110 kV電纜單端接地護層感應電壓的計算與仿真

2019-02-21 08:50:32胡振興羅曉康

通信電源技術 2019年1期

關鍵詞：故障

胡振興，肖靜，丁唯，王旭，羅曉康，彭勇

（1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川成都 610021；2.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072）

0 引言

隨著城市建設規模和標準的不斷提高，城市樞紐變電站的進出線電纜化程度越來越高，高電壓等級的電力電纜被大量采用。110 kV電力電纜常用單芯電纜，但單芯電纜在使用中若發生短路，將在電纜護層上產生感應過電壓，威脅電纜的外絕緣[1-3]。

目前，電纜護層連接方式主要依據GB 50217、DL/T 5221及GB/T 50065等。當單芯電力電纜線路未采取措施防止接觸到電纜的金屬護層時，電纜的金屬護層的感應電壓不應該超過50 V。采取有效措施時，金屬護層的感應電壓不應該超過300 V。電纜金屬護層接地方式可分為線路一端直接接地、中央部位單點直接接地、線路兩端直接接地及交叉互聯接地[4-6]。

此外，GB 50217規定，110 kV及以上單芯電纜金屬護層發生單點直接接地時，在2種情況下均應設置平行回流線：（1）系統短路時，電纜護層產生的感應電壓超過電纜護層外絕緣耐受能力或護層保護器的工頻耐壓；（2）需抑制電纜鄰近弱電線路的電氣干擾強度。加裝回流線后，感應電壓的數值可降到不設置回流線的30%左右。所以，回流線的分流作用是將電纜線路短路電流引回中性點[4]。

本文對110 kV電纜發生單相接故障時故障相和非故障相護層上的感應電壓進行仿真和計算，驗證了仿真模型和結算結果的一致性，同時研究了電纜不同長度、有無回流線等對護層感應電壓幅度的影響。

1 計算仿真參數設置

110 kV電纜排管敷設適用于導體截面為400～800 mm2的電纜，仿真中采用500 mm2作為典型的電纜截面積。電纜敷設結構參數如表1所示。仿真過程中，電纜的主要參數如下：110 kV銅芯XLPE絕緣交聯聚乙烯護套電纜，其中導體銅芯電阻率1.724×10-8Ω·m；鋁護層電阻率為2.826 4×10-8Ω·m；主絕緣交聯聚乙烯的介電常數為2.3；外護套絕緣聚氯乙烯的介電常數常數為3.5。

仿真電纜的敷設方式選取水平敷設，水平間距為0.25 m，電纜埋深為1 m。接地電阻的設置：變電站側接地電阻設為0.5 Ω，護層保護器端接地電阻為1 Ω，負荷電阻設為200 Ω，且有負荷電流440 A。

設置110 kV電纜三相水平排列。電纜單端接地不施加保護器時，將電纜長度分別設為400 m、600 m、800 m和1 000 m。在電纜末端發生A相接地短路，短路電流設為20 kA，計算和仿真末端感應過電壓。根據接地電流形成回路不同，分為接地電流全部以大地為回路和接地電流一部分以大地為回路另一部分以護套或回流線為回路兩種情況。

表1 110 kV電纜不同電纜截面參數

2 感應電壓計算與仿真結果

2.1 計算結果

當接地電流全部以大地為回路、電纜輸電線路發生A相接地時，則A相的護層感應電壓和B、C兩相感應電壓的電壓計算公式為：

其中，R為電源側（變電站側）接地電阻；Rg為大地漏電阻，Rg=πf×10-4Ω·km-1；l為護套長度；rs為電纜金屬護層半徑；D為故障電流通過大地返回變壓器中性點時等值集中電流深度，m（ρ為土壤電阻率）；Id為單相接地故障時的故障電流；B、C兩相距接地故障A相的距離分別為S、2S。等值電路圖如圖1所示，計算結果如表2所示。當電纜發生單相接地故障時，電纜護層上的感應電壓幅值超過10 kV。隨著電纜長度的增長，它的感應電壓幅度逐漸增大，但故障相護層感應電壓幅值相對非故障相增長得多。

圖1 接地電流全部以大地為回路

當接地電流一部分以大地為回路另一部分以護套或回流線為回路時，在電纜線路旁平行敷設一根回流線，降低電纜護層上的感應電勢。當在電纜末端發生單相接地時，故障電流大部分都通過回流線，而流入大地部分的故障電流可忽略不計。此時，A相金屬護套上的感應電壓和B、C兩相的護層感應電壓的計算公式為：

表2 電纜金屬護層單端接地仿真與計算結果對比

其中，DA、DB、DC為回流線與A、B、C三相之間的間距；RP為回流線單位長度的電阻；rs為電纜金屬護層半徑；rP為回流線幾何平均半徑；其他均與之前規定相同。等值電路如圖2所示。

圖2 接地電流全部以回流線或電纜金屬護套為回路

電流Io通過回流線直接返回的接地電流，又稱回流線的電導電流；Ip為回流線上感應電壓形成的以大地為回路的循環電流。因此，電纜金屬護套的縱向感應電勢可看成三個電流（Id、Io、Ip）的合成感應電壓，A相金屬護套的感應電動勢為：

其中，ZAA為A相護套和發生接地故障的線芯以大地為回路的互阻抗，ZPA為回流線和A相護套以大地為回路的互阻抗，表達式分別為：

其中，B、C相護套和接地A相線芯以大地為回路的互阻抗分別為：

回流線和B、C相護套以大地為回路的互阻抗為：

若護套電位是對大地來說，則應加上地電位的部分。若護套電位是對回流線來說，則應加上回流線上的壓降(Io+Ip)ZPP，其中ZPP是回流線以大地為回路的自阻抗，且有：

計算結果如表3所示。相比于表2，加回流線后，電纜護層上的感應電壓幅值明顯降低，減小幅度超過30%。隨著電纜長度的增加，電纜護層上的感應電壓幅值逐漸增大。

2.2 仿真結果

仿真采用ATP軟件，電纜采用110 kV銅芯XLPE絕緣聚氯乙烯外絕緣電纜。在排管敷設情況下，仿真計算單相接地故障后的電纜金屬護層的感應電壓，電纜仿真采用LCC模塊。參數設置如章節1。當接地電流全部以大地為回路且電纜輸電線路發生A相接地時，模型如圖3所示，仿真結果如表4所示。由此可知，A相仿真與計算結果誤差在1%之內，B、C兩相誤差在4%以內。