核电厂母线接地短路对二次电缆影响的研究

李慧奇，张艳丽，尹 宏，熊立昆

(1.华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003;2.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518057)

0 引言

随着我国经济的快速发展及用电需求的不断增加，变电站内采用的二次系统和弱电设备越来越多，一些电子设备易受周围电磁环境的影响，在电磁干扰信号的作用下可能会出现误操作或设备损坏的现象，从而对电网安全构成严重的威胁[1]。电力系统在正常和异常运行状态下都很容易产生或出现各种电磁干扰，例如短路故障、开关操作等产生的暂态过程;高电压、大电流设备周围的电场和磁场;射频电磁辐射;雷电;人体与物体的静电放电;供电网的电压波动、电压突降和中断、谐波;以及电子设备的工作信号和噪声等[2]。由国际大电网会议第 124 号导则[3]知，发电厂变电站母线接地短路的入地电流通过地网传导耦合对二次电缆造成的骚扰是一次系统对二次设备产生电磁骚扰的重要情况。

母线接地短路时，短路入地电流会在接地网上产生不均匀的地电位升，这种地电位升将在屏蔽层双端接地的二次电缆屏蔽层上产生对地电位分布，并在屏蔽层上产生电流，该电流经屏蔽电缆的转移阻抗将在二次电缆芯线上产生纵向感应电压，从而影响保护和控制设备的正常运行。

国内某核电厂采用了GIL(气体绝缘封闭母线)，是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘、外壳与导体同轴的高电压、大电流电力传输设备[4]。本文利用国内外通用软件包CDEGS[5～9]建立了某核电厂接地网、二次电缆屏蔽层以及GIL，GIS母线外壳的模型，计算了母线对外壳短路时通过外壳接地导体注入接地网的短路电流在二次电缆上产生的电磁骚扰。分析了母线外壳的有无、外壳接地导体的数量以及短路点位置等相关因素对单相接地短路故障情况下二次电缆上的电磁骚扰的影响，得到了一些有益的结论。

1 计算背景

本文以某核电厂为例，计算了接地短路时二次电缆上的电磁骚扰。此核电厂中GIL壳体外直径552 mm，壁厚6 mm，接地导体电阻为6.8 μΩ/m，直径为184 mm。核电厂接地网在x方向最长距离为850.81 m，y方向最长距离为904.53 m。接地网埋设深度除核岛外，均为0.8～1 m，核岛接地网埋设深度约为10 m。接地网采用横截面积为185 mm2的裸铜缆，电阻率为2.654 8 Ωm，相对磁导率为4 π×10－7。目标屏蔽电缆长约500 m，屏蔽电缆的两端分别在500 kV变电站和核岛电气厂房双端接地，屏蔽层由铜丝编织而成，屏蔽层的截面半径为7.35 mm，电阻率为2.654 8 Ωm。

2 计算模型和计算条件

2.1 计算模型

核电厂布置图如图1。核电厂共有12条GIL且外壳多点接地。土壤模型分为两层，每层深度及土壤电阻率见表1。根据该厂提供的短路电流计算书，接地短路电流峰值取60.645 kA。

图1 核电厂接地网布置图Fig.1 Layout drawing of the grounding grid in the nuclear plant

表1 土壤电阻率分布Tab.1 Soil resistivity distribution

2.2 二次电缆转移阻抗

二次电缆屏蔽层电流通过转移阻抗在芯线上产生感应电压。根据文献[10～11]，二次电缆的转移阻抗可由以下公式计算得出:

式中:Zd为散射阻抗;Mh为小孔电感;Mb为编织电感。描述编织层的参数有:编织节距P、绝缘层的直径D0、每根编织线的直径d、编织层的编束数C、编织束内的导线数n。

对于散射阻抗Zd，小孔电感Mh，编织电感Mb，计算公式如下:

两个相邻的编织带间的距离:

两个相交叉的编织带间的距离:

公式中用到的参数由电缆供货商提供，其中，编织节距P=31，绝缘层的直径D0=3.1 mm，每根编织线的直径d=0.2 mm，编织层的编束数C=24，编织束内的导线数n=6。计算出在频率为50 Hz下电缆的转移阻抗为0.004 7 Ω/m。

3 计算结果及分析

3.1 有/无金属外壳对二次电缆上电磁骚扰的影响

经CDEGS建模计算，分别得出了有/无金属外壳时短路电流流入接地网后在屏蔽层双端接地的二次电缆上产生的电磁骚扰。当母线没有金属外壳时，接地短路即为母线对地短路，短路电流直接入地，此时不存在GIL外壳多个接地导体对短路入地电流的分流，因此，其产生的电磁骚扰较有金属外壳时母线对外壳短路产生的电磁骚扰严重，两种情况下计算结果的比较见表2。

表2 有/无金属外壳情况下二次电缆上的电磁骚扰情况Tab.2 Electromagnetic interferences on secondary cable under different situations of enclosure

3.2 外壳接地导体数对二次电缆上电磁骚扰的影响

通过改变GIL-GIS外壳接地导体的数量，得到了外壳接地导体数对于母线对外壳接地短路时二次电缆上电磁骚扰的影响。本文计算了外壳接地导体逐渐减半时，二次电缆上的电磁骚扰，每次减半后，接地导体接地点仍然是均匀分布于GIL-GIS外壳沿线各处，计算结果如表3所示。

表3 外壳接地导体数变化时二次电缆上的电磁骚扰情况Tab.3 Electromagnetic interferences on secondary cable with the number of grounding conductors varying

从计算结果可以看出，随GIL-GIS金属外壳接地导体数量的减少，母线对外壳接地短路时二次电缆上的电磁骚扰逐渐加重。这主要是因为外壳接地导体越多，其对短路电流的分流越多，引起的二次电缆屏蔽层两端的地电位升越小，从而导致二次电缆上产生的电磁骚扰较小。因此，增加外壳接地导体的数量有助于减小电厂接地短路对二次电缆产生的电磁骚扰，在经济允许的情况下，GIL-GIS外壳应尽可能多地装设接地导体。

3.3 接地短路点对二次电缆上电磁骚扰的影响

本文分别计算了GIS母线对外壳短路和GIL导线对外壳短路两种情况下短路电流在二次电缆上产生的电磁骚扰。GIS母线对外壳短路时，短路点靠近电缆一端，GIL导线对外壳短路时，短路点靠近电缆中部。计算结果如表4所示。

表4 短路点位置不同时二次电缆上的电磁骚扰情况Tab.4 Electromagnetic interferences on secondary cable with the scene of ground short circuit failure varying

从计算结果可以看出，短路点位置对于短路电流在二次电缆上产生的电磁骚扰有一定影响。当短路点位置靠近电缆一端时，短路电流在二次电缆上产生的电磁骚扰较大。这主要是因为当短路电流入地时，电流入地点的地电位升最高，随着与入地点距离的增加，地电位升迅速降低，当入地点靠近电缆一端时，电缆屏蔽层两端的电位差更大，从而导致电缆上产生的电磁骚扰更加严重。

4 结论

本文利用基于矩量法的国内外通用软件包CDEGS建立了核电厂接地网、二次电缆屏蔽层和GIL，GIS母线外壳的计算模型，计算了某核电厂母线发生接地短路时短路入地电流在屏蔽层双端接地的二次电缆上产生的电磁骚扰，分析了母线金属外壳、接地导体数量以及短路点位置对其的影响。从计算结果可以看出，母线存在外壳时可以有效地减小接地短路对二次电缆的电磁骚扰;外壳接地导体数越多，二次电缆上产生的电磁骚扰越小;短路点距离二次电缆一端较近时二次电缆上的电磁骚扰较大。因此，采用GIL-GIS系统可以有效的减小接地短路故障对二次系统的影响，在经济条件允许的情况下，建议GIL，GIS外壳装设尽量多的接地导体。