高壓交流電纜金屬護(hù)套接地電流超標(biāo)原因分析與處理

劉 哲張明燦成洪剛裴雪辰李曉明

(1.中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050031;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司,河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,高壓交流電纜線路在主城區(qū)內(nèi)建設(shè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,大量電纜線路的投入運(yùn)行,電纜金屬護(hù)套接地電流(簡(jiǎn)稱"環(huán)流")超標(biāo)問(wèn)題成為電纜運(yùn)檢人員關(guān)注的重點(diǎn)。

環(huán)流影響因素研究廣泛,解析式計(jì)算模型已較為成熟。根據(jù)環(huán)流計(jì)算解析式的應(yīng)用程序也在工程中得到應(yīng)用[1-3],方便工程人員應(yīng)用的環(huán)流擬合公式也在部分工程中取得較好效果。系統(tǒng)接線錯(cuò)誤、保護(hù)器接線錯(cuò)誤、金屬護(hù)套接地形式設(shè)計(jì)錯(cuò)誤都能夠引發(fā)較大的環(huán)流[4-7]。串聯(lián)電阻、電感可以抑制環(huán)流,對(duì)于環(huán)流過(guò)大的交叉互聯(lián)接地形式的電纜線路,可改造為多段單端接地形式,但要注意單相短路工頻過(guò)電壓與外護(hù)套絕緣水平的配合[8-9],對(duì)于大段長(zhǎng)電纜線路,這種降低環(huán)流的改造方法,還需要考慮護(hù)層保護(hù)器通流容量的限制[10-11]。對(duì)于環(huán)流抑制方法的綜合評(píng)價(jià)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)方法鮮有闡述。

1 220 kV單芯電纜環(huán)流計(jì)算模型

1.1 交叉互聯(lián)接地的等值電路模型

220 k V 單芯高壓電纜金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)模型示意如圖1所示。

利用電路原理,建立等效電路圖,對(duì)環(huán)流數(shù)值的各個(gè)影響因素進(jìn)行分析,交叉互聯(lián)接地等效電路圖如圖2所示。

圖2 交叉互聯(lián)接地等效電路

ISU、ISV、ISW分別為U、V、W 三相金屬護(hù)套上的環(huán)流值;ISE為接地電流;Rd為大地等效電阻;Rd1、Rd2分別為首末端的等效接地電阻;Zoi(i=1、2、3,下同)為每段的自阻抗;ESUi、ESVi、ESWi分別為U、V、W 三相電纜由本相線芯電流感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì);ETUi、ETVi、ETWi為U、V、W 三相電纜由其他相金屬護(hù)套中電流和大地回流感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。

1.2 解析式計(jì)算方法

針對(duì)圖2所示的一個(gè)交叉互聯(lián)單元列寫解析式方程如下:

把電纜自阻抗、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的實(shí)部虛部分離,上角標(biāo)為“′”代表該參數(shù)的實(shí)部,上角標(biāo)“″”表示該參數(shù)的虛部。

利用上述方程,便可求得各相環(huán)流ISU、ISV、ISW的數(shù)值。

2 環(huán)流影響因素分析

從解析式(1)可以看出,金屬護(hù)套接地電流為導(dǎo)體電流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、金屬護(hù)套電流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、大地回流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與護(hù)套阻抗、接地電阻、大地等效電阻形成回路產(chǎn)生。此處忽略了電容電流與泄露電流,這兩種電流數(shù)值線芯和金屬護(hù)套之間的電壓值與電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),一般情況下,220 k V 電纜線路小于6 A。

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算環(huán)流數(shù)值,分析新建與改造電纜線路的抑制環(huán)流措施,采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序進(jìn)行仿真計(jì)算。

建立比較基準(zhǔn),以分析研究各參數(shù)對(duì)環(huán)流數(shù)值的影響,仿真計(jì)算電纜采用ZC-YJLW03-Z 127/220 1×2500交聯(lián)聚乙烯皺紋鋁護(hù)套高壓電力電纜,線芯電流為1 200 A,隧道內(nèi)敷設(shè)(空氣中),緊湊品字形敷設(shè),兩端接地電阻為0.5Ω,負(fù)荷為集中參數(shù)電阻,采用交叉互聯(lián)接地,三小段長(zhǎng)度均為700 m。

2.1 線芯電流的影響

根據(jù)上述仿真參數(shù),交叉互聯(lián)三小段等長(zhǎng)且為品字形敷設(shè)時(shí),負(fù)荷電流改變,環(huán)流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 線芯電流對(duì)環(huán)流的影響

