高壓單芯電纜線路入地電流分流系數(shù)研究

胡振興

(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)

0 引言

某海外電站升壓站電壓等級為400 kV，接地設計入地電流為31.5 kA，送出采用截面為630 mm2的電纜，土壤電阻率 500 ～ 2 000Ω·m。經(jīng)接地仿真計算軟件CDEGS軟件初步計算結(jié)果顯示，由于入地電流較大，接觸電勢難以滿足要求?？紤]到電站升壓站發(fā)生接地故障時，將有部分故障電流流經(jīng)400 kV電纜金屬護層，從而使入地電流減小，故宜考慮其分流影響以盡量降低入地電流，從而降低接觸電勢。

GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》[1]的附錄B僅提供了架空線出線時的架空地線分流系數(shù)計算公式，但電纜金屬護層無法采用該公式進行計算。

經(jīng)查詢，國內(nèi)關于電纜出線入地電流分流系數(shù)計算的研究較少，僅文獻[2]采用PSCAD軟件進行了仿真計算研究，且與該項目僅有高壓電纜出線情況有所不同。故對該項目電纜出線的接地故障流系數(shù)開展了分析研究，以期降低入地電流。

1 解析計算分析

該項目400 kV出線電纜金屬護層接地方式為改進型交叉互聯(lián)方式，如圖1所示；電纜相關參數(shù)如表1所示。

圖1 電纜金屬護層接地示意圖

表1 400 kV電纜計算參數(shù)

由于電纜金屬護層接地分段方式比較簡單，可采用文獻[3]所述的電路方程解析計算的方式進行入地電流計算。另，廣泛查詢國內(nèi)外規(guī)范，GB/T 15544.4—2017《三相交流系統(tǒng)短路電流計算 第4部分：同時發(fā)生兩個獨立單相接地故障時的電流以及流過大地的電流》規(guī)范[4]為計算電纜金屬護層熱穩(wěn)定提供了三芯和單芯電纜出線不平衡短路時入地電流分流系數(shù)計算公式，可等效參考計算。單芯電纜對地短路情況如圖2、圖3所示。

圖2 僅從站A饋電，站B對地短路

圖3 從站A和B饋電以及電纜在站A、B間對地短路

對于圖2，入地電流為r33I(0)，入地電流相對接地短路電流占比系數(shù)為r3，r3計算公式如下：

式中：為護套或屏蔽層每單位長度電阻，Ω/m；rS為金屬護層等值半徑，mm；δ為地中等值電流深度，mm；d為電纜故障相與其他相間距，mm；ω為電源系統(tǒng)的角頻率(2πf)，頻率f為50Hz時取 314；μ0為真空磁導率，4π×10-7H/m。

對于圖3，站內(nèi)、對側(cè)站入地電流不同，入地電流計算公式如下：

式中：IEδA、IEδB為站內(nèi)、對側(cè)站地網(wǎng)入地電流，A；I(0)A、I(0)B為站內(nèi)、對側(cè)站變壓器中性點入地電流，A；為金屬護層單位長度阻抗，Ω/m；lA、lB為接地點到站內(nèi)、對側(cè)站距離，m；REF為接地點接地阻抗，Ω；ρ為土壤電阻率Ω·m；其余同式(1)。

對于圖3接地故障發(fā)生在電纜中間或接頭的方式，GB/T 15544.4—2017分析后提出各種情況下入地電流分流系數(shù)均小于圖2中r3，故分流系數(shù)按圖2r3計算即可滿足工程實用。

代入本項目相關計算參數(shù)，分流系數(shù)r3計算為3.5%。入地電流從31.5 kA減小為1.1 kA，優(yōu)化效果極其明顯。

2 仿真計算分析

圖2、圖3中，當?shù)鼐W(wǎng)A或地網(wǎng)B面積大小不同時，地網(wǎng)接地阻抗ZEA、ZEB是不同的，式(1)未體現(xiàn)這種差別；同時，實際土壤模型往往是多層土壤模型，土壤電阻率難以用一個確定的推薦值來表示，這也帶來了一定的誤差。故采用了仿真軟件CDEGS對比研究如下。

接地計算軟件CDEGS的分流系數(shù)計算模塊“SPLITS”未考慮電纜線路。經(jīng)研究可采用“HIFREQ”模塊建模進行間接計算，如圖4所示。土壤模型為多層土壤模型，參數(shù)如表2所示。

圖4 分流系數(shù)計算模型

表2 多層土壤模型

設定電纜導體A相中流過31.5 kA短路電流，電纜末端一相導體與金屬護層短接至地網(wǎng)，電纜金屬護層交叉互聯(lián)連接方式參照文獻[5]建模。仿真結(jié)果顯示，流經(jīng)電纜金屬護層的電流為31.137 kA，入地電流為0.363 kA，入地電流分流系數(shù)r3為1.15%。

入地電流的仿真計算結(jié)果與解析計算相比有一定誤差，分析有如下原因：①CDEGS軟件計算時金屬層單位長度電阻是軟件根據(jù)導體內(nèi)外徑和電阻率自動計算的，與手工計算有差距，而計算結(jié)果又對該參數(shù)很敏感；②土壤電阻率取值方式不同，解析計算時土壤模型只能按單一土壤電阻率計算；③仿真計算納入了地網(wǎng)接地電阻大小的影響。但計算結(jié)果數(shù)量級相差是不大的，實際工程中都是可以接受的。

3 參數(shù)敏感性分析

基于表1電纜數(shù)據(jù)，分析相關參數(shù)改變時r3變化敏感性：土壤電阻率從100Ω·m到1 000Ω·m時，r3變化范圍為2.7%～3%，說明入地電流r3對土壤電阻率變化不敏感；電纜相 間 距 離 從 100 mm 到 1 000 mm 時，r3變 化范圍為2.6%～3.1%，說明入地電流r3對電纜相間距離變化不敏感；金屬護層單位長度電阻從0.01Ω/km到0.4Ω/km改變，r3大小范圍為0.56%～21.5%，說明入地電流r3對電纜金屬護層單位長度電阻很敏感。

架空線出線時入地電流分流系數(shù)一般在50%～90%之間。與電纜出線對比可見，電纜金屬護層的入地電流分流系數(shù)遠比架空地線時小。對比文獻[1]的架空地線分流系數(shù)計算公式的計算參數(shù)構(gòu)成，可知是由于高壓電纜金屬護層阻抗遠小于架空地線，導致高壓電纜金屬護層分流效應更明顯：高壓電纜金屬護層單位長度電阻一般在0.01Ω/km～0.4Ω/km之間，而出線電纜由于電纜截面大，故一般取值較低；架空地線一般為鍍鋅鋼絞線或OPGW，架空地線為鍍鋅鋼絞線時單位長度電阻一般在1Ω/km～7Ω/km之間，OPGW時在2Ω/km左右。

4 結(jié)論

1) 電站升壓站采用電纜出線時，電纜金屬護層分流效應顯著，對降低接地設計用入地電流作用明顯，入地電流分流系數(shù)可按文獻[4]提供的計算公式計算，且電纜金屬護層應為兩端直接接地交叉互聯(lián)方式。

2) 電站出線高壓電纜一般采用金屬護層交叉互聯(lián)方式。金屬護層兩端直接接地箱的接地線宜與兩端電站接地網(wǎng)連接。需注意高壓電纜外護套絕緣水平不大于10 kV級設備絕緣水平，故參考文獻[6]35 kV以下設備接地點距離獨立避雷針接地裝置電氣距離應大于15 m的要求，金屬護層接地點距離防雷集中接地裝置電氣距離宜大于15 m以上，以保證電纜護層安全。