变电站二次电缆双端接地的安全性能分析

2018-12-14，，，

电瓷避雷器 2018年6期

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(1.国网吉林省电力有限公司检修公司，长春 130000； 2.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012； 3.国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特 010020)

0 引言

随着电力系统容量增加及自动化水平的不断提高，为确保系统运行稳定性，现代变电站中大量采用微机保护装置和微机型综合自动化设备，这些设备主要通过二次电缆进行信号传输与控制。由于变电站特殊的电磁环境，外部电磁干扰等众多因素的影响，常常干扰电缆中的传输信号，影响传输信号质量，严重时甚至使设备误动作，影响二次系统正常运行[1-2]。

由于二次设备抗干扰能力较弱，从电缆绝缘承受电压的角度考虑，二次电缆应当采用双端接地方式[3-6]。国外一般使用铜材接地网，而我国普遍采用钢材接地网，钢的磁导率和电阻率较铜大，对于实际的大型接地网，地网不等电位情况较为明显，短路时接地系统不同部位导体间存在较大电位差[7-8]。由于电缆两端电位不相等，因此将有电流流过电缆屏蔽层，并在电缆芯线与屏蔽层之间产生电位差。该电位差通过地网耦合进入二次系统后，过大的芯皮电位差可能在电缆中产生干扰信号甚至危害到二次系统绝缘，因此有必要对双端接地电缆的安全性能进行分析。

笔者研究了带有双端接地电缆的地网不等电位参数计算模型，通过matlab编制程序对电缆芯线-屏蔽层电位差进行仿真分析，并提出保护电缆及二次设备的措施。由于芯线-屏蔽层结构较为复杂，因此，建模时，将电缆等效为与地网相连接的铜导体后与接地网作为一个整体进行分析，并单独分析电缆内部的电磁原理。

1 接有电缆的地网参数计算模型

接地系统电气参数一般指工频短路电流通过接地网流入土壤时的电气参数，研究地网接地特性首先需要计算经地网流入土壤中的泄漏电流分布[9-12]。为了提高计算精度将接地网中的各支路导体进行剖分。图1为剖分后的连有双端接地电缆的地网支路模型。

图1 接有电缆的地网支路模型Fig.1 Grounding grid branch model with the cable

假设接地网由m个节点与k条支路构成，由泄漏电流与中点电位关系得：

In=Gφk

(1)

式中：In为k维泄漏电流列向量；G为k×k阶节点导纳矩阵；φ为k维导体段中点电位列向量。以地网各导体段交点为节点，以导体段中点电位为电压源，取无穷远为电位参考点，对地网等效电路应用节点电压法列写方程得：

Yφp=Ylφk+Is

(2)

φp=Y-1(Ylφk+Is)=Y-1(YlG-1In+Is)

(3)

假设轴向电流主要分布于导体中心线上，泄漏电流沿导体段中点流出。即存在两个轴向电流，一个从导体段起始点流向中心点，另一个从中心点流向导体段末端点。经变换得到各导体段始末端点轴向电流：

(4)

(5)

式中：A1为节点与各导体段首端的关联矩阵；A2为节点与各导体段末端的关联矩阵。因此可通过流过导体始末端的轴向电流求得泄漏电流：

(6)

整理后得如下方程：

[2YlG-1-Yl(A1+A2)Y-1YlG-1-1]In=

Yl(A1+A2)Y-1Is

(7)

式中：I为单位阵。解式(7)即可得到各导体段泄漏电流分布，进而求得连有二次电缆的地网接地参数。

2 电缆芯线-屏蔽层电位差计算

外电场的作用，在电缆外皮导体中产生感应电流。由于趋肤效应，感应电流由外向内密度逐渐减小，当导体较薄或导体材料透入深度较大时，在电缆芯线内表面产生一定的电流密度，即电缆外皮电流在电缆内部芯线上产生干扰。屏蔽层电流在屏蔽层内部产生轴向电场分布，内表面的轴向电场分布在电缆芯线与屏蔽层之间产生电位差。图2为电缆内部等值电路模型，其中Zp为电缆外皮回路阻抗；Yp为外皮对地容抗；Yc为芯线与外皮之间容抗；Zc电缆芯线自阻抗；ZT为转移阻抗；YT为传递导纳。

图2 电缆内部等值电路模型Fig.2 Equivalent circuit model inside the cable

电缆屏蔽层电流通过内部芯线和导电性的大地构成两个回路，内部和外部回路差分方程整理后用矩阵表示为

(8)

(9)

矩阵中V、I分别为内部芯线与屏蔽层回路的电压与电流，V0、I0分别为屏蔽层与大地回路之间的电压与电流。为满足线路方程求解要求，以大地为参考点表示回路电压、电流，整理得如下矩阵方程：

