基于PSCAD单芯电力电缆故障暂态仿真建模

杨关春， 陈 平， 高 鹏

(山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255091)

随着我国经济的快速发展，城市电网负荷密度越来越大.由于电缆导电性能和耐热性能较好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便等优点[1-3]，在高压配电网中得到了越来越广泛的应用.特别在城市电网中，为了美化城市形象及提高供电的可靠性，要求提高电缆化比例及主干道电线入地，广泛地采用交联聚乙烯电力电缆作为高压、中压输配电线路.目前，国内大部分城市采用的是110kV、10kV、380V的三级电网结构，已有不少110kV电压等级的交联聚乙烯电力电缆线路投入运行，并且呈逐年增长的趋势[4-5].但是由于电力电缆铺设在地下，运行环境相对恶劣，所以每年电缆故障造成的突发停电、火灾隐患等事故时有发生，不仅给工农业生产造成了巨大损失，而且给人们的正常生活带来一定影响.因此减少高压电力电缆绝缘故障，对于保证城市配电网的安全可靠运行，有着非常重要的意义[6].

本文对高压电力电缆的绝缘故障建立了仿真模型，并分别对主绝缘故障和外护套绝缘故障进行仿真，同时对比分析故障线路与非故障线路的初始暂态电流与故障电流幅值的特征，为高压电力电缆绝缘故障的研究提供一定的借鉴.

1 单芯电缆的结构组成及其作用

本文采用110kV高压单芯电缆，其截面如图1所示[7].

1-导体2-导体屏蔽层3-绝缘层 4-绝缘屏蔽层 5-铜屏蔽层 6-填充层 7-铠装层 8-外护层图1单芯电力电缆结构图

(1)导体.其作用是传导电流.

(2)导电屏蔽层.屏蔽层具有均匀电场和降底线芯表面场强的作用.

(3)绝缘层.用来隔绝导体，防止电流泄漏.

(4)绝缘屏蔽层.保证能与绝缘紧密接触，克服绝缘层与金属屏蔽层无法紧密接触而产生气隙的弱点，而把气隙屏蔽在工作场强之外.

(5)铜屏蔽层.其作用是限制电场和电磁干扰.

(6)填充层.其作用是让电缆圆整、结构稳定.

(7)铠装层.其作用是保护电缆不被外力损伤.

(8)外护层.其作用是保护绝缘和保证整个电缆正常可靠工作.

2 单芯电缆故障建模

2.1 仿真环境简介

PSCAD是一个以图形为基础的电力系统模拟工具.其功能强大，自带模型库并且有友好的人机交互界面，能够显著地提高电力系统电磁暂态模拟研究的效率.借助建模包，使用者可以用图形的方法建立要进行模拟研究的电力系统模型.确定电缆模型需要使用CABLE模块，通过功能选择可以产生单频率模式模型或者完全的频率相关行波模型，其中，每一导电层和绝缘层的半径和特性都是必需的.

在MATLAB的电力系统模块库中没有合适的相应电缆模型，综合考虑后本次建模仿真选择PSCAD4.2.0作为仿真建模工具，MATLAB7.1作为数据处理工具.

2.2 金属护层接地方式的选择

单芯电缆的导体与金属屏蔽的关系，可看作变压器的初级绕组.当电缆的导体通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比[8].根据电缆的实际应用长度，通常将金属护层的接地方式分为以下几种[9]：当电缆线路长度在500m以内时，金属护层可采用一端直接接地，另一端通过护层保护器接地；当电缆线路长度较长，且在1 000m以内时，须采用中点处将金属护层直接接地，电缆两端的终端头的金属护层通过护层保护器接地的方式；当电缆线路很长，大于1 000m时，可以采用金属护层交叉互联接地的方式.

2.3 电缆参数的选择

本文对电缆绝缘故障建模仿真，采用铜芯110kV交联聚乙烯铜屏蔽单芯电缆，根据实际电缆参数仿真模型，参数设置如图2所示.

图2 110kV单芯电缆参数结构图

2.4 单芯电缆故障仿真模型

通过对单芯电缆结构的分析，本文将电力电缆的绝缘故障分为主绝缘故障(即导体与金属护层短接时)和外护套绝缘故障(即由于外护套绝缘受到破坏，使金属护层接地)，利用软件PSCAD分别对主绝缘故障和外护套绝缘故障建立了仿真模型，其仿真模型如图3所示，其中，F1表示主绝缘故障，F2表示外护套绝缘故障，其电缆线路电压等级为110kV，故障时刻为0.06s，故障持续时间为10ms，采样频率为1MHz，水平排列，每相电缆之间间距为0.2m，地下电缆深度0.5m，故障相为A相，电缆总长度为500m，金属护层采用一端直接接地，一端经保护接地的接线方式.

