核電廠母線接地短路對二次電纜影響的研究

李慧奇，張艷麗，尹 宏，熊立昆

(1.華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003;2.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及用電需求的不斷增加，變電站內(nèi)采用的二次系統(tǒng)和弱電設(shè)備越來越多，一些電子設(shè)備易受周圍電磁環(huán)境的影響，在電磁干擾信號的作用下可能會出現(xiàn)誤操作或設(shè)備損壞的現(xiàn)象，從而對電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]。電力系統(tǒng)在正常和異常運行狀態(tài)下都很容易產(chǎn)生或出現(xiàn)各種電磁干擾，例如短路故障、開關(guān)操作等產(chǎn)生的暫態(tài)過程;高電壓、大電流設(shè)備周圍的電場和磁場;射頻電磁輻射;雷電;人體與物體的靜電放電;供電網(wǎng)的電壓波動、電壓突降和中斷、諧波;以及電子設(shè)備的工作信號和噪聲等[2]。由國際大電網(wǎng)會議第 124 號導(dǎo)則[3]知，發(fā)電廠變電站母線接地短路的入地電流通過地網(wǎng)傳導(dǎo)耦合對二次電纜造成的騷擾是一次系統(tǒng)對二次設(shè)備產(chǎn)生電磁騷擾的重要情況。

母線接地短路時，短路入地電流會在接地網(wǎng)上產(chǎn)生不均勻的地電位升，這種地電位升將在屏蔽層雙端接地的二次電纜屏蔽層上產(chǎn)生對地電位分布，并在屏蔽層上產(chǎn)生電流，該電流經(jīng)屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗將在二次電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電壓，從而影響保護和控制設(shè)備的正常運行。

國內(nèi)某核電廠采用了GIL(氣體絕緣封閉母線)，是一種采用SF6氣體或SF6和N2混合氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸的高電壓、大電流電力傳輸設(shè)備[4]。本文利用國內(nèi)外通用軟件包CDEGS[5～9]建立了某核電廠接地網(wǎng)、二次電纜屏蔽層以及GIL，GIS母線外殼的模型，計算了母線對外殼短路時通過外殼接地導(dǎo)體注入接地網(wǎng)的短路電流在二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾。分析了母線外殼的有無、外殼接地導(dǎo)體的數(shù)量以及短路點位置等相關(guān)因素對單相接地短路故障情況下二次電纜上的電磁騷擾的影響，得到了一些有益的結(jié)論。

1 計算背景

本文以某核電廠為例，計算了接地短路時二次電纜上的電磁騷擾。此核電廠中GIL殼體外直徑552 mm，壁厚6 mm，接地導(dǎo)體電阻為6.8 μΩ/m，直徑為184 mm。核電廠接地網(wǎng)在x方向最長距離為850.81 m，y方向最長距離為904.53 m。接地網(wǎng)埋設(shè)深度除核島外，均為0.8～1 m，核島接地網(wǎng)埋設(shè)深度約為10 m。接地網(wǎng)采用橫截面積為185 mm2的裸銅纜，電阻率為2.654 8 Ωm，相對磁導(dǎo)率為4 π×10－7。目標(biāo)屏蔽電纜長約500 m，屏蔽電纜的兩端分別在500 kV變電站和核島電氣廠房雙端接地，屏蔽層由銅絲編織而成，屏蔽層的截面半徑為7.35 mm，電阻率為2.654 8 Ωm。

2 計算模型和計算條件

2.1 計算模型

核電廠布置圖如圖1。核電廠共有12條GIL且外殼多點接地。土壤模型分為兩層，每層深度及土壤電阻率見表1。根據(jù)該廠提供的短路電流計算書，接地短路電流峰值取60.645 kA。

圖1 核電廠接地網(wǎng)布置圖Fig.1 Layout drawing of the grounding grid in the nuclear plant

表1 土壤電阻率分布Tab.1 Soil resistivity distribution

2.2 二次電纜轉(zhuǎn)移阻抗

二次電纜屏蔽層電流通過轉(zhuǎn)移阻抗在芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。根據(jù)文獻[10～11]，二次電纜的轉(zhuǎn)移阻抗可由以下公式計算得出:

式中:Zd為散射阻抗;Mh為小孔電感;Mb為編織電感。描述編織層的參數(shù)有:編織節(jié)距P、絕緣層的直徑D0、每根編織線的直徑d、編織層的編束數(shù)C、編織束內(nèi)的導(dǎo)線數(shù)n。

對于散射阻抗Zd，小孔電感Mh，編織電感Mb，計算公式如下:

兩個相鄰的編織帶間的距離:

兩個相交叉的編織帶間的距離:

公式中用到的參數(shù)由電纜供貨商提供，其中，編織節(jié)距P=31，絕緣層的直徑D0=3.1 mm，每根編織線的直徑d=0.2 mm，編織層的編束數(shù)C=24，編織束內(nèi)的導(dǎo)線數(shù)n=6。計算出在頻率為50 Hz下電纜的轉(zhuǎn)移阻抗為0.004 7 Ω/m。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 有/無金屬外殼對二次電纜上電磁騷擾的影響

經(jīng)CDEGS建模計算，分別得出了有/無金屬外殼時短路電流流入接地網(wǎng)后在屏蔽層雙端接地的二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾。當(dāng)母線沒有金屬外殼時，接地短路即為母線對地短路，短路電流直接入地，此時不存在GIL外殼多個接地導(dǎo)體對短路入地電流的分流，因此，其產(chǎn)生的電磁騷擾較有金屬外殼時母線對外殼短路產(chǎn)生的電磁騷擾嚴(yán)重，兩種情況下計算結(jié)果的比較見表2。

表2 有/無金屬外殼情況下二次電纜上的電磁騷擾情況Tab.2 Electromagnetic interferences on secondary cable under different situations of enclosure

3.2 外殼接地導(dǎo)體數(shù)對二次電纜上電磁騷擾的影響

通過改變GIL-GIS外殼接地導(dǎo)體的數(shù)量，得到了外殼接地導(dǎo)體數(shù)對于母線對外殼接地短路時二次電纜上電磁騷擾的影響。本文計算了外殼接地導(dǎo)體逐漸減半時，二次電纜上的電磁騷擾，每次減半后，接地導(dǎo)體接地點仍然是均勻分布于GIL-GIS外殼沿線各處，計算結(jié)果如表3所示。

表3 外殼接地導(dǎo)體數(shù)變化時二次電纜上的電磁騷擾情況Tab.3 Electromagnetic interferences on secondary cable with the number of grounding conductors varying

從計算結(jié)果可以看出，隨GIL-GIS金屬外殼接地導(dǎo)體數(shù)量的減少，母線對外殼接地短路時二次電纜上的電磁騷擾逐漸加重。這主要是因為外殼接地導(dǎo)體越多，其對短路電流的分流越多，引起的二次電纜屏蔽層兩端的地電位升越小，從而導(dǎo)致二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾較小。因此，增加外殼接地導(dǎo)體的數(shù)量有助于減小電廠接地短路對二次電纜產(chǎn)生的電磁騷擾，在經(jīng)濟允許的情況下，GIL-GIS外殼應(yīng)盡可能多地裝設(shè)接地導(dǎo)體。

3.3 接地短路點對二次電纜上電磁騷擾的影響

本文分別計算了GIS母線對外殼短路和GIL導(dǎo)線對外殼短路兩種情況下短路電流在二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾。GIS母線對外殼短路時，短路點靠近電纜一端，GIL導(dǎo)線對外殼短路時，短路點靠近電纜中部。計算結(jié)果如表4所示。

表4 短路點位置不同時二次電纜上的電磁騷擾情況Tab.4 Electromagnetic interferences on secondary cable with the scene of ground short circuit failure varying

從計算結(jié)果可以看出，短路點位置對于短路電流在二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾有一定影響。當(dāng)短路點位置靠近電纜一端時，短路電流在二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾較大。這主要是因為當(dāng)短路電流入地時，電流入地點的地電位升最高，隨著與入地點距離的增加，地電位升迅速降低，當(dāng)入地點靠近電纜一端時，電纜屏蔽層兩端的電位差更大，從而導(dǎo)致電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾更加嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本文利用基于矩量法的國內(nèi)外通用軟件包CDEGS建立了核電廠接地網(wǎng)、二次電纜屏蔽層和GIL，GIS母線外殼的計算模型，計算了某核電廠母線發(fā)生接地短路時短路入地電流在屏蔽層雙端接地的二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾，分析了母線金屬外殼、接地導(dǎo)體數(shù)量以及短路點位置對其的影響。從計算結(jié)果可以看出，母線存在外殼時可以有效地減小接地短路對二次電纜的電磁騷擾;外殼接地導(dǎo)體數(shù)越多，二次電纜上產(chǎn)生的電磁騷擾越小;短路點距離二次電纜一端較近時二次電纜上的電磁騷擾較大。因此，采用GIL-GIS系統(tǒng)可以有效的減小接地短路故障對二次系統(tǒng)的影響，在經(jīng)濟條件允許的情況下，建議GIL，GIS外殼裝設(shè)盡量多的接地導(dǎo)體。