從計(jì)算結(jié)果可知,環(huán)流與線芯電流基本呈線性關(guān)系,當(dāng)環(huán)流絕對(duì)值突然較大時(shí),不一定是電纜接地系統(tǒng)或電纜本體等發(fā)生了故障,可能是負(fù)荷電流增加的影響,要參考環(huán)流與負(fù)荷電流百分比進(jìn)行分析判斷。

2.2 交叉互聯(lián)分段不均勻的影響

交叉互聯(lián)三小段不等長(zhǎng)時(shí),會(huì)感應(yīng)出不平衡的電動(dòng)勢(shì),通過(guò)兩端直接接地產(chǎn)生較大環(huán)流。采用品字形鋪設(shè)方式,兩小段為700 m,改變第三小段長(zhǎng)度,環(huán)流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 分段不均勻?qū)Νh(huán)流的影響

分段越不均勻,環(huán)流越大,而且上述計(jì)算電纜是以品字形敷設(shè),環(huán)流只由段長(zhǎng)不均勻產(chǎn)生,實(shí)際線路很難做到完全品字形敷設(shè),所以三小段要盡可能相等。

2.3 布置方式的影響

隧道中電纜的主要敷設(shè)方式有水平布置、垂直布置、品字形布置、緊湊品字形布置,電纜間距為250 mm,布置方式如圖3所示。

圖3 隧道中電纜主要布置方式

交叉互聯(lián)三小段分別以4種布置方式計(jì)算環(huán)流,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 布置方式對(duì)環(huán)流的影響

各布置方式下的環(huán)流,緊湊形品字最小,品字排列次之,垂直排列與水平排列近乎相等且值最大。在新建電纜線路中,為了降低環(huán)流,結(jié)合載流量要求,優(yōu)先選擇緊湊品字形布置方式。

2.4 金屬護(hù)套串聯(lián)電阻的影響

由圖2可知,在金屬護(hù)套的接地線連入接地箱前串聯(lián)一定數(shù)值的電阻,可降低環(huán)流數(shù)值。串聯(lián)一定數(shù)值電阻后的環(huán)流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 金屬護(hù)套串聯(lián)電阻對(duì)環(huán)流的影響

當(dāng)串聯(lián)電阻增大時(shí),環(huán)流降低效果明顯,同時(shí)入地電流也相應(yīng)降低,但變化不大,如圖4所示。

圖4 不同串聯(lián)電阻值下的環(huán)流

同理,串聯(lián)電感也可取得抑制環(huán)流的效果,且阻抗值與電纜金屬護(hù)套等效阻抗相近時(shí),抑制環(huán)流效果最佳。

2.5 接地電阻的影響

接地電阻改變,環(huán)流的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 接地電阻對(duì)環(huán)流的影響

接地電阻對(duì)環(huán)流幾乎無(wú)影響,由表5的計(jì)算結(jié)果可知,接地線在接地箱互聯(lián)后再接入串聯(lián)電阻對(duì)環(huán)流影響很小,抑制環(huán)流效果不如在各相金屬護(hù)套串聯(lián)阻抗。

3 環(huán)流超標(biāo)處理方法

3.1 串聯(lián)電阻、電感

當(dāng)串聯(lián)阻抗增加時(shí),金屬護(hù)套的工頻過(guò)電壓將增加,考驗(yàn)保護(hù)器的工頻過(guò)電壓耐受能力,嚴(yán)重情況會(huì)造成電纜外護(hù)套絕緣擊穿。短路電流分為15 k A 與30 k A 兩種情況,根據(jù)串聯(lián)不同的電阻值,計(jì)算得到的工頻過(guò)電壓詳細(xì)數(shù)值見(jiàn)表6,響應(yīng)曲線如圖5所示。

表6 串聯(lián)電阻對(duì)工頻過(guò)電壓的影響

圖5 串聯(lián)電阻值下的工頻過(guò)電壓

當(dāng)短路電流為30 k A,串聯(lián)電阻為5Ω 時(shí),末端工頻過(guò)電壓為22.6 k V,當(dāng)施加更大短路電流或串聯(lián)更大電阻時(shí),外護(hù)套存在擊穿損壞的可能。本文建議,宜增加保護(hù)器維護(hù)與更換頻率,起到保護(hù)器電纜外護(hù)套絕緣的目的。

3.2 交叉互聯(lián)改單端接地方式

交叉互聯(lián)接地不但可以起到降低感應(yīng)電壓的作用,金屬護(hù)套也可以起到回流線的作用。部分電纜線路工程,由于后期改造,打破了原交叉互聯(lián)接地的均勻分段。為了降低環(huán)流,把交叉互聯(lián)改成了單端接地首尾相接的方式,且未加設(shè)回流線。

