10kV长电缆空载线路合闸过程分析与应对策略

张 健

10kV长电缆空载线路合闸过程分析与应对策略

张 健

（杭州自动化技术研究院有限公司，杭州 310030）

本文采用PSCAD仿真软件，对多种截面的长电缆线路空载合闸过程进行仿真分析，找出电缆线路空载合闸电流与电缆长度的关系，并仿真分析空载合闸电流的衰减过程。根据继电保护整定的基本原理，确定常用电缆线路配置电流速断保护的最大临界长度，给出长电缆线路保护配置的建议。根据10kV断路器、负荷开关等设备开断容性电流的能力，分析不同截面的电缆线路对应的长度，以及现有补偿方案的不足，当线路超过该长度时，需要对断路器或隔离手车等设备提出特殊订货要求。

长电缆线路；空载合闸；电流速断保护；波阻抗

0 引言

由于电力电缆不受雷电、盐雾、暴雨等恶劣气候条件的影响，且可敷设在地下或城市综合管廊内，其与架空线路相比具有可靠性高、占用空间小、对线路周围景观影响小等优势[1]。随着电力电缆制造水平的不断提高，对于具有大量馈线的10kV等级配电网，电力电缆逐渐取代架空线路成为主要的馈电方式。然而，电力电缆单位长度电容值较大，通常为同截面架空线的10倍以上[2]。离变电所较远的山区村庄、度假村及高速铁路等供电线路都普遍较长，达到20km以上，线路的充电功率大，电缆线路的分、合闸暂态过程比架空线更为复杂，其容性无功补偿、中性点接地方式及继电保护整定原则均与架空线路或短电缆线路存在差异，需要进行详细研究。

文献[3]对空载长电缆线路合闸产生的工频过电压、操作过电压进行计算分析，提出电缆线路的电抗器补偿方案。文献[4]对长距离电缆线路的继电保护整定原则、接地方式进行初步分析，但未展开详细研究。文献[5]对微电网在离网、并网等工况下电缆线路的合闸过电压进行比较分析，提出微电网合闸过电压的变化规律。目前国内外专家学者对10kV长电缆线路的研究往往集中于合闸过电压及其与线路型式、长度的关系，以及相应的设备选型策略，但未对长电缆线路的合闸电流及其规律，以及合闸电流对继电保护配置的影响进行分析。

本文采用PSCAD仿真软件，建立在实际工程中应用较广的几种截面的10kV空载长电缆线路暂态过程的仿真模型，对长电缆线路的合闸电流、空载电容电流、末端短路电流等进行计算，提出电力电缆长度的约束条件，以及相应的电缆线路配置选型设计方案，为电缆线路设计及断路器选型、继电保护整定值设置提供参考。

1 长电力电缆线路空载合闸

配电线路的空载合闸是配电网调度管理的基本操作，合闸方式主要有人工合闸和自动重合闸两种。其中人工合闸多为线路检修、故障排查后的送电，电缆线路不存在接地等故障，合闸前电缆相导体已通过接地开关放电，不存在剩余电荷及残压，合闸过程即为电缆线路充电过程。自动重合闸的基本流程为线路发生故障，继电保护装置控制馈线断路器跳闸，经过一段预先设定的延时后，自动装置操作断路器进行合闸，此时线路上具有一定的残余电荷和残余电压，理论上自动重合闸方式产生的合闸电流和合闸过电压要大于手动合闸方式。由于架空线路容易出现雷击闪络、短时异物接地等瞬时性故障，故障仅短时存在，装设自动重合闸装置能够快速恢复供电，提高配电线路的供电可靠性。但电力电缆的故障为绝缘破损、断线等，基本为永久性故障，装设自动重合闸装置增加了一次合闸-跳闸的过程，反而容易将电缆线路事故扩大。因此对纯电缆线路，特别是对长电缆线路，往往不装设自动重合闸装置，故本文仅对手动空载合闸过程展开分析。

长电力电缆线路可等效为多段电感、电阻和电容的串联电路，长电缆线路合闸的等效电路如图1所示[6]。图1中，为线路单位长度电感，为线路单位长度电阻，为线路单位长度电容。

馈线断路器合闸后，10kV母线将对空载电缆线路进行充电，充电过程本质上是电磁行波传播-到达端部后反射-再反射，最终达到根据欧姆定律所计算出的稳态电路的过程。根据行波传递公式，对于空载无损线路（即忽略电缆电阻），合闸后位于10kV母线侧的馈线断路器处电压s和电流s关系为[6]

