110 k V單芯高壓電纜護(hù)套環(huán)流抑制措施

鄭光祿，張 濤

（廣州大學(xué)城華電新能源有限公司，廣州511442）

1 抑制措施的背景

1.1 迎新谷能線(xiàn)線(xiàn)路概況

迎新谷能線(xiàn)為110 kV/800 mm2XLPE鋁護(hù)套電纜，全長(zhǎng)6740 m，共分15段。敷設(shè)方式為電纜溝、直埋、穿管和頂管混合敷設(shè)。護(hù)套接地方式采用交叉互聯(lián)一端直接接地，另一端經(jīng)過(guò)過(guò)壓保護(hù)器接地的方式。于2009年10月10日投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)器爆裂，通過(guò)環(huán)流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)金屬護(hù)套接地環(huán)流偏大。通過(guò)檢測(cè)及其分析后，排除了電纜護(hù)套多點(diǎn)接地及相位連接錯(cuò)誤的原因。在迎新谷能線(xiàn)負(fù)荷電流為300 A時(shí)，測(cè)得每段護(hù)層環(huán)流值，大部分環(huán)流小于負(fù)荷電流的5%，但在6#～9#井交叉互聯(lián)段內(nèi)最大環(huán)流達(dá)128 A，占負(fù)荷電流的42%。經(jīng)初步分析，導(dǎo)致迎新谷能線(xiàn)護(hù)套該段環(huán)流偏大主要可能原因如下：

1）同一交叉互聯(lián)大段內(nèi)電纜分段不均勻,電纜直埋沒(méi)有組成“品”型。

2）臨近回路的感應(yīng)電壓。比如在工井內(nèi)受110 kV其它線(xiàn)路的影響，其它線(xiàn)路在與迎新谷能線(xiàn)同溝敷設(shè)，同樣采用電纜溝、直埋、穿管和頂管混合敷設(shè)方式，每一回路存在交錯(cuò)可能，回路之間相互影響比較大。

3）白蟻及施工外力、盜挖對(duì)護(hù)套的損傷。

1.2 抑制措施的必要性

事故分析原因認(rèn)定為：接地故障電流在電纜護(hù)層上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓無(wú)法通過(guò)交叉互聯(lián)(長(zhǎng)度不均)抵消，電壓遠(yuǎn)大于避雷器的導(dǎo)通電壓，流經(jīng)避雷器的大電流持續(xù)超過(guò)1000 ms，而造成避雷器過(guò)熱爆裂。為防止事故擴(kuò)大，必須研究一種有效的高壓電纜護(hù)層環(huán)流抑制方法及保護(hù)器放電間隙的調(diào)整，對(duì)迎新谷能線(xiàn)線(xiàn)路護(hù)套接地方式進(jìn)行改造。

解決方案：將原先電纜3小段交叉互聯(lián)后兩端接地方式改為：在#0工井、#4工井和#8工井交叉互聯(lián)后一端接地，一端經(jīng)加裝電抗器及保護(hù)器接地的方式。改造后線(xiàn)路的環(huán)流實(shí)測(cè)為0～5 A，保護(hù)器處感應(yīng)電壓在50 V內(nèi)，滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)程GB50217—2007 規(guī)定要求（不得大于 100 V）（1）。

2 主要理論分析及仿真

2.1 護(hù)套感應(yīng)電壓和環(huán)流

正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)高壓?jiǎn)涡倦娎|的芯線(xiàn)通過(guò)單相電流，其磁力線(xiàn)匝鏈金屬外皮，當(dāng)單芯電纜(小于500 m)外護(hù)層兩端直接接地時(shí)，則相當(dāng)于構(gòu)成一個(gè)1∶1的變壓器，會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流和熱量損耗，加速電纜絕緣老化，使正常運(yùn)行時(shí)纜芯載流量降低約40%。故對(duì)于高壓?jiǎn)涡倦娎|系統(tǒng)，應(yīng)視實(shí)際情況選擇合適的電纜護(hù)層接地方式。對(duì)中長(zhǎng)電纜(500-1000 m)一般采用金屬護(hù)層一端直接接地，另一端經(jīng)保護(hù)器接地，并沿電纜線(xiàn)路增設(shè)一條回流線(xiàn)的接地方式。對(duì)中特長(zhǎng)(1000 m以上)電纜線(xiàn)路，一般采用電纜護(hù)層交叉互聯(lián)的接線(xiàn)方式。

