基于PSCAD單芯電力電纜故障暫態(tài)仿真建模

楊關(guān)春， 陳 平， 高 鵬

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市電網(wǎng)負(fù)荷密度越來越大.由于電纜導(dǎo)電性能和耐熱性能較好，傳輸容量較大，結(jié)構(gòu)輕便，易于彎曲，附件接頭簡單，安裝敷設(shè)方便等優(yōu)點[1-3]，在高壓配電網(wǎng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用.特別在城市電網(wǎng)中，為了美化城市形象及提高供電的可靠性，要求提高電纜化比例及主干道電線入地，廣泛地采用交聯(lián)聚乙烯電力電纜作為高壓、中壓輸配電線路.目前，國內(nèi)大部分城市采用的是110kV、10kV、380V的三級電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，已有不少110kV電壓等級的交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路投入運(yùn)行，并且呈逐年增長的趨勢[4-5].但是由于電力電纜鋪設(shè)在地下，運(yùn)行環(huán)境相對惡劣，所以每年電纜故障造成的突發(fā)停電、火災(zāi)隱患等事故時有發(fā)生，不僅給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大損失，而且給人們的正常生活帶來一定影響.因此減少高壓電力電纜絕緣故障，對于保證城市配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，有著非常重要的意義[6].

本文對高壓電力電纜的絕緣故障建立了仿真模型，并分別對主絕緣故障和外護(hù)套絕緣故障進(jìn)行仿真，同時對比分析故障線路與非故障線路的初始暫態(tài)電流與故障電流幅值的特征，為高壓電力電纜絕緣故障的研究提供一定的借鑒.

1 單芯電纜的結(jié)構(gòu)組成及其作用

本文采用110kV高壓單芯電纜，其截面如圖1所示[7].

1-導(dǎo)體2-導(dǎo)體屏蔽層3-絕緣層 4-絕緣屏蔽層 5-銅屏蔽層 6-填充層 7-鎧裝層 8-外護(hù)層圖1單芯電力電纜結(jié)構(gòu)圖

(1)導(dǎo)體.其作用是傳導(dǎo)電流.

(2)導(dǎo)電屏蔽層.屏蔽層具有均勻電場和降底線芯表面場強(qiáng)的作用.

(3)絕緣層.用來隔絕導(dǎo)體，防止電流泄漏.

(4)絕緣屏蔽層.保證能與絕緣緊密接觸，克服絕緣層與金屬屏蔽層無法緊密接觸而產(chǎn)生氣隙的弱點，而把氣隙屏蔽在工作場強(qiáng)之外.

(5)銅屏蔽層.其作用是限制電場和電磁干擾.

(6)填充層.其作用是讓電纜圓整、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

(7)鎧裝層.其作用是保護(hù)電纜不被外力損傷.

(8)外護(hù)層.其作用是保護(hù)絕緣和保證整個電纜正?？煽抗ぷ?

2 單芯電纜故障建模

2.1 仿真環(huán)境簡介

PSCAD是一個以圖形為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)模擬工具.其功能強(qiáng)大，自帶模型庫并且有友好的人機(jī)交互界面，能夠顯著地提高電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬研究的效率.借助建模包，使用者可以用圖形的方法建立要進(jìn)行模擬研究的電力系統(tǒng)模型.確定電纜模型需要使用CABLE模塊，通過功能選擇可以產(chǎn)生單頻率模式模型或者完全的頻率相關(guān)行波模型，其中，每一導(dǎo)電層和絕緣層的半徑和特性都是必需的.

在MATLAB的電力系統(tǒng)模塊庫中沒有合適的相應(yīng)電纜模型，綜合考慮后本次建模仿真選擇PSCAD4.2.0作為仿真建模工具，MATLAB7.1作為數(shù)據(jù)處理工具.

2.2 金屬護(hù)層接地方式的選擇

單芯電纜的導(dǎo)體與金屬屏蔽的關(guān)系，可看作變壓器的初級繞組.當(dāng)電纜的導(dǎo)體通過交流電流時，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與屏蔽層鉸鏈，使屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比[8].根據(jù)電纜的實際應(yīng)用長度，通常將金屬護(hù)層的接地方式分為以下幾種[9]：當(dāng)電纜線路長度在500m以內(nèi)時，金屬護(hù)層可采用一端直接接地，另一端通過護(hù)層保護(hù)器接地；當(dāng)電纜線路長度較長，且在1 000m以內(nèi)時，須采用中點處將金屬護(hù)層直接接地，電纜兩端的終端頭的金屬護(hù)層通過護(hù)層保護(hù)器接地的方式；當(dāng)電纜線路很長，大于1 000m時，可以采用金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地的方式.