(10)

(11)

式中：Vc为电缆芯线对地电压；Vp为屏蔽层对地电压；Ic为流过芯线的电流；Ip为屏蔽层电流。依据上述方法，运用matlab编写程序计算带有电缆的地网接地参数，求出泄漏电流分布及电缆接地点两端电压后，通过电缆等值电路模型，计算变量初值并调用ode函数解上述矩阵方程即可求得电缆芯线-屏蔽层电位差。

3 算例分析

以图3所示某变电站接地系统为例进行分析。电缆型号为KVVP-22，总长度100 m，地网参数如下：土壤电阻率100 Ω·m，网格间距10 m，地网埋深为1 m，接地材料采用60×6 mm扁钢(电阻率为1.7×10-8Ω·m，相对导磁率为600)。电缆布置于地网中间(位置A)，护套厚度1.5 mm，10 kA故障电流沿B点注入。如表1所示本文计算了几组不同情况下电缆芯线-屏蔽层电位差数值，通过与文献[13]计算结果对比，验证了本文编制程序的准确性。

图3 地网布置图Fig.3 Arrangement diagram of grounding grid

表1 本文计算结果与文献[15]计算结果对比Table 1 The calculated results of this paper compared with literature[15]

4 芯线-屏蔽层电位差影响参数

4.1 土壤电阻率

采用上述接地系统模型分析电缆芯线-屏蔽层电位差的影响参数，地网边长100 m，其他参数不变，10 kA故障电流分别沿B、C、D点注入。由图4可以看出当电流注入点相同时，随着土壤电阻率增加，芯线-屏蔽层电位差变化不明显，这是由于当土壤电阻率升高时地网接近等电位，导体中的电流分布均匀，因此芯线-屏蔽层电位差受影响较小。

图4 土壤电阻率对芯线-屏蔽层电位差的影响Fig.4 The influence of soil resistivity on the potential difference between the core and sheath

4.2 电缆长度

当地网参数不变，改变电缆长度时，芯线-屏蔽层电位差的变化规律曲线见图5。可以看出当短路电流沿同一点注入时，随着电缆长度增加，芯皮电位差逐渐增大。

图5 电缆长度对芯线-屏蔽层电位差的影响Fig.5 The influence of the cable length on potential difference between the core and sheath

4.3 地电位升

为了获取最大的芯线-屏蔽层电位差数值，令电缆长度与地网边长相等，并沿电缆端部即B点注入10 kA短路电流。计算结果见图6，可以看出随土壤电阻率增加芯线-屏蔽层电位差与地电位升的比值呈指数规律减小。

图6 土壤电阻率对芯皮电位差占地电位升之比的影响Fig.6 The influence of soil resistivity on the ratio of the potential difference between the core and sheath to ground potential rise

5 降低芯线-屏蔽层电位差的措施

在电缆沟中与电缆并联铺设一根两端接地的铜带以保护电缆绝缘。当故障电流沿B点注入时。敷设铜接地带前后芯线-屏蔽层电位差的变化曲线见图7。可以看出铺设铜接地带后芯线-屏蔽层电位差显著降低，且铜带半径越大，降低效果越明显。

图7 敷设铜带前后芯线-屏蔽层电位差变化规律Fig.7 The variation of the potential difference between the core and sheath before and after laying copper wire

从二次系统绝缘耐受电压角度考虑，接地系统的允许地电位升只有2 kV。计算结果表明，当二次电缆采用两端接地方式时，芯线-屏蔽层电位差一般不足地电位升的20%。即使在较为严格的情况下，并联敷设铜接地带后芯线-屏蔽层电位差也低于地电位升的40%。因此当发、变电站接地电阻不满足R≤2000/IG时，二次电缆采用两端接地方式并铺设铜接地带后，可将地电位升放宽至5 kV，而电缆芯线与屏蔽层之间承受的电位差只有2 kV，从而满足二次系统安全运行要求。

6 工程应用

以吉林省某220 kV变电站为实例，应用本文计算方法进行分析。变电站接地网面积为185 m×128 m，最大短路故障电流12 kA，地网埋深为1 m，电缆总长为184 m。经计算该变电站接地网最大地电位升高为8 400 V，接地电阻0.7 Ω，严重超出国家标准。当短路电流沿电缆一端注入即电缆芯线-屏蔽层电位差最严重时，求得未敷设铜接地带时电缆芯线-屏蔽层电位差为2390 V，敷设半径为6 mm的铜带后其值降为401.9 V，满足国标要求。可见加设铜接地带后，即使地电位升达到8000 V仍可确保二次系统安全。