110 k V單芯高壓電纜護套環流抑制措施

鄭光祿，張 濤

（廣州大學城華電新能源有限公司，廣州511442）

1 抑制措施的背景

1.1 迎新谷能線線路概況

迎新谷能線為110 kV/800 mm2XLPE鋁護套電纜，全長6740 m，共分15段。敷設方式為電纜溝、直埋、穿管和頂管混合敷設。護套接地方式采用交叉互聯一端直接接地，另一端經過過壓保護器接地的方式。于2009年10月10日投入運行后，發現過壓保護器爆裂，通過環流檢測發現金屬護套接地環流偏大。通過檢測及其分析后，排除了電纜護套多點接地及相位連接錯誤的原因。在迎新谷能線負荷電流為300 A時，測得每段護層環流值，大部分環流小于負荷電流的5%，但在6#～9#井交叉互聯段內最大環流達128 A，占負荷電流的42%。經初步分析，導致迎新谷能線護套該段環流偏大主要可能原因如下：

1）同一交叉互聯大段內電纜分段不均勻,電纜直埋沒有組成“品”型。

2）臨近回路的感應電壓。比如在工井內受110 kV其它線路的影響，其它線路在與迎新谷能線同溝敷設，同樣采用電纜溝、直埋、穿管和頂管混合敷設方式，每一回路存在交錯可能，回路之間相互影響比較大。

3）白蟻及施工外力、盜挖對護套的損傷。

1.2 抑制措施的必要性

事故分析原因認定為：接地故障電流在電纜護層上產生感應電壓，該電壓無法通過交叉互聯(長度不均)抵消，電壓遠大于避雷器的導通電壓，流經避雷器的大電流持續超過1000 ms，而造成避雷器過熱爆裂。為防止事故擴大，必須研究一種有效的高壓電纜護層環流抑制方法及保護器放電間隙的調整，對迎新谷能線線路護套接地方式進行改造。

解決方案：將原先電纜3小段交叉互聯后兩端接地方式改為：在#0工井、#4工井和#8工井交叉互聯后一端接地，一端經加裝電抗器及保護器接地的方式。改造后線路的環流實測為0～5 A，保護器處感應電壓在50 V內，滿足現行規程GB50217—2007 規定要求（不得大于 100 V）（1）。

2 主要理論分析及仿真

2.1 護套感應電壓和環流

正常運行時，通過高壓單芯電纜的芯線通過單相電流，其磁力線匝鏈金屬外皮，當單芯電纜(小于500 m)外護層兩端直接接地時，則相當于構成一個1∶1的變壓器，會產生很大的感應電流和熱量損耗，加速電纜絕緣老化，使正常運行時纜芯載流量降低約40%。故對于高壓單芯電纜系統，應視實際情況選擇合適的電纜護層接地方式。對中長電纜(500-1000 m)一般采用金屬護層一端直接接地，另一端經保護器接地，并沿電纜線路增設一條回流線的接地方式。對中特長(1000 m以上)電纜線路，一般采用電纜護層交叉互聯的接線方式。

2.2 ATP線路仿真

2.2.1 護層保護器(氧化鋅避雷器)的選取

國內外標準中對其參數選取的一般規定為:①保護器通過最大沖擊電流時的殘壓乘以1.4后，應低于電纜護層絕緣的沖擊耐壓值；②保護器在最大工頻電壓作用下能承受5 s而不損壞；③保護器應能通過最大沖擊電流累計20次而不損壞。優化設計電力電纜金屬護層保護器技術參數。

系統短路時，工頻短路電流流過電纜線路芯線，電纜金屬護套不接地端會產生較高的工頻感應電壓。兼顧護層保護器的工頻過電壓耐受能力和起始動作電壓U1mA(U1mA=1.414Urp)，護層保護器額定電壓為