2.3 電纜參數(shù)的選擇

本文對電纜絕緣故障建模仿真，采用銅芯110kV交聯(lián)聚乙烯銅屏蔽單芯電纜，根據(jù)實際電纜參數(shù)仿真模型，參數(shù)設(shè)置如圖2所示.

圖2 110kV單芯電纜參數(shù)結(jié)構(gòu)圖

2.4 單芯電纜故障仿真模型

通過對單芯電纜結(jié)構(gòu)的分析，本文將電力電纜的絕緣故障分為主絕緣故障(即導(dǎo)體與金屬護(hù)層短接時)和外護(hù)套絕緣故障(即由于外護(hù)套絕緣受到破壞，使金屬護(hù)層接地)，利用軟件PSCAD分別對主絕緣故障和外護(hù)套絕緣故障建立了仿真模型，其仿真模型如圖3所示，其中，F(xiàn)1表示主絕緣故障，F(xiàn)2表示外護(hù)套絕緣故障，其電纜線路電壓等級為110kV，故障時刻為0.06s，故障持續(xù)時間為10ms，采樣頻率為1MHz，水平排列，每相電纜之間間距為0.2m，地下電纜深度0.5m，故障相為A相，電纜總長度為500m，金屬護(hù)層采用一端直接接地，一端經(jīng)保護(hù)接地的接線方式.

圖3 多回線路高壓電纜絕緣故障仿真模型

3 仿真分析

3.1 外護(hù)套絕緣故障仿真分析

當(dāng)電纜發(fā)生外護(hù)套絕緣故障時，非故障線路與故障線路的導(dǎo)體和金屬護(hù)層中電流仿真圖如圖4所示，為了便于電流極性的比較，將故障線路金屬護(hù)層電流仿真放大圖如圖5所示，以及非故障線路金屬護(hù)層電流仿真放大圖如圖6所示.

圖4 外護(hù)套絕緣故障時，電流仿真圖

圖5 外護(hù)套絕緣故障時，故障線路金屬護(hù)層的電流放大圖

圖6 外護(hù)套絕緣故障時，非故障線路金屬護(hù)層的電流放大圖

從以上電流仿真圖可以得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)金屬護(hù)層接地，發(fā)生外護(hù)套絕緣故障時，故障線路中故障A相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流極性與本線路非故障相金屬護(hù)層的初始暫態(tài)電流極性相反，且本線路故障相金屬護(hù)層的電流幅值變化很大，而本線路非故障相金屬護(hù)層中故障電流幅值變化比較小.

(2)非故障線路中各相金屬護(hù)層中初始暫態(tài)電流極性一致，且非故障線路各相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流極性與故障線路故障A相的初始暫態(tài)電流極性相反.

3.2 主絕緣故障仿真分析

當(dāng)電纜發(fā)生主絕緣故障時，非故障線路與故障線路的導(dǎo)體和金屬護(hù)層電流仿真圖如圖7所示，同樣，為了便于電流極性的比較，將故障線路金屬護(hù)層電流仿真放大如圖8所示，以及非故障線路金屬護(hù)層電流仿真放大圖如圖9所示.

圖7 主絕緣故障時，故障線路與非故障線路電流仿真圖

圖8 主絕緣故障時，故障線路金屬護(hù)層電流仿真放大圖

圖9 主絕緣故障時，非故障線路金屬護(hù)層電流仿真放大圖

從以上仿真圖可以得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)電纜線路發(fā)生主絕緣故障時，故障線路中故障A相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流極性與本線路非故障相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流極性相反，且本線路故障相金屬護(hù)層的電流幅值變化很大.

(2)故障線路故障A相導(dǎo)體中的初始暫態(tài)電流與本故障相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流極性相同，且本故障相導(dǎo)體中的故障電流和金屬護(hù)層故障電流的幅值都有很大的變化.

(3)故障線路中故障A相金屬護(hù)層中初始暫態(tài)電流與非故障線路金屬護(hù)層中初始暫態(tài)電流極性相反，且故障相的金屬護(hù)層故障電流幅值遠(yuǎn)大于非故障線路上的金屬護(hù)層故障電流幅值.

4 結(jié)束語

本文對高壓單芯電纜的結(jié)構(gòu)作了簡單的介紹，在此基礎(chǔ)上，將高壓電纜絕緣故障分為主絕緣故障和外護(hù)套絕緣故障，并利用PSCAD對主絕緣故障和外護(hù)套絕緣故障建立了仿真模型，由仿真結(jié)果可知，利用PSCAD對其進(jìn)行仿真，能方便準(zhǔn)確地反應(yīng)故障線路與非故障線路中導(dǎo)體和金屬護(hù)層故障電流的暫態(tài)特性，且仿真時間短，精度高.

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