高壓交流電纜金屬護套接地電流超標原因分析與處理

劉 哲張明燦成洪剛裴雪辰李曉明

(1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司,河北 石家莊 050031;2.國網河北省電力有限公司石家莊供電分公司,河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著城鎮化的發展,高壓交流電纜線路在主城區內建設應用越來越廣泛,大量電纜線路的投入運行,電纜金屬護套接地電流(簡稱"環流")超標問題成為電纜運檢人員關注的重點。

環流影響因素研究廣泛,解析式計算模型已較為成熟。根據環流計算解析式的應用程序也在工程中得到應用[1-3],方便工程人員應用的環流擬合公式也在部分工程中取得較好效果。系統接線錯誤、保護器接線錯誤、金屬護套接地形式設計錯誤都能夠引發較大的環流[4-7]。串聯電阻、電感可以抑制環流,對于環流過大的交叉互聯接地形式的電纜線路,可改造為多段單端接地形式,但要注意單相短路工頻過電壓與外護套絕緣水平的配合[8-9],對于大段長電纜線路,這種降低環流的改造方法,還需要考慮護層保護器通流容量的限制[10-11]。對于環流抑制方法的綜合評價與在線監測系統評價標準改進方法鮮有闡述。

1 220 kV單芯電纜環流計算模型

1.1 交叉互聯接地的等值電路模型

220 k V 單芯高壓電纜金屬護套交叉互聯接地系統模型示意如圖1所示。

利用電路原理,建立等效電路圖,對環流數值的各個影響因素進行分析,交叉互聯接地等效電路圖如圖2所示。

圖2 交叉互聯接地等效電路

ISU、ISV、ISW分別為U、V、W 三相金屬護套上的環流值;ISE為接地電流;Rd為大地等效電阻;Rd1、Rd2分別為首末端的等效接地電阻;Zoi(i=1、2、3,下同)為每段的自阻抗;ESUi、ESVi、ESWi分別為U、V、W 三相電纜由本相線芯電流感應的電動勢;ETUi、ETVi、ETWi為U、V、W 三相電纜由其他相金屬護套中電流和大地回流感應的電動勢。

1.2 解析式計算方法

針對圖2所示的一個交叉互聯單元列寫解析式方程如下:

把電纜自阻抗、感應電動勢的實部虛部分離,上角標為“′”代表該參數的實部,上角標“″”表示該參數的虛部。

利用上述方程,便可求得各相環流ISU、ISV、ISW的數值。

2 環流影響因素分析

從解析式(1)可以看出,金屬護套接地電流為導體電流感應電動勢、金屬護套電流感應電動勢、大地回流感應電動勢與護套阻抗、接地電阻、大地等效電阻形成回路產生。此處忽略了電容電流與泄露電流,這兩種電流數值線芯和金屬護套之間的電壓值與電纜結構參數有關,一般情況下,220 k V 電纜線路小于6 A。

為了更準確地計算環流數值,分析新建與改造電纜線路的抑制環流措施,采用ATP-EMTP電磁暫態程序進行仿真計算。

建立比較基準,以分析研究各參數對環流數值的影響,仿真計算電纜采用ZC-YJLW03-Z 127/220 1×2500交聯聚乙烯皺紋鋁護套高壓電力電纜,線芯電流為1 200 A,隧道內敷設(空氣中),緊湊品字形敷設,兩端接地電阻為0.5Ω,負荷為集中參數電阻,采用交叉互聯接地,三小段長度均為700 m。

2.1 線芯電流的影響

根據上述仿真參數,交叉互聯三小段等長且為品字形敷設時,負荷電流改變,環流計算結果見表1。

表1 線芯電流對環流的影響

從計算結果可知,環流與線芯電流基本呈線性關系,當環流絕對值突然較大時,不一定是電纜接地系統或電纜本體等發生了故障,可能是負荷電流增加的影響,要參考環流與負荷電流百分比進行分析判斷。

2.2 交叉互聯分段不均勻的影響

交叉互聯三小段不等長時,會感應出不平衡的電動勢,通過兩端直接接地產生較大環流。采用品字形鋪設方式,兩小段為700 m,改變第三小段長度,環流計算結果見表2。

表2 分段不均勻對環流的影響

分段越不均勻,環流越大,而且上述計算電纜是以品字形敷設,環流只由段長不均勻產生,實際線路很難做到完全品字形敷設,所以三小段要盡可能相等。

2.3 布置方式的影響

隧道中電纜的主要敷設方式有水平布置、垂直布置、品字形布置、緊湊品字形布置,電纜間距為250 mm,布置方式如圖3所示。

圖3 隧道中電纜主要布置方式

交叉互聯三小段分別以4種布置方式計算環流,計算結果見表3。

表3 布置方式對環流的影響

各布置方式下的環流,緊湊形品字最小,品字排列次之,垂直排列與水平排列近乎相等且值最大。在新建電纜線路中,為了降低環流,結合載流量要求,優先選擇緊湊品字形布置方式。

