高压交流电缆金属护套接地电流超标原因分析与处理

刘 哲张明灿成洪刚裴雪辰李晓明

(1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司,河北 石家庄 050031;2.国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司,河北 石家庄 050051)

0 引言

随着城镇化的发展,高压交流电缆线路在主城区内建设应用越来越广泛,大量电缆线路的投入运行,电缆金属护套接地电流(简称"环流")超标问题成为电缆运检人员关注的重点。

环流影响因素研究广泛,解析式计算模型已较为成熟。根据环流计算解析式的应用程序也在工程中得到应用[1-3],方便工程人员应用的环流拟合公式也在部分工程中取得较好效果。系统接线错误、保护器接线错误、金属护套接地形式设计错误都能够引发较大的环流[4-7]。串联电阻、电感可以抑制环流,对于环流过大的交叉互联接地形式的电缆线路,可改造为多段单端接地形式,但要注意单相短路工频过电压与外护套绝缘水平的配合[8-9],对于大段长电缆线路,这种降低环流的改造方法,还需要考虑护层保护器通流容量的限制[10-11]。对于环流抑制方法的综合评价与在线监测系统评价标准改进方法鲜有阐述。

1 220 kV单芯电缆环流计算模型

1.1 交叉互联接地的等值电路模型

220 k V 单芯高压电缆金属护套交叉互联接地系统模型示意如图1所示。

利用电路原理,建立等效电路图,对环流数值的各个影响因素进行分析,交叉互联接地等效电路图如图2所示。

图2 交叉互联接地等效电路

ISU、ISV、ISW分别为U、V、W 三相金属护套上的环流值;ISE为接地电流;Rd为大地等效电阻;Rd1、Rd2分别为首末端的等效接地电阻;Zoi(i=1、2、3,下同)为每段的自阻抗;ESUi、ESVi、ESWi分别为U、V、W 三相电缆由本相线芯电流感应的电动势;ETUi、ETVi、ETWi为U、V、W 三相电缆由其他相金属护套中电流和大地回流感应的电动势。

1.2 解析式计算方法

针对图2所示的一个交叉互联单元列写解析式方程如下:

把电缆自阻抗、感应电动势的实部虚部分离,上角标为“′”代表该参数的实部,上角标“″”表示该参数的虚部。

利用上述方程,便可求得各相环流ISU、ISV、ISW的数值。

2 环流影响因素分析

从解析式(1)可以看出,金属护套接地电流为导体电流感应电动势、金属护套电流感应电动势、大地回流感应电动势与护套阻抗、接地电阻、大地等效电阻形成回路产生。此处忽略了电容电流与泄露电流,这两种电流数值线芯和金属护套之间的电压值与电缆结构参数有关,一般情况下,220 k V 电缆线路小于6 A。

为了更准确地计算环流数值,分析新建与改造电缆线路的抑制环流措施,采用ATP-EMTP电磁暂态程序进行仿真计算。

建立比较基准,以分析研究各参数对环流数值的影响,仿真计算电缆采用ZC-YJLW03-Z 127/220 1×2500交联聚乙烯皱纹铝护套高压电力电缆,线芯电流为1 200 A,隧道内敷设(空气中),紧凑品字形敷设,两端接地电阻为0.5Ω,负荷为集中参数电阻,采用交叉互联接地,三小段长度均为700 m。

2.1 线芯电流的影响

根据上述仿真参数,交叉互联三小段等长且为品字形敷设时,负荷电流改变,环流计算结果见表1。

表1 线芯电流对环流的影响

从计算结果可知,环流与线芯电流基本呈线性关系,当环流绝对值突然较大时,不一定是电缆接地系统或电缆本体等发生了故障,可能是负荷电流增加的影响,要参考环流与负荷电流百分比进行分析判断。

2.2 交叉互联分段不均匀的影响

交叉互联三小段不等长时,会感应出不平衡的电动势,通过两端直接接地产生较大环流。采用品字形铺设方式,两小段为700 m,改变第三小段长度,环流计算结果见表2。

表2 分段不均匀对环流的影响

分段越不均匀,环流越大,而且上述计算电缆是以品字形敷设,环流只由段长不均匀产生,实际线路很难做到完全品字形敷设,所以三小段要尽可能相等。

2.3 布置方式的影响

隧道中电缆的主要敷设方式有水平布置、垂直布置、品字形布置、紧凑品字形布置,电缆间距为250 mm,布置方式如图3所示。

图3 隧道中电缆主要布置方式

交叉互联三小段分别以4种布置方式计算环流,计算结果见表3。

表3 布置方式对环流的影响

各布置方式下的环流,紧凑形品字最小,品字排列次之,垂直排列与水平排列近乎相等且值最大。在新建电缆线路中,为了降低环流,结合载流量要求,优先选择紧凑品字形布置方式。

