35kV電纜-架空線金屬護(hù)層電流初始行波特性研究

馬慶玉，黃榮輝，劉順桂，李 勛，陳 平

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000 )

35kV電纜-架空線金屬護(hù)層電流初始行波特性研究

馬慶玉1，黃榮輝2，劉順桂2，李 勛2，陳 平1

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000 )

針對變電站35kV電纜-架空線出線不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)，對不同線路金屬護(hù)層電流初始行波特性進(jìn)行研究.利用PSCAD、MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明小電流接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生在電纜位置或者架空線位置時(shí)，無論是單芯電纜還是三芯電纜它們的金屬護(hù)層電流初始行波極性會(huì)有明顯的區(qū)別，對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線有一定的參考價(jià)值.

電纜-架空線；單相接地；金屬護(hù)層；初始行波極性

隨著城市化進(jìn)程加劇，城市配電網(wǎng)絡(luò)越來越密集.電纜以其獨(dú)特優(yōu)越性取代架空線成為城市配電網(wǎng)的主要線路[1-2].但是電力電纜受材料本身、電纜制造、敷設(shè)過程中存在缺陷，受運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)和環(huán)境的影響，電纜主絕緣會(huì)發(fā)生擊穿，造成電纜導(dǎo)體(線芯)與該相電纜銅屏蔽層之間的短路故障[3-4].電纜發(fā)生故障后，金屬護(hù)層中的接地感應(yīng)環(huán)流顯著增大，使電纜發(fā)熱損耗量增加，從而使電纜的載流量以及電纜的壽命的大大縮減.因此，針對故障發(fā)生時(shí)金屬護(hù)層電流的特征分析，對電力電纜的監(jiān)測與管理、對城市的生產(chǎn)生活有很大意義[5-6].

文獻(xiàn)[7]針對10kV電纜線路進(jìn)行了故障仿真，但并沒有針對主絕緣故障時(shí)金屬護(hù)層電流進(jìn)行仿真研究.文獻(xiàn)[8]通過監(jiān)視金屬護(hù)層電流的變化來預(yù)防高壓電力電纜的潛在故障(如護(hù)層接頭松動(dòng)、絕緣老化缺陷等)，并沒有針對絕緣故障后的金屬護(hù)層電流行波特性進(jìn)行深入研究.

本文對35kV配電出線分別搭建單芯電纜—架空線混合線路模型以及三芯電纜——架空線混合線路模型進(jìn)行仿真研究.同時(shí)對比分析不同故障位置時(shí)，各出線的金屬護(hù)層初始暫態(tài)電流的幅值、極性特征；為研究電纜絕緣故障提供一定的借鑒、為實(shí)現(xiàn)電纜狀態(tài)檢修奠定技術(shù)基礎(chǔ).

1 電纜及架空線的參數(shù)選擇

本文采用1×400mm2的35kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜，其結(jié)構(gòu)尺寸見表1.

表1 35kV 單芯XLPE 電力電纜結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，按照電纜的結(jié)構(gòu)尺寸，在PSCAD中設(shè)置電纜依頻特性參數(shù)，如圖1所示.

圖1中Conductor表示導(dǎo)體層，Insulator1表示絕緣層，Sheath表示金屬屏蔽層，Insulator2表示絕緣屏蔽層，Armour表示鎧裝層，Insulator3表示外護(hù)層.電纜埋深為0.5m，每相電纜之間的間距為0.2m.

本文采用3×400mm2的35kV三芯交聯(lián)聚乙烯電纜，其結(jié)構(gòu)尺寸見表2.

表2 35kV 三芯XLPE 電力電纜結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)按照電纜的結(jié)構(gòu)尺寸，在PSCAD中設(shè)置電纜依頻特性參數(shù)，如圖2所示.

