)的安全距離；(2) 工作人員在工作中正?；顒臃秶c帶電設(shè)備間的安全距離；

(3) 帶電作業(yè)時(shí)作業(yè)人員人身與帶電體間的安全距離。

2.2 直流輸電安全距離的計(jì)算方法和試驗(yàn)方式

直流輸電換流站直流場電氣設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行中的安全距離，首先由電氣設(shè)備的三維尺寸、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)和發(fā)生故障情況下產(chǎn)生的操作過電壓、可能遭受的雷擊過電壓以及必須的安全裕度等要素共同決定；在滿足運(yùn)行條件下，在換流站直流設(shè)備電極結(jié)構(gòu)最小空氣間隙距離的基礎(chǔ)上，再增加適當(dāng)?shù)陌踩６取?/p>

確定直流輸電安全距離空氣間隙，參照交流輸電設(shè)備帶電作業(yè)絕緣配合計(jì)算方法，如慣用法和簡化統(tǒng)計(jì)法。通常220 kV及以下電壓等級采用慣用法，330 kV及以上電壓等級采用簡化統(tǒng)計(jì)法。

慣用法的基本原理是使安全距離間隙的耐受電壓值高于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大過電壓值，并保留一定程度的安全裕度。在應(yīng)用絕緣配合慣用法時(shí)，最小空氣間隙距離(DU)的計(jì)算公式為：

其中：U90 %是絕緣間隙的操作沖擊耐受電壓；Kt為考慮海拔修正、標(biāo)準(zhǔn)偏差等的綜合系數(shù)。

最小安全距離(D)的計(jì)算公式為：

其中：DU為最小空氣間隙距離；DE為人體活動距離范圍，其參考值一般取0.2-1.0 m。

安全裕度(A)與系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大過電壓（Umax）、絕緣間隙的操作沖擊耐受電壓(U90 %)之間的關(guān)系為：

在確定安全距離后，對選擇的空氣間隙距離進(jìn)行電壓放電特性試驗(yàn)時(shí)，由于正極性放電電壓低于負(fù)極性放電電壓，通常對空氣間隙施加正極性直流電壓(額定運(yùn)行電壓)疊加正極性標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的復(fù)合試驗(yàn)電壓，以驗(yàn)證安全距離空氣間隙的安全性。

2.3 我國高壓直流輸電安全距離管理現(xiàn)狀

我國在運(yùn)的高壓直流輸電電壓等級主要有：±50 kV及以下、±500 kV、±660 kV、±800 kV。與電力設(shè)備安全距離相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程主要有：GB/T 18037—2008《帶電作業(yè)工具基本技術(shù)要求與設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、GB/T 19185—2008《交流線路帶電作業(yè)安全距離計(jì)算方法》和Q/GDW 17991—2013《電力安全工作規(guī)程(變電部分)》等，這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對在運(yùn)的各種電壓等級的電氣安全距離，有非常明確的管理標(biāo)準(zhǔn)和要求。

Q/GDW 17991—2013對不同電壓等級不停電時(shí)的安全距離有不同規(guī)定，如表1所示。

表1 設(shè)備不停電時(shí)的安全距離

基于模塊化多電平換流器(MMC)的柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用時(shí)間不長，目前國內(nèi)有關(guān)換流站直流設(shè)備電氣安全距離方面的研究文獻(xiàn)很少，國家、行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均未提供明確的柔性直流輸電各電壓等級安全距離。

由表1中的注1可知，舟山多端柔性直流輸電±200 kV的安全距離若參照±500 kV電壓等級，其安全距離為6.00 m，則安全圍欄布置、人員設(shè)備巡視、車輛進(jìn)站限高等裕度明顯偏大，不適用工程現(xiàn)場需求。

3 ±200 kV電壓等級安全距離的分析與確定

3.1 ±200 kV電壓等級安全距離分析

±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程換流站直流場中的穿墻套管、平波電抗器、隔離開關(guān)、避雷器、互感器、電纜終端套管等主設(shè)備通過管母和軟導(dǎo)線相連接，其中管母采用外徑為200 mm、內(nèi)徑為184 mm的管型鋁母線，軟導(dǎo)線為二分裂鋼芯鋁絞線。

