10kV長電纜空載線路合閘過程分析與應(yīng)對策略

張 健

10kV長電纜空載線路合閘過程分析與應(yīng)對策略

張 健

（杭州自動化技術(shù)研究院有限公司，杭州 310030）

本文采用PSCAD仿真軟件，對多種截面的長電纜線路空載合閘過程進(jìn)行仿真分析，找出電纜線路空載合閘電流與電纜長度的關(guān)系，并仿真分析空載合閘電流的衰減過程。根據(jù)繼電保護(hù)整定的基本原理，確定常用電纜線路配置電流速斷保護(hù)的最大臨界長度，給出長電纜線路保護(hù)配置的建議。根據(jù)10kV斷路器、負(fù)荷開關(guān)等設(shè)備開斷容性電流的能力，分析不同截面的電纜線路對應(yīng)的長度，以及現(xiàn)有補(bǔ)償方案的不足，當(dāng)線路超過該長度時，需要對斷路器或隔離手車等設(shè)備提出特殊訂貨要求。

長電纜線路；空載合閘；電流速斷保護(hù)；波阻抗

0 引言

由于電力電纜不受雷電、鹽霧、暴雨等惡劣氣候條件的影響，且可敷設(shè)在地下或城市綜合管廊內(nèi)，其與架空線路相比具有可靠性高、占用空間小、對線路周圍景觀影響小等優(yōu)勢[1]。隨著電力電纜制造水平的不斷提高，對于具有大量饋線的10kV等級配電網(wǎng)，電力電纜逐漸取代架空線路成為主要的饋電方式。然而，電力電纜單位長度電容值較大，通常為同截面架空線的10倍以上[2]。離變電所較遠(yuǎn)的山區(qū)村莊、度假村及高速鐵路等供電線路都普遍較長，達(dá)到20km以上，線路的充電功率大，電纜線路的分、合閘暫態(tài)過程比架空線更為復(fù)雜，其容性無功補(bǔ)償、中性點(diǎn)接地方式及繼電保護(hù)整定原則均與架空線路或短電纜線路存在差異，需要進(jìn)行詳細(xì)研究。

文獻(xiàn)[3]對空載長電纜線路合閘產(chǎn)生的工頻過電壓、操作過電壓進(jìn)行計算分析，提出電纜線路的電抗器補(bǔ)償方案。文獻(xiàn)[4]對長距離電纜線路的繼電保護(hù)整定原則、接地方式進(jìn)行初步分析，但未展開詳細(xì)研究。文獻(xiàn)[5]對微電網(wǎng)在離網(wǎng)、并網(wǎng)等工況下電纜線路的合閘過電壓進(jìn)行比較分析，提出微電網(wǎng)合閘過電壓的變化規(guī)律。目前國內(nèi)外專家學(xué)者對10kV長電纜線路的研究往往集中于合閘過電壓及其與線路型式、長度的關(guān)系，以及相應(yīng)的設(shè)備選型策略，但未對長電纜線路的合閘電流及其規(guī)律，以及合閘電流對繼電保護(hù)配置的影響進(jìn)行分析。

本文采用PSCAD仿真軟件，建立在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣的幾種截面的10kV空載長電纜線路暫態(tài)過程的仿真模型，對長電纜線路的合閘電流、空載電容電流、末端短路電流等進(jìn)行計算，提出電力電纜長度的約束條件，以及相應(yīng)的電纜線路配置選型設(shè)計方案，為電纜線路設(shè)計及斷路器選型、繼電保護(hù)整定值設(shè)置提供參考。