圖1 35kV單芯電纜依頻特性參數(shù)分布圖

圖2 35kV三芯電纜依頻特性參數(shù)分布圖

圖2中Inner coax cable表示導(dǎo)體，Pipe inner insulator表示管道內(nèi)絕緣，Pipe表示管道，Pipe outer insulator表示管道外絕緣，distA表示導(dǎo)線A距離中心距離，angB表示導(dǎo)線B相對位置的角度，電纜埋深為1m.

本文采用LGJ-240的拔梢單桿，接地線型號為GJ-30[9-10]，其結(jié)構(gòu)尺寸見表3.

根據(jù)表3的架空線的結(jié)構(gòu)尺寸，在PSCAD中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖3所示.

表3 架空線的結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 35kV架空輸電線路結(jié)構(gòu)圖

圖3中G1、G2分別表示架空地線，C1、C2、C3分別表示架空輸電線路A、B、C三相導(dǎo)線.

2 單芯電纜故障仿真模型的建立

本文選用PSACD作為仿真軟件，并利用MATLAB作為數(shù)據(jù)處理的工具，PSCAD功能強(qiáng)大，仿真環(huán)境中配有自己的模型庫，易于學(xué)習(xí)與應(yīng)用，而且能與MATLAB接口，在PSCAD中的仿真數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行波形處理.

本文所要搭建的單芯電纜-架空線仿真模型如圖4所示.

圖4 單芯電纜仿真模型

仿真模型為典型的小電流接地系統(tǒng).線路L1為電纜0.5km，架空線10km；線路L2電纜0.5km，架空線8km；線路L3為電纜0.5km，架空線15km.故障f1設(shè)置在出線1的電纜0.35km處的A相；故障f2設(shè)置在出線1的架空線6km處的A相.故障發(fā)生時(shí)刻為0.04s，持續(xù)時(shí)間0.02s，采樣頻率為1MHz.由于單芯電纜長度在0.5km左右，故采用金屬護(hù)層一端直接接地另一端經(jīng)保護(hù)器接地的方式接地[11].

2.1 故障發(fā)生在電纜位置的仿真分析

當(dāng)設(shè)置故障在電纜出線1位置電纜A相時(shí)，用MATLAB截取故障線路和非故障線路的金屬護(hù)層電流波形如圖5、圖6、圖7.

圖5 線路1電纜金屬護(hù)層暫態(tài)電流行波

圖6 線路2電纜金屬護(hù)層暫態(tài)電流行波

圖7 線路3電纜金屬護(hù)層暫態(tài)電流行波

由圖5、圖6、圖7仿真結(jié)果對比分析可知：

(1)故障線路故障A相金屬護(hù)層電流的初始行波極性與本線路非故障相金屬護(hù)層電流的初始行波極性相同，且故障A相金屬護(hù)層中的暫態(tài)電流幅值較大.

(2)故障線路故障A相金屬護(hù)層電流的初始行波極性與非故障線路各相金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反，且故障線路A相金屬護(hù)層中的暫態(tài)電流幅值較大.

(3)故障線路各相金屬護(hù)層電流的初始行波極性均相同.

2.2 故障發(fā)生在架空線處的仿真分析

當(dāng)設(shè)置故障在出線1架空線位置A相時(shí)，用MATLAB截取故障線路和非故障線路的金屬護(hù)層電流波形如圖8、圖9、圖10所示.

圖8 線路1電纜金屬護(hù)層暫態(tài)電流行波

圖9 線路2電纜金屬護(hù)層暫態(tài)電流行波

圖10 線路3電纜金屬護(hù)層暫態(tài)電流行波

由圖8、圖9、圖10仿真結(jié)果對比分析可知：

(1)故障線路故障A相金屬護(hù)層電流的初始行波極性與本線路非故障相金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反，且故障A相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流幅值較大.

(2)故障線路故障A相金屬護(hù)層電流的初始行波極性與非故障線路A相金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反，且故障A相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流幅值較大.

(3)故障線路的B，C相金屬護(hù)層電流的初始行波極性與非故障線路的B，C相金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反.