2.2 ATP線(xiàn)路仿真

2.2.1 護(hù)層保護(hù)器(氧化鋅避雷器)的選取

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其參數(shù)選取的一般規(guī)定為:①保護(hù)器通過(guò)最大沖擊電流時(shí)的殘壓乘以1.4后，應(yīng)低于電纜護(hù)層絕緣的沖擊耐壓值；②保護(hù)器在最大工頻電壓作用下能承受5 s而不損壞；③保護(hù)器應(yīng)能通過(guò)最大沖擊電流累計(jì)20次而不損壞。優(yōu)化設(shè)計(jì)電力電纜金屬護(hù)層保護(hù)器技術(shù)參數(shù)。

系統(tǒng)短路時(shí)，工頻短路電流流過(guò)電纜線(xiàn)路芯線(xiàn)，電纜金屬護(hù)套不接地端會(huì)產(chǎn)生較高的工頻感應(yīng)電壓。兼顧護(hù)層保護(hù)器的工頻過(guò)電壓耐受能力和起始動(dòng)作電壓U1mA(U1mA=1.414Urp)，護(hù)層保護(hù)器額定電壓為

式中，Up為短路事故中電纜中出現(xiàn)的工頻電壓最大值；K為保護(hù)器工頻電壓配合系數(shù)。

2.2.2 電纜護(hù)層一點(diǎn)接地感應(yīng)電壓計(jì)算

設(shè)系統(tǒng)為單電源時(shí)，接地電流全部以大地為回路返回主變壓器中性點(diǎn)（對(duì)于多電源時(shí)應(yīng)計(jì)及各分支系數(shù)，確定流回各臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)接地電流。），如圖1。此時(shí)A、B、C三相護(hù)層感應(yīng)電壓。

圖1 單相接地故障

式中：D—地中電流穿透深度，單位m，，ρ土壤電阻率，f電源頻率。

對(duì)于廣州地區(qū)ρ=50Ω·m，GMRs=67 mm（金屬護(hù)層等值半徑），ID=20 kA，代入上式，可得

由以上計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于短電纜采用一端直接接地，另一端經(jīng)避雷保護(hù)器接地，在電纜發(fā)生單相接地故障后，護(hù)層最高感應(yīng)電壓約在10.25 kV，不會(huì)導(dǎo)致避雷器損壞。然而對(duì)于迎新谷能線(xiàn)，因線(xiàn)路較長(zhǎng)，每一大段長(zhǎng)度均在1 km以上（#0-#3段長(zhǎng)約1300 m），在線(xiàn)路采用一端接地另一端采用保護(hù)器接地的方式時(shí)，在發(fā)生系統(tǒng)單相接地后，護(hù)層最高感應(yīng)電壓會(huì)超過(guò)20 kV，使避雷保護(hù)器流過(guò)超過(guò)了自身通流量，其內(nèi)部熱能無(wú)法短時(shí)間散發(fā)，巨大的內(nèi)壓造成封閉的保護(hù)器爆裂，并放電擊穿。對(duì)于這種接線(xiàn)方式，只采用避雷保護(hù)器是不夠的。

2.2.3 增加電抗器限制護(hù)層環(huán)流（2）

資料顯示，韓國(guó)某2回154 kV單芯充油電纜6323 m長(zhǎng)線(xiàn)路，含6個(gè)交叉互聯(lián)單元，其中有些交叉互聯(lián)單元中的3個(gè)區(qū)段長(zhǎng)度差別很大，出現(xiàn)的最大環(huán)流接近100 A。研究決定采用電感值為2.65 mH的扼流圈串接于交叉互聯(lián)的連接回路。按電磁暫態(tài)過(guò)程借助于MALTAB交流暫態(tài)程序，對(duì)其電纜線(xiàn)路分布參數(shù)模型進(jìn)行模擬分析，并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明可減小環(huán)流約為85%。