式中，Up為短路事故中電纜中出現的工頻電壓最大值；K為保護器工頻電壓配合系數。

2.2.2 電纜護層一點接地感應電壓計算

設系統為單電源時，接地電流全部以大地為回路返回主變壓器中性點（對于多電源時應計及各分支系數，確定流回各臺主變壓器中性點接地電流。），如圖1。此時A、B、C三相護層感應電壓。

圖1 單相接地故障

式中：D—地中電流穿透深度，單位m，，ρ土壤電阻率，f電源頻率。

對于廣州地區ρ=50Ω·m，GMRs=67 mm（金屬護層等值半徑），ID=20 kA，代入上式，可得

由以上計算結果可知，對于短電纜采用一端直接接地，另一端經避雷保護器接地，在電纜發生單相接地故障后，護層最高感應電壓約在10.25 kV，不會導致避雷器損壞。然而對于迎新谷能線，因線路較長，每一大段長度均在1 km以上（#0-#3段長約1300 m），在線路采用一端接地另一端采用保護器接地的方式時，在發生系統單相接地后，護層最高感應電壓會超過20 kV，使避雷保護器流過超過了自身通流量，其內部熱能無法短時間散發，巨大的內壓造成封閉的保護器爆裂，并放電擊穿。對于這種接線方式，只采用避雷保護器是不夠的。

2.2.3 增加電抗器限制護層環流（2）

資料顯示，韓國某2回154 kV單芯充油電纜6323 m長線路，含6個交叉互聯單元，其中有些交叉互聯單元中的3個區段長度差別很大，出現的最大環流接近100 A。研究決定采用電感值為2.65 mH的扼流圈串接于交叉互聯的連接回路。按電磁暫態過程借助于MALTAB交流暫態程序，對其電纜線路分布參數模型進行模擬分析，并進行測試，結果表明可減小環流約為85%。

為防止暫態過電壓對扼流圈的危害，設計與其并聯配置的保護器時，應使線圈伏安特性曲線在護層絕緣保護器伏安特性曲線覆蓋范圍內。

2.2.4 用ATP對迎新谷能線仿真

對廣州大學城能源站迎新谷能線建立電路模型。分析和仿真計算表明，限流電抗器能夠有效地限制由于各種原因引起的電纜護套環流異常或增大。隨著電抗器歐姆值的增大，限流效果越來越好，然而正常運行情況下，電抗器上的電壓降也越來越大。電抗器歐姆值達到1.5Ω時，限流效果就比較理想了。當系統發生單相接地故障時，電抗器兩端最高電壓為3.6 kV，這為大容量放電間隙設計提供了依據。

3 護層電流抑制電抗器及接地箱的研制[3-5]

3.1 產品研發路線

1）利用ATP軟件，模擬仿真迎新谷能線路，計算改造前護層環流和增加扼流電感后護層環流的大小。為扼流電感和大容量放電間隙設計提供理論依據。

2）設計專用接地箱和接地箱固定支架，可同時安裝三個扼流電感和三個避雷器，保證機械強度、百葉窗散熱、水密封防雨淋。

3）設計確定電抗器電感值。

3.2 產品設計原則

單相短路故障通常由繼電保護快速切除之。限流電抗器的接入，其伏安特性既應保證正常運行的有效限流，又應能在短路故障時迅速飽和，呈現出明顯變小的低阻抗，從而保證短路電流繼電保護的正常動作。

3.3 護層電流抑制電抗器的研制

3.3.1 扼流電抗器電感值的確定

設電纜線路每三段作為一個交叉互聯大段，現以迎新谷能線#1工井到#3號工井這一交叉互聯段為例進行計算。

三段電纜長度分別為：l1=438 m，l2=431 m，l3=456 m。

負荷電流IF=300 A，

護層環流Is=73 A。

根據城能源站提供該電纜金屬護層自抗為

該回路接地電阻值R=3.1Ω，土壤電阻Rg=π2f×10-4×1.140=0.0563 Ω。

未接入電抗器時回路總阻抗ZX=(3.1+0.0563)+j0.3166=3.172Ω。

按照現場實際要求，增加電抗器后，應控制護層環流小于原來電流的20%以下，即為125.8*0.2=25.16A，根據ATP仿真結果，迎新谷能線最高感應電勢Es=80V（1140 m），可計算此時增加電抗器后回路總阻抗為Z=80/19.6=3.1792 Ω。

