配網(wǎng)10 kV旁路柔性電纜護層感應(yīng)電壓與電流的分析

馬金超，何文峰，徐小康，管子然

（1.廣東立勝電力技術(shù)有限公司，廣東佛山 528000；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引言

在電力系統(tǒng)中，配網(wǎng)作為輸電網(wǎng)絡(luò)與用戶之間不可或缺的“橋梁”，其服務(wù)水平不僅關(guān)乎人民的幸福、國家的長治久安，而且是衡量一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達程度的標準之一[1]。然而，隨著我國城市化進程的加速推進，城市高質(zhì)量的供電需求與配網(wǎng)停電檢修之間的矛盾日益突出。旁路不停電作業(yè)以能夠最大限度保障供電連續(xù)性的優(yōu)點，有效地解決了這一突出矛盾[2]。但由于旁路電纜絕緣距離小且導(dǎo)體與護層之間存在電磁聯(lián)系，電纜護層會產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，一旦外護套被擊穿，造成多點接地故障，進而導(dǎo)致護層環(huán)流增加[2,4]，不僅對旁路作業(yè)人員及設(shè)備產(chǎn)生嚴重威脅，而且會增加額外的電能損耗、縮短旁路設(shè)備使用壽命。因此，研究旁路電纜不停電作業(yè)所用柔性電纜護層感應(yīng)電壓與環(huán)流，不僅對完善旁路不停電作業(yè)相關(guān)理論有著深刻的理論意義[5]，而且對配網(wǎng)檢修作業(yè)有著極大的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對高壓電纜護層感應(yīng)電壓開展了諸多的研究工作，而對影響10 kV 旁路電纜護層感應(yīng)電壓與電流的研究明顯不足。文獻[2]從電氣因素、運輸因素、敷設(shè)因素三個方面研究了110 kV高壓電纜最大敷設(shè)長度，而未分析影響護層感應(yīng)分量的因素；文獻[3]利用PSCAD 軟件僅研究了高壓電纜護層接地方式對護層感應(yīng)電壓與電流的影響；文獻[4]基于超高壓海底電纜模型，分析出一種電纜護套環(huán)流計算的新方法，并進行仿真驗證，而未對影響旁路電纜護層感應(yīng)電壓與電流的因素進行研究。

綜上所述，目前在配網(wǎng)10 kV 旁路電纜護層感應(yīng)電壓與電流的計算、測量等方面開展的研究工作不足。同時，《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》規(guī)定[2]：電纜線路的正常感應(yīng)電勢最大值應(yīng)滿足下列規(guī)定：未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，不得大于50 V；除上述情況外，不得大于300 V[6,7]。因此，利用PSCAD/EMTDC 建立旁路電纜系統(tǒng)模型，從電纜布置方式、電纜長度、載流量[8]、接地方式、接地故障等幾個方面對旁路不停電作業(yè)所用柔性電纜護層感應(yīng)電壓與電流進行了研究，旨在完善旁路不停電作業(yè)相關(guān)理論，為我國配電網(wǎng)檢修作業(yè)提供參考。

1 理論分析

旁路電纜導(dǎo)體流入交流電流時，會在電纜周圍產(chǎn)生交變磁場[9]，從而在電纜金屬護套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當電纜護層發(fā)生接地時，電纜護層與大地構(gòu)成一條回路，進而產(chǎn)生感應(yīng)電流[10]。

1.1 護層感應(yīng)電壓的計算

在旁路電纜中，三根單芯電纜組成A、B、C三相回路，因此，旁路電纜其中一相護層的電感為[5]：

式中：Is為該相電流；L1為該相電纜導(dǎo)體自感；M1、M2分別為旁路電纜其他兩相與該相護層間互感；I1、I2分別為流過其他兩相導(dǎo)體的電流。

旁路電纜各相護層間單位長度的互感為[5]：

式中：該相與有電磁作用相間的距離為S0；該相電纜中心與有電磁作用相電纜中心間的距離為S。

旁路電纜其中一相護層單位長度的感應(yīng)電壓為[5]：

1.2 護層感應(yīng)電流的計算

旁路電纜護層感應(yīng)電流Ij主要包括電容電流Ic和感應(yīng)環(huán)流Ii兩種類型[12,14]，大小為兩種電流的矢量和[5]。其中，旁路電纜護層一端接地時，感應(yīng)環(huán)流為零。因此，旁路電纜一端接地時，電纜任一相護層感應(yīng)電流大小為：

式中：ω為系統(tǒng)角頻率；l為電纜長度；C0為單位長度電纜電容；U為電纜線芯對地電壓。

旁路電纜護層兩端接地等效電路如圖1 所示。由于電纜護層感應(yīng)電流Ij介于Ii、Ic兩者的代數(shù)和與差之間[15]，且電纜護層兩端接地方式時通常Ii遠大于Ic[16,17]，則Ij≈Ii。

