500 kV電纜線路電壓分布特性仿真分析

涂蘇格，余藝娟，陳 晨，陳 潔

（國(guó)網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

為掌握變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)雷電沖擊、操作沖擊試驗(yàn)中電纜的電壓分布特性，本文利用數(shù)值仿真軟件ATP-EMTP，模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)500 kV XLPE 電纜施加變頻諧振電壓波、雷電沖擊波、操作沖擊波，對(duì)3 種電壓波下電纜中電壓分布特性進(jìn)行仿真計(jì)算分析［1-3］。對(duì)電纜采用分布參數(shù)等效模型，分別進(jìn)行變頻諧振交流耐壓、雷電沖擊、操作沖擊試驗(yàn)仿真分析［4-6］。

1 電纜計(jì)算模型

500 kV 電纜選擇YJLW03 290/500 1×2 500 mm2。電纜絕緣介電常數(shù)ε=2.5，電容分布參數(shù)值為1.87×10-10F/m，電感分布參數(shù)值為1.99×10-7H/m，電纜的波阻抗為Z=33 Ω，每公里電阻為0.007 3 Ω。

電纜使用分布參數(shù)等效電路來(lái)等效，如圖1所示，R0、L0、G0、C0分別為單位長(zhǎng)度電纜的電阻、電感、電導(dǎo)和電容，模型中考慮了電壓波沿電纜傳輸過(guò)程中引起的能量損耗［7-14］。

圖1 電纜分布參數(shù)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of cable distribution parameters

2 變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)

根據(jù)《Q/GDW 11316—2014 電力電纜線路試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)要求，電壓波形應(yīng)基本為正弦波形，頻率應(yīng)為20 Hz～300 Hz，試驗(yàn)電壓值可為320 kV（1.1U0）、435 kV（1.5U0）、493 kV（1.7U0）、580 kV（2U0），計(jì)算同一電壓下不同諧振頻率時(shí)及同一頻率下不同試驗(yàn)電壓時(shí)電纜電壓分布特性。

變頻串聯(lián)諧振裝置試驗(yàn)原理圖如圖2所示。在圖2中，T為勵(lì)磁變壓器；L為電抗器；C1、C2為高壓分壓器高低壓臂；Cx為被試品等效電容。

圖2 變頻串聯(lián)諧振裝置試驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the test of variable frequency series resonance device

運(yùn)用串聯(lián)諧振原理，利用勵(lì)磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出頻率，使回路電感L和試品C串聯(lián)諧振，諧振電壓即為加到試品上電壓［15-19］。

用變頻串聯(lián)諧振法對(duì)電力電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的等效電路如圖3所示。在圖3中，U為勵(lì)磁變壓器的輸出電壓；R為試驗(yàn)回路的等效電阻。

圖3 串聯(lián)諧振法等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of series resonance method

取試驗(yàn)電壓值為493 kV（1.7U0），諧振頻率為50 Hz，仿真計(jì)算得電纜沿線電壓分布特性如圖4和圖5 所示（將總電纜分成5 段，從首端到末端共采集6 個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓）。

圖4 串聯(lián)諧振下電纜沿線電壓波形（f=50 Hz）Fig.4 Voltage waveform along the cable under series resonance(f=50 Hz)

圖5 電纜沿線電壓分布特性Fig.5 Voltage distribution characteristics along the cable

仿真結(jié)果表明，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜電壓呈略微增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不大，這是由于空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)，輸電距離越大，末端電壓升高現(xiàn)象越明顯。

在20 Hz～300 Hz 頻率范圍內(nèi)，選擇諧振頻率點(diǎn)分別為20 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz，根據(jù)已有的電纜電容量計(jì)算相應(yīng)的串聯(lián)回路電感量，仿真計(jì)算電纜末端電壓幅值如表1所示。

表1 不同諧振頻率下電纜末端電壓幅值Table 1 Cable end voltage amplitude under different resonance frequencies

由表1 可以看出，隨著頻率f 的升高，末端電壓升高現(xiàn)象更為明顯，說(shuō)明頻率對(duì)電纜沿線電壓幅值有一定影響。

計(jì)算同一頻率下（50 Hz）不同試驗(yàn)電壓（1.1U0、1.5U0、1.7U0、2U0）時(shí)電纜電壓分布特性，結(jié)果如表2所示（由于各節(jié)點(diǎn)電壓變化趨勢(shì)一致，這里僅以末端電壓為例）。

表2 同一頻率下電纜末端電壓幅值Table 2 Voltage amplitude of the cable end under the same frequency

隨著試驗(yàn)電壓的升高，末端電壓呈線性升高，中間各節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。

3 雷電沖擊電壓試驗(yàn)

按照《GB/T 22078.1—2008 額定電壓500 kV（Um=550 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件——試驗(yàn)方法和要求》規(guī)定，采用的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形（1.2/50 μs），試驗(yàn)電壓值為1 550 kV，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形如圖6所示［20-24］。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形Fig.6 Standard lightning impulse voltage waveform

仿真結(jié)果如圖7 和圖8 所示，仿真時(shí)長(zhǎng)分別為T=1 ms和T=2 ms。

圖7 雷電波下電纜沿線電壓分布特性Fig.7 Voltage distribution characteristics along the cable under lightning waves

圖8 雷電波下電纜沿線電壓分布特性Fig.8 Voltage distribution characteristics along the cable under lightning waves

由于電纜末端開路，依據(jù)波傳播的固有特性在電纜末端節(jié)點(diǎn)電壓近乎發(fā)生全反射，末端電壓抬高2倍，中間各節(jié)點(diǎn)也都產(chǎn)生稍高的電壓。由于反射波的疊加，中間各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)波形的畸變。

4 操作沖擊電壓試驗(yàn)

按照GB/T 22078.1—2008 規(guī)定，采用的標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形（250/2 500 μs），試驗(yàn)電壓值為1 175 kV，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形如圖9 所示［25-30］。在圖9 中，Tp=250 μs；T2=2 500 μs。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形Fig.9 Standard operation impulse voltage waveform

仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 操作波下電纜沿線電壓分布特性Fig.10 Voltage distribution characteristics along the cable under the operating wave

操作波下，由于電纜末端波反射造成電壓升高，沿線各節(jié)點(diǎn)電壓波形相似。由于操作波的波頭和波尾時(shí)間較長(zhǎng)以及末端反射波的疊加，造成各節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)波形的畸變（除首端外）。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)變頻諧振交流耐壓、雷電沖擊、操作沖擊試驗(yàn)仿真分析，仿真結(jié)果表明：

1）變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)中，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜電壓呈略微增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不大，這是由于空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)，輸電距離越大，末端電壓升高現(xiàn)象越明顯；隨著頻率f的升高，末端電壓升高現(xiàn)象更為明顯，說(shuō)明頻率對(duì)電纜沿線電壓幅值有一定影響；隨著試驗(yàn)電壓的升高，末端電壓呈線性升高，中間各節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。

2）雷電沖擊電壓試驗(yàn)中，由于電纜末端開路，依據(jù)波傳播的固有特性在電纜末端節(jié)點(diǎn)電壓近乎發(fā)生全反射，末端電壓抬高2倍，中間各節(jié)點(diǎn)也都產(chǎn)生稍高的電壓。由于反射波的疊加，中間各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)波形的畸變。

3）操作沖擊電壓試驗(yàn)中，由于電纜末端波反射造成電壓升高，沿線各節(jié)點(diǎn)電壓波形相似。由于操作波的波頭和波尾時(shí)間較長(zhǎng)以及末端反射波的疊加，造成各節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)波形的畸變（除首端外）。