工程中由雷電沖擊放電電壓決定的空氣間隙距離遠(yuǎn)小于由操作沖擊放電電壓決定的距離，因此一般只考慮操作沖擊情況。

在選取空氣間隙距離時(shí)，應(yīng)先考慮換流站的絕緣耐受配合水平，再用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到滿足絕緣水平的參考間隙距離。通過對舟山多端柔性直流輸電工程換流站直流設(shè)備的分析可發(fā)現(xiàn)，決定換流站直流場設(shè)備電氣安全距離的關(guān)鍵空氣間隙為：管母及其端部球?qū)Φ胤烹娍諝忾g隙、軟導(dǎo)線對地放電空氣間隙和平波電抗器對地放電空氣間隙。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]和[3]，±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程在設(shè)計(jì)時(shí)，采用ABB計(jì)算方法計(jì)算直流場空氣凈距，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

在此基礎(chǔ)上考慮適當(dāng)裕度，±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程設(shè)計(jì)直流場極母線對地和極母線對極母線最小空氣凈距分別按1.5 m和3.5 m考慮，基于1.7 m的常規(guī)人員高度和0.75 m的伸手高度，初步設(shè)計(jì)直流帶電體對地距離要求為：1.7+0.75+1.5=3.95 m。生產(chǎn)運(yùn)行準(zhǔn)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計(jì)直流場帶電體對地安全距離與國家相關(guān)電力設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程不一致，不能滿足生產(chǎn)運(yùn)行對安全距離的需求，需進(jìn)一步校核調(diào)整。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究成果，±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程換流站直流場操作沖擊耐受間隙距離為1.8 m， 在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加安全裕度，直流側(cè)生產(chǎn)運(yùn)行安全距離：設(shè)備不停電的安全距離、車輛(包括裝載物)外廓至無遮攔帶電部分間的安全距離、工作人員工作中正?；顒臃秶蛶щ婓w部分的安全距離參考值分別為3 m，2.55 m，3.8 m。基于1.7 m的常規(guī)人員高度和1.2 m的安全裕度，生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)直流帶電體對地距離為1.7+1.2+1.8=4.7 m。

3.2 ±200 kV電壓等級安全距離確定

綜合工程設(shè)計(jì)單位、科研院所合作計(jì)算研究成果及相關(guān)專家意見，確定如下結(jié)論。

(1) 本工程的安全距離應(yīng)參照《電力安全工作規(guī)程(變電部分)》釋義的說明，±200 kV的“設(shè)備不停電時(shí)的安全距離”應(yīng)為：現(xiàn)場的安全凈距A1+1.2 m，±200 kV的“車輛包括裝載物外廓至無遮欄帶電部分之間的安全距離”應(yīng)為：現(xiàn)場的安全凈距A1+0.75 m。

(2) 由表1中注1可知，直流±200 kV輸電線路安全距離可按照±500 kV電壓等級確定，則安全距離為6.0 m，安全裕度明顯偏大。

(3) 初步設(shè)計(jì)階段計(jì)算的安全距離不能滿足生產(chǎn)運(yùn)行需求，需結(jié)合實(shí)際需求對設(shè)備安全距離進(jìn)一步調(diào)整。

（4）根據(jù)《±200 kV舟山柔直工程換流站直流側(cè)生產(chǎn)運(yùn)行安全距離試驗(yàn)研究》相關(guān)成果，直流場操作沖擊耐受間隙距離為1.8 m，加上1.2 m的安全裕度，設(shè)備不停電時(shí)安全距離為3.0 m。

4 直流場電氣安全距離隔離方案分析

±200 kV舟山多端柔性直流輸電換流站直流場為戶內(nèi)布置，其中平波電抗器和電壓測量裝置低式布置在圍欄內(nèi)，隔離開關(guān)、避雷器和電纜終端為高位布置?；诠こ踢\(yùn)行安全性，隔離開關(guān)到平波電抗器連接線導(dǎo)線對地安全距離應(yīng)調(diào)整到不低于4.7 m。結(jié)合工程實(shí)際，現(xiàn)提出了增加過渡支柱絕緣子和調(diào)整網(wǎng)門范圍2種解決方案。

表2 初設(shè)階段直流場最小空氣間隙距離計(jì)算值

4.1 增加過渡支柱絕緣子

該方案是在隔離開關(guān)到平波電抗器引線下方圍欄處，增加安裝支柱絕緣子。通過增加直流支柱絕緣子2只、軟母線固定金具2套、鋼芯鋁絞線50 m(已折算至單根)、直流雙分裂導(dǎo)線間隔棒10只、直流雙導(dǎo)線設(shè)備線夾2只，導(dǎo)線對地距離可以高于5.0 m，安全性較高。