圖1 金屬護層兩端接地等效電路

兩端接地時，旁路電纜任一相護層感應(yīng)電流大小為：

式中：X為電纜金屬護層的自感；R1為感應(yīng)電流回路中除電纜護層以外部分的等值電阻，主要包括接地線電阻、電纜兩端接地引線間的導(dǎo)通電阻以及相關(guān)接觸電阻等；Ej為任一相電纜導(dǎo)體上通過的電流在該相護層上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；R為電纜金屬屏蔽層電阻。

2 計算模型與方法

旁路不停電作業(yè)即以不停電或短時停電為目標，對配網(wǎng)線路及設(shè)備進行檢修與維護的一種作業(yè)方式[13]。通過使用柔性電纜、快速插拔式電纜接頭、旁路開關(guān)等設(shè)備，在檢修現(xiàn)場快速搭建一條臨時性的旁路供電系統(tǒng)，跨接于故障線路或待檢修線路兩端[6]，接著通過操作旁路開關(guān)，將負荷引入該臨時旁路供電系統(tǒng)，待旁路供電系統(tǒng)正常工作后，斷開故障線路或待檢修線路開關(guān)[18]，以達到待檢修或故障線路在停電情況下實施檢修作業(yè)，待檢修完畢后再重新投入運行，最終實現(xiàn)對客戶的不間斷供電，具體的基本原理如圖2所示。其中，K1、K2為故障線路開關(guān)；K3、K4為旁路開關(guān)。

圖2 旁路系統(tǒng)原理圖

2.1 計算模型

以佛山供電公司某10 kV 故障線路為例，利用PSCAD 軟件建立了基于Bergeron 模型的10 kV 旁路電纜系統(tǒng)（見圖2），并對電纜護層感應(yīng)電壓與電流進行了仿真計算。10 kV 旁路作業(yè)系統(tǒng)模型全長500 m、檔距50 m。該系統(tǒng)兩端采用雙電源設(shè)置，線電壓為11 kV，線路電流為200 A，接地電阻為10 Ω，利用電源兩端相位角的變化來模擬負荷電流。同時，10 kV 旁路作業(yè)所用柔性電纜主要包括金屬導(dǎo)體線芯、內(nèi)半導(dǎo)電層、絕緣層、外半導(dǎo)電層、屏蔽層、護套等幾部分，具體參數(shù)如表1所示。

表1 10 kV電纜參數(shù)表

2.2 仿真過程與方案

基于PSCAD 軟件研究了旁路電纜布置方式、電纜長度與分段長度、載流量、接地方式等因素對旁路電纜護層感應(yīng)電壓與電流的影響。在仿真計算中，依據(jù)目前現(xiàn)場作業(yè)實際情況，對各因素的設(shè)置如下。

（1）旁路電纜布置方式。針對目前旁路作業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)置了水平布置、正三角布置、架空垂直布置與倒三角布置4種經(jīng)典布置方式，如圖3所示。

圖3 旁路電纜布置方式

（2）旁路電纜長度。設(shè)置了旁路電纜長度300 m、400 m、500 m、600 m、700 m五種方案。

（3）旁路電纜分段長度。針對旁路電纜500 m經(jīng)典長度，設(shè)置了均勻長度與不均與長度兩種分段類型。其中，不均勻長度設(shè)置40/60 m、30/70 m結(jié)合兩種檔距方案。

（4）載流量。設(shè)置了4 種典型旁路作業(yè)用柔性電纜導(dǎo)體截面積35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2。

（5）接地方式。根據(jù)電纜護層經(jīng)典接地保護方式，設(shè)置了旁路電纜一端接地、兩端接地、一端接地與金屬護層位置中間接地相互配合、金屬護層中間位置直接接地與電纜兩端金屬護層經(jīng)保護接地相互配合、交叉互聯(lián)（接地電阻為0.5 Ω）5 種接地方式。同時，上述5種接地方式分別記為方案A、B、C、D、E。

3 仿真過程與分析

旁路電纜護層兩端不接地與一端接地感應(yīng)電壓分別記為Ev1、Ev2；旁路電纜護層兩端接地與一端接地護層感應(yīng)電流分別記為Ic1、Ic2。

3.1 布置方式

對圖3 中4 種典型旁路電纜布置方式進行了仿真計算，仿真結(jié)果如表2 及表3 所示。方案A、B、C、D 分別代表水平布置、正三角布置、垂直布置、倒三角布置。旁路電纜的布置方式對一端接地時電纜護層感應(yīng)電流基本無影響。當旁路電纜采用方案B時，旁路電纜護層感應(yīng)分量最大；當旁路電纜采用方案C布置時，不僅電纜護層感應(yīng)分量最小，而且三相電纜護層感應(yīng)分量不平衡度接近于0。