為防止暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)扼流圈的危害，設(shè)計(jì)與其并聯(lián)配置的保護(hù)器時(shí)，應(yīng)使線(xiàn)圈伏安特性曲線(xiàn)在護(hù)層絕緣保護(hù)器伏安特性曲線(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)。

2.2.4 用ATP對(duì)迎新谷能線(xiàn)仿真

對(duì)廣州大學(xué)城能源站迎新谷能線(xiàn)建立電路模型。分析和仿真計(jì)算表明，限流電抗器能夠有效地限制由于各種原因引起的電纜護(hù)套環(huán)流異?；蛟龃?。隨著電抗器歐姆值的增大，限流效果越來(lái)越好，然而正常運(yùn)行情況下，電抗器上的電壓降也越來(lái)越大。電抗器歐姆值達(dá)到1.5Ω時(shí)，限流效果就比較理想了。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電抗器兩端最高電壓為3.6 kV，這為大容量放電間隙設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3 護(hù)層電流抑制電抗器及接地箱的研制[3-5]

3.1 產(chǎn)品研發(fā)路線(xiàn)

1）利用ATP軟件，模擬仿真迎新谷能線(xiàn)路，計(jì)算改造前護(hù)層環(huán)流和增加扼流電感后護(hù)層環(huán)流的大小。為扼流電感和大容量放電間隙設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2）設(shè)計(jì)專(zhuān)用接地箱和接地箱固定支架，可同時(shí)安裝三個(gè)扼流電感和三個(gè)避雷器，保證機(jī)械強(qiáng)度、百葉窗散熱、水密封防雨淋。

3）設(shè)計(jì)確定電抗器電感值。

3.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則

單相短路故障通常由繼電保護(hù)快速切除之。限流電抗器的接入，其伏安特性既應(yīng)保證正常運(yùn)行的有效限流，又應(yīng)能在短路故障時(shí)迅速飽和，呈現(xiàn)出明顯變小的低阻抗，從而保證短路電流繼電保護(hù)的正常動(dòng)作。

3.3 護(hù)層電流抑制電抗器的研制

3.3.1 扼流電抗器電感值的確定

設(shè)電纜線(xiàn)路每三段作為一個(gè)交叉互聯(lián)大段，現(xiàn)以迎新谷能線(xiàn)#1工井到#3號(hào)工井這一交叉互聯(lián)段為例進(jìn)行計(jì)算。

三段電纜長(zhǎng)度分別為：l1=438 m，l2=431 m，l3=456 m。

負(fù)荷電流IF=300 A，

護(hù)層環(huán)流Is=73 A。

根據(jù)城能源站提供該電纜金屬護(hù)層自抗為

該回路接地電阻值R=3.1Ω，土壤電阻Rg=π2f×10-4×1.140=0.0563 Ω。

未接入電抗器時(shí)回路總阻抗ZX=(3.1+0.0563)+j0.3166=3.172Ω。

按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，增加電抗器后，應(yīng)控制護(hù)層環(huán)流小于原來(lái)電流的20%以下，即為125.8*0.2=25.16A，根據(jù)ATP仿真結(jié)果，迎新谷能線(xiàn)最高感應(yīng)電勢(shì)Es=80V（1140 m），可計(jì)算此時(shí)增加電抗器后回路總阻抗為Z=80/19.6=3.1792 Ω。

回路總阻抗為Z=ZX+ZL，可計(jì)算電抗器電感值L=7.2 mH。

圖2 電抗器伏安特性曲線(xiàn)

3.3.2 環(huán)流抑制電抗器試驗(yàn)

