500kV海缆直流耐压试验时的故障状况研究

500kV海缆直流耐压试验时的故障状况研究
【摘要】利用基于Matlab所建立的海缆直流耐压试验模型，讨论了海缆在直流耐压试验时三种可能出现的故障情况。

研究发现了海缆耐压过程中发生击穿故障的电流与电压波形特征，为以后的故障分析提供重要依据；根据击穿故障中可能出现的电流与电压峰值整定相应的保护装置，从而避免海缆和试验设备的绝缘故障。

【关键词】海南联网工程；海底电缆；直流耐压试验；直流高压发生器；击穿；Matlab
1.引言
500kV海南联网工程将中国南方电网和海南电网通过琼州海峡互联，是我国第一条超高压、大容量、远距离的海底输电线。

海底电缆的绝缘状况决定了它是否能安全运行，所以对海缆绝缘进行有效的直流耐压试验以了解其绝缘状况是非常重要的。

本文根据海南联网工程海底电缆的直流耐压试验模型及特点，对海缆直流耐压试验时可能出现三种典型的击穿故障进行Matlab建模分析。

2.海底电缆直流耐压试验
海南联网工程在海底电缆投入运行时，需要对海缆进行直流耐压试验，该试验是考核电缆绝缘性能及其承受过电压能力的主要方法，并能够有效检测充油海底电缆的机械损伤、介质受潮等局部缺陷。

但直流耐压试验是一种破坏性试验，在直流高压的作用下绝缘依然容易发生损坏的现象，对以后的稳定运行造成影响，因此研究直流耐压试验时可能出现的绝缘故障是十分有必要的。

[1]
2.1 直流耐压试验的基本原理
直流耐压试验的基本原理是首先将直流电压施加在电缆的主绝缘上，这个直流电压要求比电缆的正常工作电压高，将这个电压保持一段时间并且电压值尽量恒定，如果被试海缆试样能在这段时间经受这样高的直流电压而不出现击穿的现象，则可以判定符合要求，以图1为直流耐压试验的电路原理接线图。

[1-2]
图1 直流耐压试验电路原理接线图
2.2 直流耐压试验的电压值
参考IEC 60141-1中的规定[3]，500kV海南联网工程的额定电压值U0=303kV，对应的直流试验电压为3U0=909kV；或50%的雷电冲击试验电压。

500kV充油电缆雷电冲击试验电压为-1550kV，按此直流试验电压为-775kV。

取
两者中的较低值，为-775kV。

[4]采用负极性电压的直流耐压是现场检查油纸绝缘电力电缆电气强度的常用方法，结合厂家技术规范，最终确定海缆安装后直流耐压试验电压为775kV，历时15min。

3.直流高压试验仪器
根据DL/T596-2005《电力设备预防性试验规程》的规定，500kV海缆应该在775kV的直流电压下进行直流耐压试验。

[5]目前国内在500kV电压等级领域的海缆直流耐压试验尚属一片空白，为此南方电网超高压公司特研发出一套800kV/10mA直流高压发生器（以下简称直高发）。

3.1 直流高压发生器原理
直高发产生直流高压的核心电路为串级式中频多倍压电路，该电路应用PWM脉宽调制技术，大大提高了对电压进行调节的稳定性。

多倍压串联式直流高压试验装置原理框图如图2所示。

[6]
由图2可知，该直高发的特点是逆变器使用了大功率晶体管IGBT来提高变压器的输出功率，这种IGBT的开通和关断时间都非常地小且同时具备自动关断能力，因此精简了电路中的部分元件从而使电路的设置更加合理且损耗更小。

下图3是直高发的现场照片，这种应用电子技术制成的直流高压试验仪器体积小、重量轻、便于携带且使用方便。

图2 多倍压串联式直流高压试验装置原理框图
图3 海缆直流高压发生器现场照片
3.2 直高发在海缆耐压试验中存在的缺陷
当时试验单位已经研发出一套800kV/10mA的直高发，并且多次应用于换流变等小电容试品直流耐压试验，其电压、容量、体积及连续运行时间等技术指标都能满足海缆的直流耐压试验要求。

但由于海南联网工程采用的自容式充油海底电缆所处的环境特殊，其电容值较大，一般在2以上，在升压过程中，非常容易由于充电电流过大导致高压过流而跳闸，所以在实际试验之前对整套系统进行建模分析是非常必要的，相应地对直高发采取必要的保护措施。

[7]
4.海缆直流耐压试验模型
调用Matlab中的Simulink对海缆直流耐压试验进行建模，海缆的直流耐压试验模型如图4所示。

[8]依据输电线的集中参数等值电路，将海缆的直流耐压试验电路等效为型等值电路[9]，其具体各参数为：C1、C2表示海缆的分布电容，每公里取值为0.24；R1、R2表示海缆的绝缘电阻，每公里取值为52701.667；R3表示海缆的导体电阻，每公里取值为0.0221；L1表示海缆的电感，每公里为0.05mH；Ro为高压直流发生器的保护电阻，取值8；Lo为输出端到电缆终端之
间的接线电感，取值0.5。

图4 海缆直流耐压试验模型
5.试验时可能出现的故障状况分析
试验中所加的稳态试验电压远大于实际运行电压，如果安装后海缆内部绝缘存在明显缺陷，在现场耐压过程中将可能出现内部击穿故障。

在试验电压升至-775kV并稳定后，海缆绝缘故障按击穿点的位置不同，可分为三种典型情况：海缆中间位置本体击穿、加压侧端部击穿和末端端部击穿。

[10]依据海缆的直流耐压试验模型，针对三种故障情况进行Matlab仿真分析。

[11]
5.1 海缆中间位置本体击穿
海缆中间位置击穿的分布式简化模型如图6所示，该模型基于海缆的直流耐压试验模型，在海缆中间位置（15.35km）发生本体击穿，此处设置开关0.5s时闭合以模拟击穿故障。

图6 中间位置本体击穿模型
由于同时具备电感和电容两种储能元件，属于二阶电路，由电路原理可知，将电路适当简化分析，可视为三个简单电路的叠加之和。

图中纵坐标单位分别为安培和伏特，横坐标单位为秒。

若海缆0.5s时刻发生中间位置本体击穿，主干路的电流、电压均为振荡放电过程，模拟的结果如图7所示。