110 kV电缆单端接地护层感应电压的计算与仿真

2019-02-21胡振兴罗晓康

通信电源技术 2019年1期

胡振兴，肖静，丁唯，王旭，罗晓康，彭勇

（1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610021；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072）

0 引言

随着城市建设规模和标准的不断提高，城市枢纽变电站的进出线电缆化程度越来越高，高电压等级的电力电缆被大量采用。110 kV电力电缆常用单芯电缆，但单芯电缆在使用中若发生短路，将在电缆护层上产生感应过电压，威胁电缆的外绝缘[1-3]。

目前，电缆护层连接方式主要依据GB 50217、DL/T 5221及GB/T 50065等。当单芯电力电缆线路未采取措施防止接触到电缆的金属护层时，电缆的金属护层的感应电压不应该超过50 V。采取有效措施时，金属护层的感应电压不应该超过300 V。电缆金属护层接地方式可分为线路一端直接接地、中央部位单点直接接地、线路两端直接接地及交叉互联接地[4-6]。

此外，GB 50217规定，110 kV及以上单芯电缆金属护层发生单点直接接地时，在2种情况下均应设置平行回流线：（1）系统短路时，电缆护层产生的感应电压超过电缆护层外绝缘耐受能力或护层保护器的工频耐压；（2）需抑制电缆邻近弱电线路的电气干扰强度。加装回流线后，感应电压的数值可降到不设置回流线的30%左右。所以，回流线的分流作用是将电缆线路短路电流引回中性点[4]。

本文对110 kV电缆发生单相接故障时故障相和非故障相护层上的感应电压进行仿真和计算，验证了仿真模型和结算结果的一致性，同时研究了电缆不同长度、有无回流线等对护层感应电压幅度的影响。

1 计算仿真参数设置

110 kV电缆排管敷设适用于导体截面为400～800 mm2的电缆，仿真中采用500 mm2作为典型的电缆截面积。电缆敷设结构参数如表1所示。仿真过程中，电缆的主要参数如下：110 kV铜芯XLPE绝缘交联聚乙烯护套电缆，其中导体铜芯电阻率1.724×10-8Ω·m；铝护层电阻率为2.826 4×10-8Ω·m；主绝缘交联聚乙烯的介电常数为2.3；外护套绝缘聚氯乙烯的介电常数常数为3.5。

仿真电缆的敷设方式选取水平敷设，水平间距为0.25 m，电缆埋深为1 m。接地电阻的设置：变电站侧接地电阻设为0.5 Ω，护层保护器端接地电阻为1 Ω，负荷电阻设为200 Ω，且有负荷电流440 A。

设置110 kV电缆三相水平排列。电缆单端接地不施加保护器时，将电缆长度分别设为400 m、600 m、800 m和1 000 m。在电缆末端发生A相接地短路，短路电流设为20 kA，计算和仿真末端感应过电压。根据接地电流形成回路不同，分为接地电流全部以大地为回路和接地电流一部分以大地为回路另一部分以护套或回流线为回路两种情况。

表1 110 kV电缆不同电缆截面参数

2 感应电压计算与仿真结果

2.1 计算结果

当接地电流全部以大地为回路、电缆输电线路发生A相接地时，则A相的护层感应电压和B、C两相感应电压的电压计算公式为：

其中，R为电源侧（变电站侧）接地电阻；Rg为大地漏电阻，Rg=πf×10-4Ω·km-1；l为护套长度；rs为电缆金属护层半径；D为故障电流通过大地返回变压器中性点时等值集中电流深度，m（ρ为土壤电阻率）；Id为单相接地故障时的故障电流；B、C两相距接地故障A相的距离分别为S、2S。等值电路图如图1所示，计算结果如表2所示。当电缆发生单相接地故障时，电缆护层上的感应电压幅值超过10 kV。随着电缆长度的增长，它的感应电压幅度逐渐增大，但故障相护层感应电压幅值相对非故障相增长得多。

图1 接地电流全部以大地为回路

当接地电流一部分以大地为回路另一部分以护套或回流线为回路时，在电缆线路旁平行敷设一根回流线，降低电缆护层上的感应电势。当在电缆末端发生单相接地时，故障电流大部分都通过回流线，而流入大地部分的故障电流可忽略不计。此时，A相金属护套上的感应电压和B、C两相的护层感应电压的计算公式为：

表2 电缆金属护层单端接地仿真与计算结果对比

其中，DA、DB、DC为回流线与A、B、C三相之间的间距；RP为回流线单位长度的电阻；rs为电缆金属护层半径；rP为回流线几何平均半径；其他均与之前规定相同。等值电路如图2所示。

图2 接地电流全部以回流线或电缆金属护套为回路

电流Io通过回流线直接返回的接地电流，又称回流线的电导电流；Ip为回流线上感应电压形成的以大地为回路的循环电流。因此，电缆金属护套的纵向感应电势可看成三个电流（Id、Io、Ip）的合成感应电压，A相金属护套的感应电动势为：

其中，ZAA为A相护套和发生接地故障的线芯以大地为回路的互阻抗，ZPA为回流线和A相护套以大地为回路的互阻抗，表达式分别为：

其中，B、C相护套和接地A相线芯以大地为回路的互阻抗分别为：

回流线和B、C相护套以大地为回路的互阻抗为：

若护套电位是对大地来说，则应加上地电位的部分。若护套电位是对回流线来说，则应加上回流线上的压降(Io+Ip)ZPP，其中ZPP是回流线以大地为回路的自阻抗，且有：

计算结果如表3所示。相比于表2，加回流线后，电缆护层上的感应电压幅值明显降低，减小幅度超过30%。随着电缆长度的增加，电缆护层上的感应电压幅值逐渐增大。

2.2 仿真结果

仿真采用ATP软件，电缆采用110 kV铜芯XLPE绝缘聚氯乙烯外绝缘电缆。在排管敷设情况下，仿真计算单相接地故障后的电缆金属护层的感应电压，电缆仿真采用LCC模块。参数设置如章节1。当接地电流全部以大地为回路且电缆输电线路发生A相接地时，模型如图3所示，仿真结果如表4所示。由此可知，A相仿真与计算结果误差在1%之内，B、C两相误差在4%以内。