图1 长电缆线路合闸的等效电路

式中：c为线路波阻抗；为线路长度；为频率。

由式（1）可知，流过断路器的合闸电流主要由电力电缆单位长度参数及线路长度决定。进一步可知线路长度与波阻抗关系为

由式（3）可知，越大，s越趋近于s/c。

本文基于PSCAD对合闸过程进行仿真，仿真系统如图1所示，仿真采用的10kV三芯铜芯电缆基本参数见表1，仿真电源线电压为10kV、频率为50Hz。

表1 10kV三芯铜芯电缆基本参数

本节以某10kV馈电线路为例，基于PSCAD仿真软件，研究电缆参数、线路长度与合闸电流的关系。根据图1所示的等效电路，建立3×95mm2电缆不同长度下的合闸仿真模型，仿真得到合闸电流与线路长度关系如图2所示。

图2 3×95mm2电缆合闸电流与线路长度关系

由图2可以得出，在电缆线路较短时，合闸电流与线路长度正相关，对于3×95mm2电力电缆线路，其长度大于5km后，合闸电流基本达到峰值不再增加。产生这种结果是因为在电缆长度较短时，电荷行波很快到达线路端部并反射回来，短时间内多次反射使合闸电流未来得及上升就被反射波迅速抑制到稳态；当线路较长时，合闸电流到达峰值后才与反射波相遇，随后降低，而合闸电流峰值由电缆波阻抗决定，与线路长度无关，即线路长度大于一定值后合闸电流峰值不再随线路长度增大而增加。线路长度为5km时合闸电流波形如图3所示，由图3可以得出，合闸电流在到达峰值后会迅速衰减，在20ms内达到稳态。

图3 线路长度为5km时合闸电流波形

结合表1和上述分析可以得出，忽略电阻后不同截面10kV三芯电缆合闸电流峰值见表2。

表2 不同截面10kV三芯电缆合闸电流峰值

（续表2）

由表2可知，随电缆截面增大，波阻抗降低，最大合闸电流增加。对大截面的长电缆线路，需要进一步分析合闸电流与线路末端短路电流的变化 规律。

2 长电力电缆线路短路与保护整定

长电力电缆馈电线路末端短路电流小，断路器除了要躲过合闸电流峰值，也要能在末端短路时可靠动作，保护线路全长。

目前，在10kV配电网内，电力线路绝大部分以三段式过电流保护为主，少数线路配置光纤差动保护[7-8]。三段式过电流保护中的瞬时电流速断保护作为线路短路保护第一层屏障，其整定值的选取至关重要，若选取不当则容易发生误动。对于长度较短的馈电线路，需要确保馈电回路电缆长度大于某一最小允许长度，才能使上下级断路器的电流速断保护具备选择性[9-10]。因此大部分10kV断路器在整定时均比较重视电缆长度是否够长，普遍认为电缆越长越有利于继电保护。这种观点在电缆长度小于2km以内时的确是可行的，因为此范围内电缆线路的断路器合闸电流与线路短路电流不在同一数量级内。然而随着电缆长度越长，线路末端的最大短路电流越小，而合闸电流在线路长度达到一定值后相对固定，因此短路电流可能达到甚至小于合闸电流，从而无法选择出满足要求的电流速断保护整定值。

以3×95mm2电力电缆线路为例，最大短路电流kmax为线路末端发生两相短路时的短路电流，其与线路长度的关系如图4所示。

由图4可知，线路最大短路电流随长度增加而减小，与合闸电流趋势相反。若10kV断路器瞬时保护可靠系数取1.5，灵敏度系数取1.2，则电流瞬动整定值st应满足

由式（4）可知，如果1.2s＞kmax/1.5，则无法设置瞬时保护，因此电缆线路存在一个临界长度n，即电缆长度大于n时，电缆线路将不能设置瞬时保护。对于3×95mm2电缆，需要kmax＞1.2×1.5×s＝596A，对应电缆线路长度为40.4km，依照此原则可得到10kV三芯电缆线路瞬态保护临界长度见表3。