回流線的設(shè)置與否在接地方式改造后,工頻過(guò)電壓的計(jì)算見(jiàn)表7。

表7 回流線對(duì)工頻過(guò)電壓的影響

交叉互聯(lián)接地改成單端接地未加回流線,會(huì)比改造前或加回流線方式的工頻過(guò)電壓數(shù)值大幅增加,存在安全隱患。

3.3 金屬護(hù)套接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)

根據(jù)國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢標(biāo)準(zhǔn),環(huán)流異常的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)電纜線路滿足下列任一項(xiàng)條件時(shí),為異常;

(1)100 A≤接地電流絕對(duì)值≤200 A;

(2)20%≤接地電流與負(fù)荷比值≤50%;

(3)3≤單相接地電流最大值/最小值≤5;

當(dāng)滿足下列任一項(xiàng)時(shí),判定為缺陷,應(yīng)停電檢查處理。

(1)接地電流與負(fù)荷比值≥50%;

(2)單相接地電流最大值/最小值≥5;

根據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)電纜線路環(huán)流大于100 A 時(shí),就會(huì)被判定為異常。

環(huán)流絕對(duì)值增大,可能是負(fù)荷電流突然增大與電纜布置不均勻等因素相互疊加的結(jié)果,不一定是電纜外護(hù)套損壞或接地箱損壞等真正的缺陷。此時(shí),應(yīng)比對(duì)環(huán)流負(fù)荷電流比值與計(jì)算值的差異,當(dāng)小于5%時(shí),可以認(rèn)為,僅僅是因?yàn)樨?fù)荷電流增大、排列方式、布置方式等正常原因引起的環(huán)流絕對(duì)值增加;當(dāng)大于等于5%時(shí),可判定電纜線路接地系統(tǒng)存在缺陷,運(yùn)檢人員應(yīng)及時(shí)到相應(yīng)接地位置進(jìn)行巡檢,發(fā)現(xiàn)處理問(wèn)題。

4 工程實(shí)例驗(yàn)證

以某220 k V 電纜線路為例,該線路全長(zhǎng)8.3 km,電纜型號(hào)為ZC-YJLW02-Z 127/220 1×1 000,電纜金屬護(hù)套接地系統(tǒng)為5個(gè)完整的交叉互聯(lián)單元。監(jiān)測(cè)環(huán)流值較大的為第4號(hào)與第5號(hào)交叉互聯(lián)單元,其三相電纜分段長(zhǎng)度與電纜布置方式見(jiàn)表8。線路部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行了縮小,品字形布置變?yōu)榇怪辈贾谩?/p>

表8 串聯(lián)電阻對(duì)工頻過(guò)電壓的影響

對(duì)第4號(hào)交叉互聯(lián)單元的線芯電流、環(huán)流進(jìn)行實(shí)測(cè)與仿真,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置見(jiàn)圖6,測(cè)量與仿真結(jié)果數(shù)值見(jiàn)表9。

圖6 串聯(lián)電阻值下的工頻過(guò)電壓

表9 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

從上表可知,差異在3%以內(nèi),仿真環(huán)流值與實(shí)測(cè)值基本一致,環(huán)流較大主要是由于兩個(gè)接頭間共采用了72 m 水平敷設(shè),最后一個(gè)小段為垂直敷設(shè),相間距離為500 mm。測(cè)量環(huán)流同時(shí)檢查電纜本體及接地箱,發(fā)現(xiàn)接地箱接線完好,保護(hù)器未損壞,電纜外護(hù)套絕緣正常。后續(xù),抑制環(huán)流措施可采用串聯(lián)阻抗方式,同時(shí)驗(yàn)算工頻過(guò)電壓水平。

5 結(jié)論

本文研究了環(huán)流的數(shù)學(xué)模型,建立了相應(yīng)的電磁暫態(tài)仿真模型?；诖朔抡婺Ｐ?分析了環(huán)流的影響因素。研究了抑制環(huán)流的方法,利用電磁暫態(tài)程序重點(diǎn)仿真了串聯(lián)電阻、電感、接地電阻對(duì)環(huán)流數(shù)值的影響。對(duì)幾種環(huán)流抑制方法進(jìn)行了分析,討論了各自的應(yīng)用范圍與評(píng)價(jià)環(huán)流超標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)工程實(shí)例,驗(yàn)證了仿真模型與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,后續(xù)應(yīng)把計(jì)算方法嵌入在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)計(jì)算值與測(cè)量值的差異,提高電纜系統(tǒng)缺陷預(yù)警的精確度。