500 kV電纜線路電壓分布特性仿真分析

涂蘇格，余藝娟，陳 晨，陳 潔

（國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

為掌握變頻諧振交流耐壓試驗雷電沖擊、操作沖擊試驗中電纜的電壓分布特性，本文利用數(shù)值仿真軟件ATP-EMTP，模擬現(xiàn)場試驗對500 kV XLPE 電纜施加變頻諧振電壓波、雷電沖擊波、操作沖擊波，對3 種電壓波下電纜中電壓分布特性進行仿真計算分析［1-3］。對電纜采用分布參數(shù)等效模型，分別進行變頻諧振交流耐壓、雷電沖擊、操作沖擊試驗仿真分析［4-6］。

1 電纜計算模型

500 kV 電纜選擇YJLW03 290/500 1×2 500 mm2。電纜絕緣介電常數(shù)ε=2.5，電容分布參數(shù)值為1.87×10-10F/m，電感分布參數(shù)值為1.99×10-7H/m，電纜的波阻抗為Z=33 Ω，每公里電阻為0.007 3 Ω。

電纜使用分布參數(shù)等效電路來等效，如圖1所示，R0、L0、G0、C0分別為單位長度電纜的電阻、電感、電導和電容，模型中考慮了電壓波沿電纜傳輸過程中引起的能量損耗［7-14］。

圖1 電纜分布參數(shù)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of cable distribution parameters

2 變頻諧振交流耐壓試驗

根據(jù)《Q/GDW 11316—2014 電力電纜線路試驗規(guī)程》相關(guān)要求，電壓波形應基本為正弦波形，頻率應為20 Hz～300 Hz，試驗電壓值可為320 kV（1.1U0）、435 kV（1.5U0）、493 kV（1.7U0）、580 kV（2U0），計算同一電壓下不同諧振頻率時及同一頻率下不同試驗電壓時電纜電壓分布特性。

變頻串聯(lián)諧振裝置試驗原理圖如圖2所示。在圖2中，T為勵磁變壓器；L為電抗器；C1、C2為高壓分壓器高低壓臂；Cx為被試品等效電容。

圖2 變頻串聯(lián)諧振裝置試驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of the test of variable frequency series resonance device

運用串聯(lián)諧振原理，利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出頻率，使回路電感L和試品C串聯(lián)諧振，諧振電壓即為加到試品上電壓［15-19］。

用變頻串聯(lián)諧振法對電力電纜進行交流耐壓試驗的等效電路如圖3所示。在圖3中，U為勵磁變壓器的輸出電壓；R為試驗回路的等效電阻。

圖3 串聯(lián)諧振法等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of series resonance method

取試驗電壓值為493 kV（1.7U0），諧振頻率為50 Hz，仿真計算得電纜沿線電壓分布特性如圖4和圖5 所示（將總電纜分成5 段，從首端到末端共采集6 個節(jié)點的電壓）。

圖4 串聯(lián)諧振下電纜沿線電壓波形（f=50 Hz）Fig.4 Voltage waveform along the cable under series resonance(f=50 Hz)

圖5 電纜沿線電壓分布特性Fig.5 Voltage distribution characteristics along the cable

仿真結(jié)果表明，隨著電纜長度的增加，電纜電壓呈略微增長趨勢，但增長幅度不大，這是由于空載長線路的電容效應，輸電距離越大，末端電壓升高現(xiàn)象越明顯。

在20 Hz～300 Hz 頻率范圍內(nèi)，選擇諧振頻率點分別為20 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz，根據(jù)已有的電纜電容量計算相應的串聯(lián)回路電感量，仿真計算電纜末端電壓幅值如表1所示。

表1 不同諧振頻率下電纜末端電壓幅值Table 1 Cable end voltage amplitude under different resonance frequencies

由表1 可以看出，隨著頻率f 的升高，末端電壓升高現(xiàn)象更為明顯，說明頻率對電纜沿線電壓幅值有一定影響。

計算同一頻率下（50 Hz）不同試驗電壓（1.1U0、1.5U0、1.7U0、2U0）時電纜電壓分布特性，結(jié)果如表2所示（由于各節(jié)點電壓變化趨勢一致，這里僅以末端電壓為例）。

表2 同一頻率下電纜末端電壓幅值Table 2 Voltage amplitude of the cable end under the same frequency

隨著試驗電壓的升高，末端電壓呈線性升高，中間各節(jié)點呈現(xiàn)相同趨勢。

3 雷電沖擊電壓試驗

按照《GB/T 22078.1—2008 額定電壓500 kV（Um=550 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件——試驗方法和要求》規(guī)定，采用的標準雷電沖擊電壓波形（1.2/50 μs），試驗電壓值為1 550 kV，標準雷電沖擊電壓波形如圖6所示［20-24］。

圖6 標準雷電沖擊電壓波形Fig.6 Standard lightning impulse voltage waveform

仿真結(jié)果如圖7 和圖8 所示，仿真時長分別為T=1 ms和T=2 ms。

圖7 雷電波下電纜沿線電壓分布特性Fig.7 Voltage distribution characteristics along the cable under lightning waves

圖8 雷電波下電纜沿線電壓分布特性Fig.8 Voltage distribution characteristics along the cable under lightning waves

由于電纜末端開路，依據(jù)波傳播的固有特性在電纜末端節(jié)點電壓近乎發(fā)生全反射，末端電壓抬高2倍，中間各節(jié)點也都產(chǎn)生稍高的電壓。由于反射波的疊加，中間各節(jié)點出現(xiàn)波形的畸變。

4 操作沖擊電壓試驗

按照GB/T 22078.1—2008 規(guī)定，采用的標準操作沖擊電壓波形（250/2 500 μs），試驗電壓值為1 175 kV，標準操作沖擊電壓波形如圖9 所示［25-30］。在圖9 中，Tp=250 μs；T2=2 500 μs。

圖9 標準操作沖擊電壓波形Fig.9 Standard operation impulse voltage waveform

仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 操作波下電纜沿線電壓分布特性Fig.10 Voltage distribution characteristics along the cable under the operating wave

操作波下，由于電纜末端波反射造成電壓升高，沿線各節(jié)點電壓波形相似。由于操作波的波頭和波尾時間較長以及末端反射波的疊加，造成各節(jié)點均出現(xiàn)波形的畸變（除首端外）。

5 結(jié)語

通過變頻諧振交流耐壓、雷電沖擊、操作沖擊試驗仿真分析，仿真結(jié)果表明：

1）變頻諧振交流耐壓試驗中，隨著電纜長度的增加，電纜電壓呈略微增長趨勢，但增長幅度不大，這是由于空載長線路的電容效應，輸電距離越大，末端電壓升高現(xiàn)象越明顯；隨著頻率f的升高，末端電壓升高現(xiàn)象更為明顯，說明頻率對電纜沿線電壓幅值有一定影響；隨著試驗電壓的升高，末端電壓呈線性升高，中間各節(jié)點呈現(xiàn)相同趨勢。

2）雷電沖擊電壓試驗中，由于電纜末端開路，依據(jù)波傳播的固有特性在電纜末端節(jié)點電壓近乎發(fā)生全反射，末端電壓抬高2倍，中間各節(jié)點也都產(chǎn)生稍高的電壓。由于反射波的疊加，中間各節(jié)點出現(xiàn)波形的畸變。

3）操作沖擊電壓試驗中，由于電纜末端波反射造成電壓升高，沿線各節(jié)點電壓波形相似。由于操作波的波頭和波尾時間較長以及末端反射波的疊加，造成各節(jié)點均出現(xiàn)波形的畸變（除首端外）。