110 kV電纜單端接地護(hù)層感應(yīng)電壓的計(jì)算與仿真

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(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著城市建設(shè)規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，城市樞紐變電站的進(jìn)出線電纜化程度越來越高，高電壓等級(jí)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(fā)生短路，將在電纜護(hù)層上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，威脅電纜的外絕緣[1-3]。

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

此外，GB 50217規(guī)定，110 kV及以上單芯電纜金屬護(hù)層發(fā)生單點(diǎn)直接接地時(shí)，在2種情況下均應(yīng)設(shè)置平行回流線：（1）系統(tǒng)短路時(shí)，電纜護(hù)層產(chǎn)生的感應(yīng)電壓超過電纜護(hù)層外絕緣耐受能力或護(hù)層保護(hù)器的工頻耐壓；（2）需抑制電纜鄰近弱電線路的電氣干擾強(qiáng)度。加裝回流線后，感應(yīng)電壓的數(shù)值可降到不設(shè)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(diǎn)[4]。

本文對110 kV電纜發(fā)生單相接故障時(shí)故障相和非故障相護(hù)層上的感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真和計(jì)算，驗(yàn)證了仿真模型和結(jié)算結(jié)果的一致性，同時(shí)研究了電纜不同長度、有無回流線等對護(hù)層感應(yīng)電壓幅度的影響。

1 計(jì)算仿真參數(shù)設(shè)置

110 kV電纜排管敷設(shè)適用于導(dǎo)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(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。仿真過程中，電纜的主要參數(shù)如下：110 kV銅芯XLPE絕緣交聯(lián)聚乙烯護(hù)套電纜，其中導(dǎo)體銅芯電阻率1.724×10-8Ω·m；鋁護(hù)層電阻率為2.826 4×10-8Ω·m；主絕緣交聯(lián)聚乙烯的介電常數(shù)為2.3；外護(hù)套絕緣聚氯乙烯的介電常數(shù)常數(shù)為3.5。

仿真電纜的敷設(shè)方式選取水平敷設(shè)，水平間距為0.25 m，電纜埋深為1 m。接地電阻的設(shè)置：變電站側(cè)接地電阻設(shè)為0.5 Ω，護(hù)層保護(hù)器端接地電阻為1 Ω，負(fù)荷電阻設(shè)為200 Ω，且有負(fù)荷電流440 A。

設(shè)置110 kV電纜三相水平排列。電纜單端接地不施加保護(hù)器時(shí)，將電纜長度分別設(shè)為400 m、600 m、800 m和1 000 m。在電纜末端發(fā)生A相接地短路，短路電流設(shè)為20 kA，計(jì)算和仿真末端感應(yīng)過電壓。根據(jù)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(hù)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(shù)

2 感應(yīng)電壓計(jì)算與仿真結(jié)果

2.1 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)接地電流全部以大地為回路、電纜輸電線路發(fā)生A相接地時(shí)，則A相的護(hù)層感應(yīng)電壓和B、C兩相感應(yīng)電壓的電壓計(jì)算公式為：

其中，R為電源側(cè)（變電站側(cè)）接地電阻；Rg為大地漏電阻，Rg=πf×10-4Ω·km-1；l為護(hù)套長度；rs為電纜金屬護(hù)層半徑；D為故障電流通過大地返回變壓器中性點(diǎn)時(shí)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(shí)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(jì)算結(jié)果如表2所示。當(dāng)電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，電纜護(hù)層上的感應(yīng)電壓幅值超過10 kV。隨著電纜長度的增長，它的感應(yīng)電壓幅度逐漸增大，但故障相護(hù)層感應(yīng)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(dāng)接地電流一部分以大地為回路另一部分以護(hù)套或回流線為回路時(shí)，在電纜線路旁平行敷設(shè)一根回流線，降低電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢。當(dāng)在電纜末端發(fā)生單相接地時(shí)，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(jì)。此時(shí)，A相金屬護(hù)套上的感應(yīng)電壓和B、C兩相的護(hù)層感應(yīng)電壓的計(jì)算公式為：

表2 電纜金屬護(hù)層單端接地仿真與計(jì)算結(jié)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(hù)層半徑；rP為回流線幾何平均半徑；其他均與之前規(guī)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(hù)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(dǎo)電流；Ip為回流線上感應(yīng)電壓形成的以大地為回路的循環(huán)電流。因此，電纜金屬護(hù)套的縱向感應(yīng)電勢可看成三個(gè)電流（Id、Io、Ip）的合成感應(yīng)電壓，A相金屬護(hù)套的感應(yīng)電動(dòng)勢為：

其中，ZAA為A相護(hù)套和發(fā)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(hù)套以大地為回路的互阻抗，表達(dá)式分別為：

其中，B、C相護(hù)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(hù)套以大地為回路的互阻抗為：

若護(hù)套電位是對大地來說，則應(yīng)加上地電位的部分。若護(hù)套電位是對回流線來說，則應(yīng)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(jì)算結(jié)果如表3所示。相比于表2，加回流線后，電纜護(hù)層上的感應(yīng)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(hù)層上的感應(yīng)電壓幅值逐漸增大。

2.2 仿真結(jié)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(shè)情況下，仿真計(jì)算單相接地故障后的電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓，電纜仿真采用LCC模塊。參數(shù)設(shè)置如章節(jié)1。當(dāng)接地電流全部以大地為回路且電纜輸電線路發(fā)生A相接地時(shí)，模型如圖3所示，仿真結(jié)果如表4所示。由此可知，A相仿真與計(jì)算結(jié)果誤差在1%之內(nèi)，B、C兩相誤差在4%以內(nèi)。

表3 金屬護(hù)層單端接地加回流線計(jì)算結(jié)果

表4 電纜金屬護(hù)層單端接地仿真與計(jì)算結(jié)果對比

圖3 金屬護(hù)層單端接地時(shí)單相接地故障仿真電路

當(dāng)接地電流一部分以大地為回路另一部分以護(hù)套或回流線為回路時(shí)，仿真時(shí)回流線采用半徑為11.25 mm，回流線平行敷設(shè)在B、C相中間，距B相0.075 m，其他仿真設(shè)置與不加回流線時(shí)相同，仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果如表5所示?？梢?，A、B、C三相仿真與計(jì)算結(jié)果誤差均在4%之內(nèi)。

圖4 金屬護(hù)層單端接地加回流線時(shí)單相接地故障仿真電路

3 結(jié) 論

當(dāng)電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，電纜護(hù)層上的感應(yīng)電壓幅值超過10 kV。隨著電纜長度的增長，感應(yīng)電壓幅度逐漸增大，但故障相護(hù)層感應(yīng)電壓幅值相對非故障相增長得多。加回流線后，電纜護(hù)層上的感應(yīng)電壓幅值明顯降低，減小幅度超過30%。

在排管敷設(shè)情況下，對單相接地故障后的電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓進(jìn)行ATP仿真計(jì)算，電纜仿真采用LCC模塊。當(dāng)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(hù)套或回流線為回路時(shí)，A、B、C三相護(hù)層感應(yīng)電壓仿真與計(jì)算結(jié)果誤差均在4%之內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

表5 金屬護(hù)層單端接地加回流線仿真計(jì)算結(jié)果