2.4 金属护套串联电阻的影响

由图2可知,在金属护套的接地线连入接地箱前串联一定数值的电阻,可降低环流数值。串联一定数值电阻后的环流计算结果见表4。

表4 金属护套串联电阻对环流的影响

当串联电阻增大时,环流降低效果明显,同时入地电流也相应降低,但变化不大,如图4所示。

图4 不同串联电阻值下的环流

同理,串联电感也可取得抑制环流的效果,且阻抗值与电缆金属护套等效阻抗相近时,抑制环流效果最佳。

2.5 接地电阻的影响

接地电阻改变,环流的计算结果见表5。

表5 接地电阻对环流的影响

接地电阻对环流几乎无影响,由表5的计算结果可知,接地线在接地箱互联后再接入串联电阻对环流影响很小,抑制环流效果不如在各相金属护套串联阻抗。

3 环流超标处理方法

3.1 串联电阻、电感

当串联阻抗增加时,金属护套的工频过电压将增加,考验保护器的工频过电压耐受能力,严重情况会造成电缆外护套绝缘击穿。短路电流分为15 k A 与30 k A 两种情况,根据串联不同的电阻值,计算得到的工频过电压详细数值见表6,响应曲线如图5所示。

表6 串联电阻对工频过电压的影响

图5 串联电阻值下的工频过电压

当短路电流为30 k A,串联电阻为5Ω 时,末端工频过电压为22.6 k V,当施加更大短路电流或串联更大电阻时,外护套存在击穿损坏的可能。本文建议,宜增加保护器维护与更换频率,起到保护器电缆外护套绝缘的目的。

3.2 交叉互联改单端接地方式

交叉互联接地不但可以起到降低感应电压的作用,金属护套也可以起到回流线的作用。部分电缆线路工程,由于后期改造,打破了原交叉互联接地的均匀分段。为了降低环流,把交叉互联改成了单端接地首尾相接的方式,且未加设回流线。

回流线的设置与否在接地方式改造后,工频过电压的计算见表7。

表7 回流线对工频过电压的影响

交叉互联接地改成单端接地未加回流线,会比改造前或加回流线方式的工频过电压数值大幅增加,存在安全隐患。

3.3 金属护套接地电流在线监测系统评价标准改进

根据国网运检标准,环流异常的评价标准,当电缆线路满足下列任一项条件时,为异常;

(1)100 A≤接地电流绝对值≤200 A;

(2)20%≤接地电流与负荷比值≤50%;

(3)3≤单相接地电流最大值/最小值≤5;

当满足下列任一项时,判定为缺陷,应停电检查处理。

(1)接地电流与负荷比值≥50%;

(2)单相接地电流最大值/最小值≥5;

根据上述评价标准,当电缆线路环流大于100 A 时,就会被判定为异常。

环流绝对值增大,可能是负荷电流突然增大与电缆布置不均匀等因素相互叠加的结果,不一定是电缆外护套损坏或接地箱损坏等真正的缺陷。此时,应比对环流负荷电流比值与计算值的差异,当小于5%时,可以认为,仅仅是因为负荷电流增大、排列方式、布置方式等正常原因引起的环流绝对值增加;当大于等于5%时,可判定电缆线路接地系统存在缺陷,运检人员应及时到相应接地位置进行巡检,发现处理问题。

4 工程实例验证

以某220 k V 电缆线路为例,该线路全长8.3 km,电缆型号为ZC-YJLW02-Z 127/220 1×1 000,电缆金属护套接地系统为5个完整的交叉互联单元。监测环流值较大的为第4号与第5号交叉互联单元,其三相电缆分段长度与电缆布置方式见表8。线路部分断面进行了缩小,品字形布置变为垂直布置。

表8 串联电阻对工频过电压的影响

对第4号交叉互联单元的线芯电流、环流进行实测与仿真,现场测量装置见图6,测量与仿真结果数值见表9。

图6 串联电阻值下的工频过电压

表9 计算值与实测值比较

从上表可知,差异在3%以内,仿真环流值与实测值基本一致,环流较大主要是由于两个接头间共采用了72 m 水平敷设,最后一个小段为垂直敷设,相间距离为500 mm。测量环流同时检查电缆本体及接地箱,发现接地箱接线完好,保护器未损坏,电缆外护套绝缘正常。后续,抑制环流措施可采用串联阻抗方式,同时验算工频过电压水平。

5 结论

本文研究了环流的数学模型,建立了相应的电磁暂态仿真模型。基于此仿真模型,分析了环流的影响因素。研究了抑制环流的方法,利用电磁暂态程序重点仿真了串联电阻、电感、接地电阻对环流数值的影响。对几种环流抑制方法进行了分析,讨论了各自的应用范围与评价环流超标的评价标准。

通过工程实例,验证了仿真模型与评价标准的准确性,后续应把计算方法嵌入在线监测系统中,实时评价计算值与测量值的差异,提高电缆系统缺陷预警的精确度。