4.2 調(diào)整網(wǎng)門范圍

該方案是在現(xiàn)有網(wǎng)門的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)門范圍適當(dāng)放大，保證低位的引線均在網(wǎng)門內(nèi)部。這種方案實(shí)施較為簡便，同時(shí)也滿足安全要求。

4.3 方案實(shí)施情況及效果評價(jià)

考慮今后現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行安全性，±200 kV舟山多端柔性直流輸電換流站直流場安全隔離采用增加過渡支柱絕緣子加大帶電部分對地距離作為實(shí)際解決方案。實(shí)施后的直流場現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 加裝過渡支柱絕緣子后的直流場現(xiàn)場

采取上述方案以來，±200 kV舟山多端柔性直流輸電換流站已安全運(yùn)行2年多。實(shí)踐證明，該工程確定的±200 kV電壓等級安全距離及現(xiàn)場改造方案，能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際需求。

5 結(jié)論

基于±200 kV舟山多端柔性直流輸電工程，查找柔性直流輸電在設(shè)計(jì)、運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的不一致之處，首次確認(rèn)了±200 kV電壓等級的安全距離，并在實(shí)際工程中有效應(yīng)用，填補(bǔ)了我國在此電壓等級的空白。同時(shí)，相關(guān)研究數(shù)據(jù)及運(yùn)行結(jié)論可為今后柔性直流輸電工程設(shè)計(jì)規(guī)程的編制提供技術(shù)支持，為避免不合理的設(shè)計(jì)參數(shù)造成安全距離過大導(dǎo)致投資浪費(fèi)，或安全距離過小不滿足運(yùn)行要求導(dǎo)致投運(yùn)前相關(guān)設(shè)備改造等問題提供借鑒。

1 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 1799.1—2013電力安全工作規(guī)程(變電部分)[S].北京：中國電力出版社，2013.

2 舟山多端柔性直流輸電重大科技示范工程成套設(shè)計(jì)書.系統(tǒng)方案[R].北京：國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，2012.

3 ±200 kV舟山多端柔性直流換流站工程初步設(shè)計(jì)階段綜合說明書[R].杭州：浙江省電力設(shè)計(jì)院，2013.

4 ±200 kV舟山柔直工程換流站直流側(cè)生產(chǎn)運(yùn)行安全距離試驗(yàn)研究[R].武漢：國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，2014.

5 全國高壓試驗(yàn)技術(shù)和絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 311.3—2007絕緣配合 第3部分高壓直流換流站絕緣配合程序[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

6 高 強(qiáng)，林 燁，黃立超，等.舟山多端系統(tǒng)柔性直流輸電工程綜述[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31(2)：33-38. 7 梁曦東，陳昌魚，周遠(yuǎn)翔.高電壓工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

8 孫昭英，李 斌.±500 kV直流輸電線路桿塔空氣間隙放電特性的研究[J].高電壓技術(shù)，1986，12(1)：14-18. 9 全國帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 19185—2008交流線路帶電安全距離計(jì)算方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

10 孫昭英，廖蔚明，丁玉劍，等.±800 kV直流輸電工程空氣間隙放電特性試驗(yàn)及間隙距離選擇[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(22)：8-12.

11 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T 18037—2008帶電作業(yè)工具基本技術(shù)要求與設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2008.

12 季于香，王學(xué)寬，周經(jīng)天，等.柔性直流輸電工程保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電力安全技術(shù)，2015，17(4)：11-13. 13 李亞男，蔣維勇，余世峰，等.舟山多端柔性直流輸電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2014，40(8)：2 490-2 496.

14 董云龍，凌衛(wèi)家，田 杰，等.舟山多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)[J]．電力自動化設(shè)備，2016，36(7)：169-175．

15 陳水利，李敬功，王向公．模糊集理論及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2005．

2016-09-04。

陳小富(1964-),男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)安全管理工作，email：699194@qq.com。

劉會勇(1982-),男，高級工程師，主要從事安全監(jiān)督管理工作。

王 勇(1976-),男，高級工程師，主要從事電力企業(yè)生產(chǎn)管理和安全監(jiān)督管理工作。

周 輝(1980-),男，高級工程師，主要從事安全質(zhì)量監(jiān)督工作。