2.4 金屬護套串聯電阻的影響

由圖2可知,在金屬護套的接地線連入接地箱前串聯一定數值的電阻,可降低環流數值。串聯一定數值電阻后的環流計算結果見表4。

表4 金屬護套串聯電阻對環流的影響

當串聯電阻增大時,環流降低效果明顯,同時入地電流也相應降低,但變化不大,如圖4所示。

圖4 不同串聯電阻值下的環流

同理,串聯電感也可取得抑制環流的效果,且阻抗值與電纜金屬護套等效阻抗相近時,抑制環流效果最佳。

2.5 接地電阻的影響

接地電阻改變,環流的計算結果見表5。

表5 接地電阻對環流的影響

接地電阻對環流幾乎無影響,由表5的計算結果可知,接地線在接地箱互聯后再接入串聯電阻對環流影響很小,抑制環流效果不如在各相金屬護套串聯阻抗。

3 環流超標處理方法

3.1 串聯電阻、電感

當串聯阻抗增加時,金屬護套的工頻過電壓將增加,考驗保護器的工頻過電壓耐受能力,嚴重情況會造成電纜外護套絕緣擊穿。短路電流分為15 k A 與30 k A 兩種情況,根據串聯不同的電阻值,計算得到的工頻過電壓詳細數值見表6,響應曲線如圖5所示。

表6 串聯電阻對工頻過電壓的影響

圖5 串聯電阻值下的工頻過電壓

當短路電流為30 k A,串聯電阻為5Ω 時,末端工頻過電壓為22.6 k V,當施加更大短路電流或串聯更大電阻時,外護套存在擊穿損壞的可能。本文建議,宜增加保護器維護與更換頻率,起到保護器電纜外護套絕緣的目的。

3.2 交叉互聯改單端接地方式

交叉互聯接地不但可以起到降低感應電壓的作用,金屬護套也可以起到回流線的作用。部分電纜線路工程,由于后期改造,打破了原交叉互聯接地的均勻分段。為了降低環流,把交叉互聯改成了單端接地首尾相接的方式,且未加設回流線。

回流線的設置與否在接地方式改造后,工頻過電壓的計算見表7。

表7 回流線對工頻過電壓的影響

交叉互聯接地改成單端接地未加回流線,會比改造前或加回流線方式的工頻過電壓數值大幅增加,存在安全隱患。

3.3 金屬護套接地電流在線監測系統評價標準改進

根據國網運檢標準,環流異常的評價標準,當電纜線路滿足下列任一項條件時,為異常;

(1)100 A≤接地電流絕對值≤200 A;

(2)20%≤接地電流與負荷比值≤50%;

(3)3≤單相接地電流最大值/最小值≤5;

當滿足下列任一項時,判定為缺陷,應停電檢查處理。

(1)接地電流與負荷比值≥50%;

(2)單相接地電流最大值/最小值≥5;

根據上述評價標準,當電纜線路環流大于100 A 時,就會被判定為異常。

環流絕對值增大,可能是負荷電流突然增大與電纜布置不均勻等因素相互疊加的結果,不一定是電纜外護套損壞或接地箱損壞等真正的缺陷。此時,應比對環流負荷電流比值與計算值的差異,當小于5%時,可以認為,僅僅是因為負荷電流增大、排列方式、布置方式等正常原因引起的環流絕對值增加;當大于等于5%時,可判定電纜線路接地系統存在缺陷,運檢人員應及時到相應接地位置進行巡檢,發現處理問題。

4 工程實例驗證

以某220 k V 電纜線路為例,該線路全長8.3 km,電纜型號為ZC-YJLW02-Z 127/220 1×1 000,電纜金屬護套接地系統為5個完整的交叉互聯單元。監測環流值較大的為第4號與第5號交叉互聯單元,其三相電纜分段長度與電纜布置方式見表8。線路部分斷面進行了縮小,品字形布置變為垂直布置。

表8 串聯電阻對工頻過電壓的影響

對第4號交叉互聯單元的線芯電流、環流進行實測與仿真,現場測量裝置見圖6,測量與仿真結果數值見表9。

圖6 串聯電阻值下的工頻過電壓

表9 計算值與實測值比較

從上表可知,差異在3%以內,仿真環流值與實測值基本一致,環流較大主要是由于兩個接頭間共采用了72 m 水平敷設,最后一個小段為垂直敷設,相間距離為500 mm。測量環流同時檢查電纜本體及接地箱,發現接地箱接線完好,保護器未損壞,電纜外護套絕緣正常。后續,抑制環流措施可采用串聯阻抗方式,同時驗算工頻過電壓水平。

5 結論

本文研究了環流的數學模型,建立了相應的電磁暫態仿真模型。基于此仿真模型,分析了環流的影響因素。研究了抑制環流的方法,利用電磁暫態程序重點仿真了串聯電阻、電感、接地電阻對環流數值的影響。對幾種環流抑制方法進行了分析,討論了各自的應用范圍與評價環流超標的評價標準。

通過工程實例,驗證了仿真模型與評價標準的準確性,后續應把計算方法嵌入在線監測系統中,實時評價計算值與測量值的差異,提高電纜系統缺陷預警的精確度。