图3 多回线路高压电缆绝缘故障仿真模型

3 仿真分析

3.1 外护套绝缘故障仿真分析

当电缆发生外护套绝缘故障时，非故障线路与故障线路的导体和金属护层中电流仿真图如图4所示，为了便于电流极性的比较，将故障线路金属护层电流仿真放大图如图5所示，以及非故障线路金属护层电流仿真放大图如图6所示.

图4 外护套绝缘故障时，电流仿真图

图5 外护套绝缘故障时，故障线路金属护层的电流放大图

图6 外护套绝缘故障时，非故障线路金属护层的电流放大图

从以上电流仿真图可以得到以下结论：

(1)当金属护层接地，发生外护套绝缘故障时，故障线路中故障A相金属护层中的初始暂态电流极性与本线路非故障相金属护层的初始暂态电流极性相反，且本线路故障相金属护层的电流幅值变化很大，而本线路非故障相金属护层中故障电流幅值变化比较小.

(2)非故障线路中各相金属护层中初始暂态电流极性一致，且非故障线路各相金属护层中的初始暂态电流极性与故障线路故障A相的初始暂态电流极性相反.

3.2 主绝缘故障仿真分析

当电缆发生主绝缘故障时，非故障线路与故障线路的导体和金属护层电流仿真图如图7所示，同样，为了便于电流极性的比较，将故障线路金属护层电流仿真放大如图8所示，以及非故障线路金属护层电流仿真放大图如图9所示.

图7 主绝缘故障时，故障线路与非故障线路电流仿真图

图8 主绝缘故障时，故障线路金属护层电流仿真放大图

图9 主绝缘故障时，非故障线路金属护层电流仿真放大图

从以上仿真图可以得出以下结论：

(1)当电缆线路发生主绝缘故障时，故障线路中故障A相金属护层中的初始暂态电流极性与本线路非故障相金属护层中的初始暂态电流极性相反，且本线路故障相金属护层的电流幅值变化很大.

(2)故障线路故障A相导体中的初始暂态电流与本故障相金属护层中的初始暂态电流极性相同，且本故障相导体中的故障电流和金属护层故障电流的幅值都有很大的变化.

(3)故障线路中故障A相金属护层中初始暂态电流与非故障线路金属护层中初始暂态电流极性相反，且故障相的金属护层故障电流幅值远大于非故障线路上的金属护层故障电流幅值.

4 结束语

本文对高压单芯电缆的结构作了简单的介绍，在此基础上，将高压电缆绝缘故障分为主绝缘故障和外护套绝缘故障，并利用PSCAD对主绝缘故障和外护套绝缘故障建立了仿真模型，由仿真结果可知，利用PSCAD对其进行仿真，能方便准确地反应故障线路与非故障线路中导体和金属护层故障电流的暂态特性，且仿真时间短，精度高.

[1] 朱晓辉，杜伯学，周风争，等.高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状[J].绝缘材料，2009,42(5):58-63.

[2] 陈巧勇，文习山，王一，等.交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线检测[J].高压电器,2003,39(1) :60-62.

[3] 江秀臣，蔡军，董小兵，等.110 kV 及以上电压等级交联电缆在线监测技术[J].电力自动化设备，2005, 25(8):13-17.

[4] 罗俊华， 马翠姣， 邱毓昌.交联聚乙烯电缆绝缘的在线监测[J].高压电器，1999,35(6):44-46.

[5] 柴旭峥，关根志，黄海鲲，等.交联聚乙烯电力电缆的绝缘在线监测技术[J].电线电缆,2002, 11(6):30-33.

[6] 罗华煜，关根志，易小羽.基于接地线电流法的电力电缆绝缘在线监测[J].高电压技术,2005,31(11):63-65.

[7] 牛海清，王晓斌，蚁泽沛，等.110 kV单芯电缆金属护套环流计算与试验研究[J].高电压技术，2005,31(8):15-17.

[8] 欧景茹，祁树文，杨世春.高压单芯电缆线路金属护套接地方式[J]，吉林电力，2005,4(2):19-21.

[9] 王波，罗进圣，黄宏新.220kV高压单芯电力电缆金属护套环流分析[J].高压电器，2009,45(5):141-145.