(4)非故障線路的A相金屬護(hù)層電流的初始行波極性與本線路的B，C相金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反，且A相金屬護(hù)層中的初始暫態(tài)電流幅值較大.

3 三芯電纜故障仿真模型的建立

搭建的三芯電纜-架空線混合模型如圖11所示.

圖11 三芯電纜仿真模型

圖11中，線路L1為電纜0.5km，架空線10km；線路L2電纜0.5km，架空線8km；線路L3為電纜0.5km，架空線15km.故障f1設(shè)置在出線1的電纜0.35km處的A相；故障f2設(shè)置在出線1的架空線6km處的A相.故障發(fā)生時(shí)刻為0.04s，持續(xù)時(shí)間0.02s，采樣頻率為1MHz.三芯電纜金屬護(hù)層采用雙端接地的方式經(jīng)接地線接地[11].

3.1 故障發(fā)生在電纜處的仿真分析

當(dāng)設(shè)置故障發(fā)生在出線1電纜位置A相時(shí)，用MATLAB截取故障線路和非故障線路的金屬護(hù)層電流波形如圖12所示.

圖12 電纜處故障各接地線電流行波

對比分析圖12各接地線仿真波形可知：

(1)故障線路金屬護(hù)層電流的初始行波極性與非故障線路的金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反，且故障線路金屬護(hù)層接地線初始暫態(tài)電流幅值最大.

(2)非故障線路的金屬護(hù)層電流的初始行波極性相同，幅值相等.

3.2 故障發(fā)生在架空線處的仿真分析

當(dāng)故障發(fā)生在出線1架空線位置A相時(shí)，用MATLAB截取故障線路和非故障線路的金屬護(hù)層電流波形如圖13所示.

圖13 架空線處故障各接地線電流行波

對比分析圖13各接地線仿真波形可知：

(1)故障線路金屬護(hù)層電流的初始行波極性與非故障線路的金屬護(hù)層電流的初始行波極性相反，且故障線路金屬護(hù)層接地線初始暫態(tài)電流幅值最大.

(2)非故障線路的金屬護(hù)層電流的初始行波極性相同，幅值相等.

4 結(jié)束語

針對35kV電纜-架空線出線結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用PSACD搭建仿真模型對單芯電纜以及三芯出線單相接地故障發(fā)生在電纜處以及架空線處進(jìn)行電磁暫

態(tài)仿真.結(jié)果表明：

(1)對于單芯電纜-架空線發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路的金屬護(hù)層電流初始行波極性相反；進(jìn)一步研究金屬護(hù)層電流初始行波極性，可以對單芯電纜-架空線混合線路進(jìn)行故障選線繼續(xù)研究.

(2)對于三芯電纜-架空線發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路的金屬護(hù)層接地線電流初始行波極性相反；進(jìn)一步研究金屬護(hù)層接地線電流初始行波極性，可以對三芯電纜-架空線混合線路進(jìn)行故障選線繼續(xù)研究.

該研究為不同電壓等級電力電纜金屬護(hù)層的研究提供了參考.

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(編輯：劉寶江)

35 kV cable-overhead lines metal sheath line current initial porter research

MA Qing-yu1,HUANG Rong-hui2,LIU Shun-gui2,LI Xun2,CHEN Ping1

(1.Schoolof Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2.Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518000, China )

When single-phase grounding faults occur in different positions of 35kV substation cables and overhead lines, the current initial porter of metal protective layer for different lines is studied. And PSCAD and MATLAB simulation softwares are used for simulation analysis. Simulation results show that when a large number of small current grounding system of single-phase grounding fault occurs in the cable or overhead lines location, whether it is a single-core cable metal sheath or three-core cable, their initial traveling wave current polarities will significantly changed. This will provides certain reference value for single-phase grounding fault line selection if small current grounding system.

cable - overhead lines; single-phase grounding; metal sheath; the initial wave polarity

2016-06-16

中國南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(090000KK52140041)

馬慶玉，男，18766968513@163.com

1672-6197(2017)03-0025-05

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