图4 3×95mm2电缆最大短路电流与线路长度关系

表3 10kV三芯电缆线路瞬态保护临界长度

由表3可知，电缆截面越大，临界长度越长，随着电缆截面增大，虽然末端短路电流增大，但合闸电流也增大。当线路长度大于表3所对应的临界长度时，配置电流速断保护无法实现线路全长保护，需要配置光纤差动保护。若对线路可靠性要求不高，也可采用短延时保护作为主保护，但不建议这样做，因为短路后容性电流电弧一旦建立就很难熄灭，而短延时保护的时间通常要大于0.2s，远超电弧建弧所需时间，从而会造成事故扩大，要结合电缆线路的供电路径，判断电缆故障是否引起路径周边其他次生灾害，综合各种不利因素决定保护配置方案。

3 长电力电缆线路空载容性电流

由于屏蔽层和金属护套的存在，电力电缆的单位长度电容值通常是同等截面架空钢芯铝绞线的15倍以上。相对线路负载电流，空载容性电流幅值虽然较小，但与开断感性电流和阻性电流不同，容性电流开断产生的恢复电压为直流电压，普通真空灭弧室耐受直流电压的能力较弱，因此规范手册上对10kV真空断路器开断电缆空载线路容性电流的规定值为不超过25A[11]，如果电缆线路过长，需要对断路器进行特殊规定，或采用更好的灭弧室型式。以3×95mm2电力电缆线路为例，线路长度为54km时的空载线路电流波形如图5所示。

图5 54km长3×95mm2电缆空载线路电流波形

由图5可知，3×95mm2电缆线路长度达到54km时，空载电流有效值为25A；利用仿真模型进行计算分析可得不同截面电缆的25A空载容性电流与线路长度对应关系见表4。

表4 不同截面电缆25A空载容性电流与线路长度对应关系

由表4可知，电缆截面越大，空载电流越大，由于空载电流为容性，电缆容性电流超过25A以后电弧很难熄灭，容易引发火灾等事故[12]。值得注意的是，即使在10kV馈电母线上设置中性点、装设消弧线圈或电阻等[13]，也无法减弱馈电断路器的空载容性电流，这是因为该长空载线路的单个回路，在母线上装设补偿装置只能降低流过10kV进线断路器的空载容性电流，无法补偿单个电缆馈电回 路[14-15]。要想降低馈线回路的空载容性电流，需要在本电缆线路上合适的中间接头处并联电抗器，且并联电抗器的电抗值可调，否则将会降低电缆线路的输送容量[16]。但这种补偿方式在大部分长电缆线路中很难实现，因此建议将电缆长度控制在表4所列的长度范围内。若确实有应用，至少要保证本电缆线路上所有断路器、隔离开关、负荷开关等设备能够断开相应的容性电流，而这种设备往往有特殊订货需求，且供货周期较长。

4 结论

本文在电缆基本分布参数基础上，利用PSCAD仿真软件，对10kV长电缆线路空载合闸过程展开分析，得到如下结论：

1）3×95mm2电缆长度小于5km时，线路空载合闸电流与长度基本成正比例关系，长度大于5km以后，合闸电流基本不再增加。

2）合闸电流与电缆波阻抗相关，电缆截面越大，波阻抗越小，合闸电流越大。

3）电缆线路存在电流速断保护的临界长度，当电缆线路长度大于该临界长度后，建议线路配置电流差动保护。

4）电缆长度超过25A空载容性电流对应长度时，需要对断路器提出特殊要求。

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Analysis and countermeasures of closing process of 10kV no-load long cable line

ZHANG Jian

(Hangzhou Automation Technology Research Institute Co., Ltd, Hangzhou 310030)

Using PSCAD simulation software，the paper simulates and analyzes the no-load closing process of long cable lines with various cross-sections, and the relationship between no-load closing current and cable length is put forward. The attenuation process of no-load closing current is simulated and calculated. According to the basic principle of relay protection setting, the maximum critical length of current quick-breaking protection for common cable cross section is determined, and the suggestion for the protection configuration of the long cable line is put forward. According to the breaking capacitive current capacity of 10kV circuit breaker, load switch and other equipment, the corresponding length of different cross-sections of cable lines and the shortcomings of the existing compensation schemes are analyzed, and it is suggested that when the line exceeds this length, special ordering requirements for circuit breaker or isolation handcart and other equipment should be put forward.

long cable line; no-load closing; current quick-breaking protection; wave impedance

国网浙江省电力有限公司科技项目（5211LS1900BU）

2021-11-12

2021-12-07

张 健（1962—），男，浙江杭州人，高级工程师，主要从事输配电网设备设计制造及运行研究工作。