基于PSCAD單芯電力電纜故障暫態仿真建模

楊關春， 陳 平， 高 鵬

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

隨著我國經濟的快速發展，城市電網負荷密度越來越大.由于電纜導電性能和耐熱性能較好，傳輸容量較大，結構輕便，易于彎曲，附件接頭簡單，安裝敷設方便等優點[1-3]，在高壓配電網中得到了越來越廣泛的應用.特別在城市電網中，為了美化城市形象及提高供電的可靠性，要求提高電纜化比例及主干道電線入地，廣泛地采用交聯聚乙烯電力電纜作為高壓、中壓輸配電線路.目前，國內大部分城市采用的是110kV、10kV、380V的三級電網結構，已有不少110kV電壓等級的交聯聚乙烯電力電纜線路投入運行，并且呈逐年增長的趨勢[4-5].但是由于電力電纜鋪設在地下，運行環境相對惡劣，所以每年電纜故障造成的突發停電、火災隱患等事故時有發生，不僅給工農業生產造成了巨大損失，而且給人們的正常生活帶來一定影響.因此減少高壓電力電纜絕緣故障，對于保證城市配電網的安全可靠運行，有著非常重要的意義[6].

本文對高壓電力電纜的絕緣故障建立了仿真模型，并分別對主絕緣故障和外護套絕緣故障進行仿真，同時對比分析故障線路與非故障線路的初始暫態電流與故障電流幅值的特征，為高壓電力電纜絕緣故障的研究提供一定的借鑒.

1 單芯電纜的結構組成及其作用

本文采用110kV高壓單芯電纜，其截面如圖1所示[7].

1-導體2-導體屏蔽層3-絕緣層 4-絕緣屏蔽層 5-銅屏蔽層 6-填充層 7-鎧裝層 8-外護層圖1單芯電力電纜結構圖

(1)導體.其作用是傳導電流.

(2)導電屏蔽層.屏蔽層具有均勻電場和降底線芯表面場強的作用.

(3)絕緣層.用來隔絕導體，防止電流泄漏.

(4)絕緣屏蔽層.保證能與絕緣緊密接觸，克服絕緣層與金屬屏蔽層無法緊密接觸而產生氣隙的弱點，而把氣隙屏蔽在工作場強之外.

(5)銅屏蔽層.其作用是限制電場和電磁干擾.

(6)填充層.其作用是讓電纜圓整、結構穩定.

(7)鎧裝層.其作用是保護電纜不被外力損傷.

(8)外護層.其作用是保護絕緣和保證整個電纜正常可靠工作.

2 單芯電纜故障建模

2.1 仿真環境簡介

PSCAD是一個以圖形為基礎的電力系統模擬工具.其功能強大，自帶模型庫并且有友好的人機交互界面，能夠顯著地提高電力系統電磁暫態模擬研究的效率.借助建模包，使用者可以用圖形的方法建立要進行模擬研究的電力系統模型.確定電纜模型需要使用CABLE模塊，通過功能選擇可以產生單頻率模式模型或者完全的頻率相關行波模型，其中，每一導電層和絕緣層的半徑和特性都是必需的.

在MATLAB的電力系統模塊庫中沒有合適的相應電纜模型，綜合考慮后本次建模仿真選擇PSCAD4.2.0作為仿真建模工具，MATLAB7.1作為數據處理工具.

2.2 金屬護層接地方式的選擇

單芯電纜的導體與金屬屏蔽的關系，可看作變壓器的初級繞組.當電纜的導體通過交流電流時，其周圍產生的一部分磁力線將與屏蔽層鉸鏈，使屏蔽層產生感應電壓，感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流成正比[8].根據電纜的實際應用長度，通常將金屬護層的接地方式分為以下幾種[9]：當電纜線路長度在500m以內時，金屬護層可采用一端直接接地，另一端通過護層保護器接地；當電纜線路長度較長，且在1 000m以內時，須采用中點處將金屬護層直接接地，電纜兩端的終端頭的金屬護層通過護層保護器接地的方式；當電纜線路很長，大于1 000m時，可以采用金屬護層交叉互聯接地的方式.

2.3 電纜參數的選擇

本文對電纜絕緣故障建模仿真，采用銅芯110kV交聯聚乙烯銅屏蔽單芯電纜，根據實際電纜參數仿真模型，參數設置如圖2所示.

圖2 110kV單芯電纜參數結構圖

2.4 單芯電纜故障仿真模型

通過對單芯電纜結構的分析，本文將電力電纜的絕緣故障分為主絕緣故障(即導體與金屬護層短接時)和外護套絕緣故障(即由于外護套絕緣受到破壞，使金屬護層接地)，利用軟件PSCAD分別對主絕緣故障和外護套絕緣故障建立了仿真模型，其仿真模型如圖3所示，其中，F1表示主絕緣故障，F2表示外護套絕緣故障，其電纜線路電壓等級為110kV，故障時刻為0.06s，故障持續時間為10ms，采樣頻率為1MHz，水平排列，每相電纜之間間距為0.2m，地下電纜深度0.5m，故障相為A相，電纜總長度為500m，金屬護層采用一端直接接地，一端經保護接地的接線方式.

