高压单芯电缆线路入地电流分流系数研究

胡振兴

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

某海外电站升压站电压等级为400 kV，接地设计入地电流为31.5 kA，送出采用截面为630 mm2的电缆，土壤电阻率 500 ～ 2 000Ω·m。经接地仿真计算软件CDEGS软件初步计算结果显示，由于入地电流较大，接触电势难以满足要求。考虑到电站升压站发生接地故障时，将有部分故障电流流经400 kV电缆金属护层，从而使入地电流减小，故宜考虑其分流影响以尽量降低入地电流，从而降低接触电势。

GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[1]的附录B仅提供了架空线出线时的架空地线分流系数计算公式，但电缆金属护层无法采用该公式进行计算。

经查询，国内关于电缆出线入地电流分流系数计算的研究较少，仅文献[2]采用PSCAD软件进行了仿真计算研究，且与该项目仅有高压电缆出线情况有所不同。故对该项目电缆出线的接地故障流系数开展了分析研究，以期降低入地电流。

1 解析计算分析

该项目400 kV出线电缆金属护层接地方式为改进型交叉互联方式，如图1所示；电缆相关参数如表1所示。

图1 电缆金属护层接地示意图

表1 400 kV电缆计算参数

由于电缆金属护层接地分段方式比较简单，可采用文献[3]所述的电路方程解析计算的方式进行入地电流计算。另，广泛查询国内外规范，GB/T 15544.4—2017《三相交流系统短路电流计算 第4部分：同时发生两个独立单相接地故障时的电流以及流过大地的电流》规范[4]为计算电缆金属护层热稳定提供了三芯和单芯电缆出线不平衡短路时入地电流分流系数计算公式，可等效参考计算。单芯电缆对地短路情况如图2、图3所示。

图2 仅从站A馈电，站B对地短路

图3 从站A和B馈电以及电缆在站A、B间对地短路

对于图2，入地电流为r33I(0)，入地电流相对接地短路电流占比系数为r3，r3计算公式如下：

式中：为护套或屏蔽层每单位长度电阻，Ω/m；rS为金属护层等值半径，mm；δ为地中等值电流深度，mm；d为电缆故障相与其他相间距，mm；ω为电源系统的角频率(2πf)，频率f为50Hz时取 314；μ0为真空磁导率，4π×10-7H/m。

对于图3，站内、对侧站入地电流不同，入地电流计算公式如下：

式中：IEδA、IEδB为站内、对侧站地网入地电流，A；I(0)A、I(0)B为站内、对侧站变压器中性点入地电流，A；为金属护层单位长度阻抗，Ω/m；lA、lB为接地点到站内、对侧站距离，m；REF为接地点接地阻抗，Ω；ρ为土壤电阻率Ω·m；其余同式(1)。

对于图3接地故障发生在电缆中间或接头的方式，GB/T 15544.4—2017分析后提出各种情况下入地电流分流系数均小于图2中r3，故分流系数按图2r3计算即可满足工程实用。

代入本项目相关计算参数，分流系数r3计算为3.5%。入地电流从31.5 kA减小为1.1 kA，优化效果极其明显。

2 仿真计算分析

图2、图3中，当地网A或地网B面积大小不同时，地网接地阻抗ZEA、ZEB是不同的，式(1)未体现这种差别；同时，实际土壤模型往往是多层土壤模型，土壤电阻率难以用一个确定的推荐值来表示，这也带来了一定的误差。故采用了仿真软件CDEGS对比研究如下。

接地计算软件CDEGS的分流系数计算模块“SPLITS”未考虑电缆线路。经研究可采用“HIFREQ”模块建模进行间接计算，如图4所示。土壤模型为多层土壤模型，参数如表2所示。

图4 分流系数计算模型

表2 多层土壤模型

设定电缆导体A相中流过31.5 kA短路电流，电缆末端一相导体与金属护层短接至地网，电缆金属护层交叉互联连接方式参照文献[5]建模。仿真结果显示，流经电缆金属护层的电流为31.137 kA，入地电流为0.363 kA，入地电流分流系数r3为1.15%。

入地电流的仿真计算结果与解析计算相比有一定误差，分析有如下原因：①CDEGS软件计算时金属层单位长度电阻是软件根据导体内外径和电阻率自动计算的，与手工计算有差距，而计算结果又对该参数很敏感；②土壤电阻率取值方式不同，解析计算时土壤模型只能按单一土壤电阻率计算；③仿真计算纳入了地网接地电阻大小的影响。但计算结果数量级相差是不大的，实际工程中都是可以接受的。

3 参数敏感性分析

基于表1电缆数据，分析相关参数改变时r3变化敏感性：土壤电阻率从100Ω·m到1 000Ω·m时，r3变化范围为2.7%～3%，说明入地电流r3对土壤电阻率变化不敏感；电缆相 间 距 离 从 100 mm 到 1 000 mm 时，r3变 化范围为2.6%～3.1%，说明入地电流r3对电缆相间距离变化不敏感；金属护层单位长度电阻从0.01Ω/km到0.4Ω/km改变，r3大小范围为0.56%～21.5%，说明入地电流r3对电缆金属护层单位长度电阻很敏感。

架空线出线时入地电流分流系数一般在50%～90%之间。与电缆出线对比可见，电缆金属护层的入地电流分流系数远比架空地线时小。对比文献[1]的架空地线分流系数计算公式的计算参数构成，可知是由于高压电缆金属护层阻抗远小于架空地线，导致高压电缆金属护层分流效应更明显：高压电缆金属护层单位长度电阻一般在0.01Ω/km～0.4Ω/km之间，而出线电缆由于电缆截面大，故一般取值较低；架空地线一般为镀锌钢绞线或OPGW，架空地线为镀锌钢绞线时单位长度电阻一般在1Ω/km～7Ω/km之间，OPGW时在2Ω/km左右。

4 结论

1) 电站升压站采用电缆出线时，电缆金属护层分流效应显著，对降低接地设计用入地电流作用明显，入地电流分流系数可按文献[4]提供的计算公式计算，且电缆金属护层应为两端直接接地交叉互联方式。

2) 电站出线高压电缆一般采用金属护层交叉互联方式。金属护层两端直接接地箱的接地线宜与两端电站接地网连接。需注意高压电缆外护套绝缘水平不大于10 kV级设备绝缘水平，故参考文献[6]35 kV以下设备接地点距离独立避雷针接地装置电气距离应大于15 m的要求，金属护层接地点距离防雷集中接地装置电气距离宜大于15 m以上，以保证电缆护层安全。