1 長電力電纜線路空載合閘

配電線路的空載合閘是配電網(wǎng)調(diào)度管理的基本操作，合閘方式主要有人工合閘和自動重合閘兩種。其中人工合閘多為線路檢修、故障排查后的送電，電纜線路不存在接地等故障，合閘前電纜相導(dǎo)體已通過接地開關(guān)放電，不存在剩余電荷及殘壓，合閘過程即為電纜線路充電過程。自動重合閘的基本流程為線路發(fā)生故障，繼電保護(hù)裝置控制饋線斷路器跳閘，經(jīng)過一段預(yù)先設(shè)定的延時后，自動裝置操作斷路器進(jìn)行合閘，此時線路上具有一定的殘余電荷和殘余電壓，理論上自動重合閘方式產(chǎn)生的合閘電流和合閘過電壓要大于手動合閘方式。由于架空線路容易出現(xiàn)雷擊閃絡(luò)、短時異物接地等瞬時性故障，故障僅短時存在，裝設(shè)自動重合閘裝置能夠快速恢復(fù)供電，提高配電線路的供電可靠性。但電力電纜的故障為絕緣破損、斷線等，基本為永久性故障，裝設(shè)自動重合閘裝置增加了一次合閘-跳閘的過程，反而容易將電纜線路事故擴(kuò)大。因此對純電纜線路，特別是對長電纜線路，往往不裝設(shè)自動重合閘裝置，故本文僅對手動空載合閘過程展開分析。

長電力電纜線路可等效為多段電感、電阻和電容的串聯(lián)電路，長電纜線路合閘的等效電路如圖1所示[6]。圖1中，為線路單位長度電感，為線路單位長度電阻，為線路單位長度電容。

饋線斷路器合閘后，10kV母線將對空載電纜線路進(jìn)行充電，充電過程本質(zhì)上是電磁行波傳播-到達(dá)端部后反射-再反射，最終達(dá)到根據(jù)歐姆定律所計算出的穩(wěn)態(tài)電路的過程。根據(jù)行波傳遞公式，對于空載無損線路（即忽略電纜電阻），合閘后位于10kV母線側(cè)的饋線斷路器處電壓s和電流s關(guān)系為[6]

圖1 長電纜線路合閘的等效電路

式中：c為線路波阻抗；為線路長度；為頻率。

由式（1）可知，流過斷路器的合閘電流主要由電力電纜單位長度參數(shù)及線路長度決定。進(jìn)一步可知線路長度與波阻抗關(guān)系為

由式（3）可知，越大，s越趨近于s/c。

本文基于PSCAD對合閘過程進(jìn)行仿真，仿真系統(tǒng)如圖1所示，仿真采用的10kV三芯銅芯電纜基本參數(shù)見表1，仿真電源線電壓為10kV、頻率為50Hz。

表1 10kV三芯銅芯電纜基本參數(shù)

本節(jié)以某10kV饋電線路為例，基于PSCAD仿真軟件，研究電纜參數(shù)、線路長度與合閘電流的關(guān)系。根據(jù)圖1所示的等效電路，建立3×95mm2電纜不同長度下的合閘仿真模型，仿真得到合閘電流與線路長度關(guān)系如圖2所示。

圖2 3×95mm2電纜合閘電流與線路長度關(guān)系

由圖2可以得出，在電纜線路較短時，合閘電流與線路長度正相關(guān)，對于3×95mm2電力電纜線路，其長度大于5km后，合閘電流基本達(dá)到峰值不再增加。產(chǎn)生這種結(jié)果是因為在電纜長度較短時，電荷行波很快到達(dá)線路端部并反射回來，短時間內(nèi)多次反射使合閘電流未來得及上升就被反射波迅速抑制到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)線路較長時，合閘電流到達(dá)峰值后才與反射波相遇，隨后降低，而合閘電流峰值由電纜波阻抗決定，與線路長度無關(guān)，即線路長度大于一定值后合閘電流峰值不再隨線路長度增大而增加。線路長度為5km時合閘電流波形如圖3所示，由圖3可以得出，合閘電流在到達(dá)峰值后會迅速衰減，在20ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖3 線路長度為5km時合閘電流波形