環(huán)流抑制電抗器飽和電壓為50 V，能承受20 kA工頻短路電流。試驗(yàn)接線(xiàn)圖如圖3，短路試驗(yàn)波形圖如圖4。

圖3 電抗器工頻試驗(yàn)接線(xiàn)圖

電抗器接地箱安裝（迎新谷能線(xiàn)4號(hào)井）安裝后的情況：

接地箱改造前后接地電流值

A相：53 A相：0.5 B相：74 B相：1.3 C相：31 C相：0.9 110 kV迎新谷能線(xiàn)(運(yùn)行電流I0=330 A)改造位置 改造前環(huán)流IF(A)改造后環(huán)流IF1(A)IF1/I0 GIS站-M1-M2-M3大段 GIS站內(nèi)直接接地A相：36.6 A相：1 B相：26 B相：0.84 C相：21 C相：0.55 M3-M4-M5-M6大段 M4交叉互聯(lián)箱戶(hù)外A相：74 A相：1.4 B相：50 B相：1.1 C相：90 C相：1.3結(jié)論 改造后的環(huán)流大小符合技術(shù)協(xié)議規(guī)定技術(shù)指標(biāo)（即環(huán)流小于運(yùn)行電流的5%）M6-M7-M8-M9大段 M4交叉互聯(lián)箱隧道改造后環(huán)流有效值IF1(A)IF1/I0 A相：15.1 A相：0.9 B相：23 B相：0.8 C相：3.5 C相：1.1 110 kV棠赤谷能線(xiàn)(運(yùn)行電流I0=0 A)改造位置 改造前環(huán)流有效值IF(A)GIS站-M1-M2-M3大段 GIS站內(nèi)直接接地A相：13.5 A相：0.5 B相：29 B相：1.3 C相：17.2 C相：0.71 M3-M4-M5-M6大段 M4交叉互聯(lián)箱戶(hù)外A相：7 A相：0.4 B相：12 B相：0.3 C相：12 C相：0.9結(jié)論 改造后的環(huán)流大小符合技術(shù)協(xié)議規(guī)定技術(shù)指標(biāo)要求（即環(huán)流小于運(yùn)行電流的5%）M6-M7-M8-M9大段 M4交叉互聯(lián)箱隧道

4 結(jié)論

1）對(duì)大學(xué)城能源站送出線(xiàn)電纜線(xiàn)路建立數(shù)學(xué)模型，武漢大學(xué)對(duì)其進(jìn)行了ATP仿真，驗(yàn)證電纜環(huán)流偏大的原因。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相互吻合。

2）通過(guò)ATP對(duì)單相接地故障(短路電流20kA)進(jìn)行仿真，計(jì)算電纜每一大段護(hù)層感應(yīng)電壓，在理論上驗(yàn)證了前期所分析避雷保護(hù)器損壞的原因。

2）通過(guò)ATP仿真，計(jì)算四回路在不同負(fù)荷電流下護(hù)層最大感應(yīng)電壓。結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)荷電流均為320 A時(shí)（最嚴(yán)重情況），感應(yīng)電壓最高為102 V，大多數(shù)情況下護(hù)層感應(yīng)電壓都小于60 V。為電抗器設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3）結(jié)合ATP仿真結(jié)果以及能源站以往所測(cè)試護(hù)層感應(yīng)電壓數(shù)值，選取電抗器飽和電壓為50～60 V（流過(guò)電流為10 A時(shí)，電感器兩端電壓在60 V左右。對(duì)電抗器進(jìn)行了通流試驗(yàn)(施加50 Hz十個(gè)周波500 A～20 kA電流)，試驗(yàn)表明電抗器動(dòng)熱性能穩(wěn)定。

4）在迎新谷能線(xiàn)安裝專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的接地箱。以4#接地箱為例，安裝前電源側(cè)環(huán)流最大90 A，安裝后降為1.3 A。

5）當(dāng)三相不平衡時(shí)，電抗器不能補(bǔ)償相位。

[1]GB50217-2007.電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范,2007.

[2]江日洪.關(guān)于廣州大學(xué)城能源站110 kV電纜線(xiàn)路運(yùn)行若干問(wèn)題分析.

[3]羅俊華,周作春,李華春,羅旻.單芯電力電纜金屬護(hù)層過(guò)電壓保護(hù)器參數(shù)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù),2008,34(2):355-372.

[4]牛海清,王曉兵,蟻澤沛,張堯.110 kV單芯電纜金屬護(hù)套環(huán)流計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù),2005,(8):15-17.

[5]姜蕓等.電力電纜保護(hù)接地[J].高電壓技術(shù),1998,24(4):36.