高壓單芯電纜線路入地電流分流系數研究

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。經接地仿真計算軟件CDEGS軟件初步計算結果顯示，由于入地電流較大，接觸電勢難以滿足要求。考慮到電站升壓站發生接地故障時，將有部分故障電流流經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計算公式，但電纜金屬護層無法采用該公式進行計算。

經查詢，國內關于電纜出線入地電流分流系數計算的研究較少，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方式，如圖1所示；電纜相關參數如表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

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，廣泛查詢國內外規范，GB/T 15544.4—2017《三相交流系統短路電流計算 第4部分：同時發生兩個獨立單相接地故障時的電流以及流過大地的電流》規范[4]為計算電纜金屬護層熱穩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、對側站入地電流不同，入地電流計算公式如下：

式中：IEδA、IEδB為站內、對側站地網入地電流，A；I(0)A、I(0)B為站內、對側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、對側站距離，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均小于圖2中r3，故分流系數按圖2r3計算即可滿足工程實用。

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

2 仿真計算分析

圖2、圖3中，當地網A或地網B面積大小不同時，地網接地阻抗ZEA、ZEB是不同的，式(1)未體現這種差別；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的分流系數計算模塊“SPLITS”未考慮電纜線路。經研究可采用“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，參數如表2所示。

圖4 分流系數計算模型

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，電纜金屬護層交叉互聯連接方式參照文獻[5]建模。仿真結果顯示，流經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r3為1.15%。

入地電流的仿真計算結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導體內外徑和電阻率自動計算的，與手工計算有差距，而計算結果又對該參數很敏感；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接地電阻大小的影響。但計算結果數量級相差是不大的，實際工程中都是可以接受的。

3 參數敏感性分析

基于表1電纜數據，分析相關參數改變時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遠比架空地線時小。對比文獻[1]的架空地線分流系數計算公式的計算參數構成，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方式。

2) 電站出線高壓電纜一般采用金屬護層交叉互聯方式。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。