表2 不同布置方式下電纜護層感應(yīng)電壓

表3 不同布置方式下電纜護層感應(yīng)電流

3.2 電纜長度

旁路電纜長度的改變，會引起電纜導(dǎo)體與護層間的耦合參數(shù)改變。對5種常用長度的旁路系統(tǒng)進行了仿真研究，結(jié)果如圖4～圖5所示。隨著旁路電纜長度的增加，護層感應(yīng)電流呈線性增加，即電纜長度每增加100 m，電纜護層感應(yīng)電流亦增加0.5 A左右；而電纜護層感應(yīng)電壓變化不同，即一端接地時，旁路電纜護層感應(yīng)電壓隨電纜長度的增加而增加，兩端接地時，電纜護層感應(yīng)電壓基本保持不變。

圖4 不同長度下電纜護層感應(yīng)電壓

圖5 不同長度下電纜護層感應(yīng)電流

3.3 電纜分段長度

在實際工程，由于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的不確定性，旁路系統(tǒng)水平檔距亦不固定。對均勻檔距與不均勻檔距兩大類工況進行仿真計算，結(jié)果如圖6～圖7所示。方案A、B、C分別代表30 m/70 m檔距組合方案、均勻檔距50 m 方案、40 m/60 m 檔距組合方案。在旁路系統(tǒng)分段數(shù)目一定時，旁路電纜護層各感應(yīng)分量不僅與旁路電纜是否均勻分段無關(guān)，而且與旁路電纜分段長度大小亦無關(guān)。

圖6 不同檔距下電纜護層感應(yīng)電壓

圖7 不同檔距下電纜護層感應(yīng)電流

3.4 載流量

電纜導(dǎo)體截面積與電纜載流量密切相關(guān)，通過電纜導(dǎo)體截面積的變化來衡量旁路電纜載流量對電纜護層感應(yīng)分量的影響，仿真結(jié)果如圖8、9所示。結(jié)果表明，旁路電纜導(dǎo)體截面積的變化對一端接地時護層感應(yīng)電流的影響較大，而對其他感應(yīng)分量的影響較小，可忽略不計。即一端接地時，旁路電纜導(dǎo)體截面積每增加一倍，電纜護層感應(yīng)電流增加1 A左右。

圖8 不同截面積下電纜護層感應(yīng)電壓

圖9 不同截面積下電纜護層感應(yīng)電流

3.5 接地方式

接地方式會改變旁路電纜護層與導(dǎo)體間耦合的緊密程度，對上述5種接地方式進行了仿真計算，結(jié)果如表4 所示。結(jié)果表明，方案B 與方案D 可以有效地降低電纜護層感應(yīng)電壓，方案C 可有效降低電纜護層感應(yīng)電流，而方案E 交叉互聯(lián)可有效地降低電纜護層感應(yīng)電壓與電流至接近于0。

表4 不同接地方式下電纜護層感應(yīng)分量

3.6 短路接地故障

正常運行的單芯旁路電纜一旦發(fā)生短路故障，會對電纜造成嚴重的安全隱患。對單相接地短路、兩相接地短路、單相短路三種故障進行了仿真分析，仿真結(jié)果如表5所示。仿真結(jié)果表明，當旁路電纜護層一端接地時發(fā)生接地故障，電纜故障相感應(yīng)電流降低至0 A，非故障相感應(yīng)電流基本不變、感應(yīng)電壓升高40%左右；當旁路電纜發(fā)生相間短路且護層兩端接地時，電纜故障相感應(yīng)電流為非故障相的一半。

表5 短路故障時電纜護層感應(yīng)分量

4 結(jié)論

（1）旁路電纜架空敷設(shè)時，電纜護層感應(yīng)分量最小，三相感應(yīng)分量不平衡度接近于0，且優(yōu)于地面敷設(shè)。

（2）旁路電纜分段長度數(shù)目一定時，旁路系統(tǒng)護層感應(yīng)分量與旁路電纜分段長度無關(guān)，而與旁路電纜長度有關(guān)，且對電纜護層感應(yīng)電流影響更為顯著。電纜長度每增加100 m，電纜護層感應(yīng)電流增加0.5 A左右。

（3）旁路電纜導(dǎo)體截面積的變化僅對一端接地時護層感應(yīng)電流的影響較大，而對其他分量的影響可忽略不計。旁路電纜導(dǎo)體截面積每增加一倍，電纜護層感應(yīng)電流增加1 A左右。

（4）旁路系統(tǒng)接地方式可降低護層感應(yīng)分量。特別是交叉互聯(lián)可降低護層感應(yīng)分量至接近于0，而在實際工程中，交叉互聯(lián)的應(yīng)用會直接增加旁路作業(yè)成本與復(fù)雜度，應(yīng)酌情處理。

（5）旁路系統(tǒng)接地故障會造成電纜護層感應(yīng)電壓的增加，威脅旁路系統(tǒng)的安全運行。