結(jié)合表1和上述分析可以得出，忽略電阻后不同截面10kV三芯電纜合閘電流峰值見表2。

表2 不同截面10kV三芯電纜合閘電流峰值

（續(xù)表2）

由表2可知，隨電纜截面增大，波阻抗降低，最大合閘電流增加。對大截面的長電纜線路，需要進(jìn)一步分析合閘電流與線路末端短路電流的變化 規(guī)律。

2 長電力電纜線路短路與保護(hù)整定

長電力電纜饋電線路末端短路電流小，斷路器除了要躲過合閘電流峰值，也要能在末端短路時可靠動作，保護(hù)線路全長。

目前，在10kV配電網(wǎng)內(nèi)，電力線路絕大部分以三段式過電流保護(hù)為主，少數(shù)線路配置光纖差動保護(hù)[7-8]。三段式過電流保護(hù)中的瞬時電流速斷保護(hù)作為線路短路保護(hù)第一層屏障，其整定值的選取至關(guān)重要，若選取不當(dāng)則容易發(fā)生誤動。對于長度較短的饋電線路，需要確保饋電回路電纜長度大于某一最小允許長度，才能使上下級斷路器的電流速斷保護(hù)具備選擇性[9-10]。因此大部分10kV斷路器在整定時均比較重視電纜長度是否夠長，普遍認(rèn)為電纜越長越有利于繼電保護(hù)。這種觀點(diǎn)在電纜長度小于2km以內(nèi)時的確是可行的，因為此范圍內(nèi)電纜線路的斷路器合閘電流與線路短路電流不在同一數(shù)量級內(nèi)。然而隨著電纜長度越長，線路末端的最大短路電流越小，而合閘電流在線路長度達(dá)到一定值后相對固定，因此短路電流可能達(dá)到甚至小于合閘電流，從而無法選擇出滿足要求的電流速斷保護(hù)整定值。

以3×95mm2電力電纜線路為例，最大短路電流kmax為線路末端發(fā)生兩相短路時的短路電流，其與線路長度的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，線路最大短路電流隨長度增加而減小，與合閘電流趨勢相反。若10kV斷路器瞬時保護(hù)可靠系數(shù)取1.5，靈敏度系數(shù)取1.2，則電流瞬動整定值st應(yīng)滿足

由式（4）可知，如果1.2s＞kmax/1.5，則無法設(shè)置瞬時保護(hù)，因此電纜線路存在一個臨界長度n，即電纜長度大于n時，電纜線路將不能設(shè)置瞬時保護(hù)。對于3×95mm2電纜，需要kmax＞1.2×1.5×s＝596A，對應(yīng)電纜線路長度為40.4km，依照此原則可得到10kV三芯電纜線路瞬態(tài)保護(hù)臨界長度見表3。

圖4 3×95mm2電纜最大短路電流與線路長度關(guān)系

表3 10kV三芯電纜線路瞬態(tài)保護(hù)臨界長度

由表3可知，電纜截面越大，臨界長度越長，隨著電纜截面增大，雖然末端短路電流增大，但合閘電流也增大。當(dāng)線路長度大于表3所對應(yīng)的臨界長度時，配置電流速斷保護(hù)無法實(shí)現(xiàn)線路全長保護(hù)，需要配置光纖差動保護(hù)。若對線路可靠性要求不高，也可采用短延時保護(hù)作為主保護(hù)，但不建議這樣做，因為短路后容性電流電弧一旦建立就很難熄滅，而短延時保護(hù)的時間通常要大于0.2s，遠(yuǎn)超電弧建弧所需時間，從而會造成事故擴(kuò)大，要結(jié)合電纜線路的供電路徑，判斷電纜故障是否引起路徑周邊其他次生災(zāi)害，綜合各種不利因素決定保護(hù)配置方案。

3 長電力電纜線路空載容性電流

由于屏蔽層和金屬護(hù)套的存在，電力電纜的單位長度電容值通常是同等截面架空鋼芯鋁絞線的15倍以上。相對線路負(fù)載電流，空載容性電流幅值雖然較小，但與開斷感性電流和阻性電流不同，容性電流開斷產(chǎn)生的恢復(fù)電壓為直流電壓，普通真空滅弧室耐受直流電壓的能力較弱，因此規(guī)范手冊上對10kV真空斷路器開斷電纜空載線路容性電流的規(guī)定值為不超過25A[11]，如果電纜線路過長，需要對斷路器進(jìn)行特殊規(guī)定，或采用更好的滅弧室型式。以3×95mm2電力電纜線路為例，線路長度為54km時的空載線路電流波形如圖5所示。