回路總阻抗為Z=ZX+ZL，可計算電抗器電感值L=7.2 mH。

圖2 電抗器伏安特性曲線

3.3.2 環流抑制電抗器試驗

環流抑制電抗器飽和電壓為50 V，能承受20 kA工頻短路電流。試驗接線圖如圖3，短路試驗波形圖如圖4。

圖3 電抗器工頻試驗接線圖

電抗器接地箱安裝（迎新谷能線4號井）安裝后的情況：

接地箱改造前后接地電流值

A相：53 A相：0.5 B相：74 B相：1.3 C相：31 C相：0.9 110 kV迎新谷能線(運行電流I0=330 A)改造位置 改造前環流IF(A)改造后環流IF1(A)IF1/I0 GIS站-M1-M2-M3大段 GIS站內直接接地A相：36.6 A相：1 B相：26 B相：0.84 C相：21 C相：0.55 M3-M4-M5-M6大段 M4交叉互聯箱戶外A相：74 A相：1.4 B相：50 B相：1.1 C相：90 C相：1.3結論 改造后的環流大小符合技術協議規定技術指標（即環流小于運行電流的5%）M6-M7-M8-M9大段 M4交叉互聯箱隧道改造后環流有效值IF1(A)IF1/I0 A相：15.1 A相：0.9 B相：23 B相：0.8 C相：3.5 C相：1.1 110 kV棠赤谷能線(運行電流I0=0 A)改造位置 改造前環流有效值IF(A)GIS站-M1-M2-M3大段 GIS站內直接接地A相：13.5 A相：0.5 B相：29 B相：1.3 C相：17.2 C相：0.71 M3-M4-M5-M6大段 M4交叉互聯箱戶外A相：7 A相：0.4 B相：12 B相：0.3 C相：12 C相：0.9結論 改造后的環流大小符合技術協議規定技術指標要求（即環流小于運行電流的5%）M6-M7-M8-M9大段 M4交叉互聯箱隧道

4 結論

1）對大學城能源站送出線電纜線路建立數學模型，武漢大學對其進行了ATP仿真，驗證電纜環流偏大的原因。計算結果與實際情況相互吻合。

2）通過ATP對單相接地故障(短路電流20kA)進行仿真，計算電纜每一大段護層感應電壓，在理論上驗證了前期所分析避雷保護器損壞的原因。

2）通過ATP仿真，計算四回路在不同負荷電流下護層最大感應電壓。結果表明，當負荷電流均為320 A時（最嚴重情況），感應電壓最高為102 V，大多數情況下護層感應電壓都小于60 V。為電抗器設計提供了理論依據。

3）結合ATP仿真結果以及能源站以往所測試護層感應電壓數值，選取電抗器飽和電壓為50～60 V（流過電流為10 A時，電感器兩端電壓在60 V左右。對電抗器進行了通流試驗(施加50 Hz十個周波500 A～20 kA電流)，試驗表明電抗器動熱性能穩定。

4）在迎新谷能線安裝專門設計的接地箱。以4#接地箱為例，安裝前電源側環流最大90 A，安裝后降為1.3 A。

5）當三相不平衡時，電抗器不能補償相位。

[1]GB50217-2007.電力工程電纜設計規范,2007.

[2]江日洪.關于廣州大學城能源站110 kV電纜線路運行若干問題分析.

[3]羅俊華,周作春,李華春,羅旻.單芯電力電纜金屬護層過電壓保護器參數設計[J].高電壓技術,2008,34(2):355-372.

[4]牛海清,王曉兵,蟻澤沛,張堯.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,(8):15-17.

[5]姜蕓等.電力電纜保護接地[J].高電壓技術,1998,24(4):36.