圖3 多回線路高壓電纜絕緣故障仿真模型

3 仿真分析

3.1 外護套絕緣故障仿真分析

當電纜發生外護套絕緣故障時，非故障線路與故障線路的導體和金屬護層中電流仿真圖如圖4所示，為了便于電流極性的比較，將故障線路金屬護層電流仿真放大圖如圖5所示，以及非故障線路金屬護層電流仿真放大圖如圖6所示.

圖4 外護套絕緣故障時，電流仿真圖

圖5 外護套絕緣故障時，故障線路金屬護層的電流放大圖

圖6 外護套絕緣故障時，非故障線路金屬護層的電流放大圖

從以上電流仿真圖可以得到以下結論：

(1)當金屬護層接地，發生外護套絕緣故障時，故障線路中故障A相金屬護層中的初始暫態電流極性與本線路非故障相金屬護層的初始暫態電流極性相反，且本線路故障相金屬護層的電流幅值變化很大，而本線路非故障相金屬護層中故障電流幅值變化比較小.

(2)非故障線路中各相金屬護層中初始暫態電流極性一致，且非故障線路各相金屬護層中的初始暫態電流極性與故障線路故障A相的初始暫態電流極性相反.

3.2 主絕緣故障仿真分析

當電纜發生主絕緣故障時，非故障線路與故障線路的導體和金屬護層電流仿真圖如圖7所示，同樣，為了便于電流極性的比較，將故障線路金屬護層電流仿真放大如圖8所示，以及非故障線路金屬護層電流仿真放大圖如圖9所示.

圖7 主絕緣故障時，故障線路與非故障線路電流仿真圖

圖8 主絕緣故障時，故障線路金屬護層電流仿真放大圖

圖9 主絕緣故障時，非故障線路金屬護層電流仿真放大圖

從以上仿真圖可以得出以下結論：

(1)當電纜線路發生主絕緣故障時，故障線路中故障A相金屬護層中的初始暫態電流極性與本線路非故障相金屬護層中的初始暫態電流極性相反，且本線路故障相金屬護層的電流幅值變化很大.

(2)故障線路故障A相導體中的初始暫態電流與本故障相金屬護層中的初始暫態電流極性相同，且本故障相導體中的故障電流和金屬護層故障電流的幅值都有很大的變化.

(3)故障線路中故障A相金屬護層中初始暫態電流與非故障線路金屬護層中初始暫態電流極性相反，且故障相的金屬護層故障電流幅值遠大于非故障線路上的金屬護層故障電流幅值.

4 結束語

本文對高壓單芯電纜的結構作了簡單的介紹，在此基礎上，將高壓電纜絕緣故障分為主絕緣故障和外護套絕緣故障，并利用PSCAD對主絕緣故障和外護套絕緣故障建立了仿真模型，由仿真結果可知，利用PSCAD對其進行仿真，能方便準確地反應故障線路與非故障線路中導體和金屬護層故障電流的暫態特性，且仿真時間短，精度高.

[1] 朱曉輝，杜伯學，周風爭，等.高壓交聯聚乙烯電纜在線監測及檢測技術的研究現狀[J].絕緣材料，2009,42(5):58-63.

[2] 陳巧勇，文習山，王一，等.交聯聚乙烯電力電纜的絕緣在線檢測[J].高壓電器,2003,39(1) :60-62.

[3] 江秀臣，蔡軍，董小兵，等.110 kV 及以上電壓等級交聯電纜在線監測技術[J].電力自動化設備，2005, 25(8):13-17.

[4] 羅俊華， 馬翠姣， 邱毓昌.交聯聚乙烯電纜絕緣的在線監測[J].高壓電器，1999,35(6):44-46.

[5] 柴旭崢，關根志，黃海鯤，等.交聯聚乙烯電力電纜的絕緣在線監測技術[J].電線電纜,2002, 11(6):30-33.

[6] 羅華煜，關根志，易小羽.基于接地線電流法的電力電纜絕緣在線監測[J].高電壓技術,2005,31(11):63-65.

[7] 牛海清，王曉斌，蟻澤沛，等.110 kV單芯電纜金屬護套環流計算與試驗研究[J].高電壓技術，2005,31(8):15-17.

[8] 歐景茹，祁樹文，楊世春.高壓單芯電纜線路金屬護套接地方式[J]，吉林電力，2005,4(2):19-21.

[9] 王波，羅進圣，黃宏新.220kV高壓單芯電力電纜金屬護套環流分析[J].高壓電器，2009,45(5):141-145.