圖5 54km長3×95mm2電纜空載線路電流波形

由圖5可知，3×95mm2電纜線路長度達(dá)到54km時，空載電流有效值為25A；利用仿真模型進(jìn)行計算分析可得不同截面電纜的25A空載容性電流與線路長度對應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 不同截面電纜25A空載容性電流與線路長度對應(yīng)關(guān)系

由表4可知，電纜截面越大，空載電流越大，由于空載電流為容性，電纜容性電流超過25A以后電弧很難熄滅，容易引發(fā)火災(zāi)等事故[12]。值得注意的是，即使在10kV饋電母線上設(shè)置中性點(diǎn)、裝設(shè)消弧線圈或電阻等[13]，也無法減弱饋電斷路器的空載容性電流，這是因為該長空載線路的單個回路，在母線上裝設(shè)補(bǔ)償裝置只能降低流過10kV進(jìn)線斷路器的空載容性電流，無法補(bǔ)償單個電纜饋電回 路[14-15]。要想降低饋線回路的空載容性電流，需要在本電纜線路上合適的中間接頭處并聯(lián)電抗器，且并聯(lián)電抗器的電抗值可調(diào)，否則將會降低電纜線路的輸送容量[16]。但這種補(bǔ)償方式在大部分長電纜線路中很難實(shí)現(xiàn)，因此建議將電纜長度控制在表4所列的長度范圍內(nèi)。若確實(shí)有應(yīng)用，至少要保證本電纜線路上所有斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等設(shè)備能夠斷開相應(yīng)的容性電流，而這種設(shè)備往往有特殊訂貨需求，且供貨周期較長。

4 結(jié)論

本文在電纜基本分布參數(shù)基礎(chǔ)上，利用PSCAD仿真軟件，對10kV長電纜線路空載合閘過程展開分析，得到如下結(jié)論：

1）3×95mm2電纜長度小于5km時，線路空載合閘電流與長度基本成正比例關(guān)系，長度大于5km以后，合閘電流基本不再增加。

2）合閘電流與電纜波阻抗相關(guān)，電纜截面越大，波阻抗越小，合閘電流越大。

3）電纜線路存在電流速斷保護(hù)的臨界長度，當(dāng)電纜線路長度大于該臨界長度后，建議線路配置電流差動保護(hù)。

4）電纜長度超過25A空載容性電流對應(yīng)長度時，需要對斷路器提出特殊要求。

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Analysis and countermeasures of closing process of 10kV no-load long cable line

ZHANG Jian

(Hangzhou Automation Technology Research Institute Co., Ltd, Hangzhou 310030)

Using PSCAD simulation software，the paper simulates and analyzes the no-load closing process of long cable lines with various cross-sections, and the relationship between no-load closing current and cable length is put forward. The attenuation process of no-load closing current is simulated and calculated. According to the basic principle of relay protection setting, the maximum critical length of current quick-breaking protection for common cable cross section is determined, and the suggestion for the protection configuration of the long cable line is put forward. According to the breaking capacitive current capacity of 10kV circuit breaker, load switch and other equipment, the corresponding length of different cross-sections of cable lines and the shortcomings of the existing compensation schemes are analyzed, and it is suggested that when the line exceeds this length, special ordering requirements for circuit breaker or isolation handcart and other equipment should be put forward.

long cable line; no-load closing; current quick-breaking protection; wave impedance

國網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項目（5211LS1900BU）

2021-11-12

2021-12-07

張 ?。?962—），男，浙江杭州人，高級工程師，主要從事輸配電網(wǎng)設(shè)備設(shè)計制造及運(yùn)行研究工作。