配网10 kV旁路柔性电缆护层感应电压与电流的分析

2022-08-18马金超何文峰徐小康管子然

电工材料 2022年4期

马金超，何文峰，徐小康，管子然

（1.广东立胜电力技术有限公司，广东佛山 528000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

引言

在电力系统中，配网作为输电网络与用户之间不可或缺的“桥梁”，其服务水平不仅关乎人民的幸福、国家的长治久安，而且是衡量一个地区经济发达程度的标准之一[1]。然而，随着我国城市化进程的加速推进，城市高质量的供电需求与配网停电检修之间的矛盾日益突出。旁路不停电作业以能够最大限度保障供电连续性的优点，有效地解决了这一突出矛盾[2]。但由于旁路电缆绝缘距离小且导体与护层之间存在电磁联系，电缆护层会产生较高的感应电压，一旦外护套被击穿，造成多点接地故障，进而导致护层环流增加[2,4]，不仅对旁路作业人员及设备产生严重威胁，而且会增加额外的电能损耗、缩短旁路设备使用寿命。因此，研究旁路电缆不停电作业所用柔性电缆护层感应电压与环流，不仅对完善旁路不停电作业相关理论有着深刻的理论意义[5]，而且对配网检修作业有着极大的现实意义。

目前，国内外学者对高压电缆护层感应电压开展了诸多的研究工作，而对影响10 kV 旁路电缆护层感应电压与电流的研究明显不足。文献[2]从电气因素、运输因素、敷设因素三个方面研究了110 kV高压电缆最大敷设长度，而未分析影响护层感应分量的因素；文献[3]利用PSCAD 软件仅研究了高压电缆护层接地方式对护层感应电压与电流的影响；文献[4]基于超高压海底电缆模型，分析出一种电缆护套环流计算的新方法，并进行仿真验证，而未对影响旁路电缆护层感应电压与电流的因素进行研究。

综上所述，目前在配网10 kV 旁路电缆护层感应电压与电流的计算、测量等方面开展的研究工作不足。同时，《电力工程电缆设计规范》规定[2]：电缆线路的正常感应电势最大值应满足下列规定：未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，不得大于50 V；除上述情况外，不得大于300 V[6,7]。因此，利用PSCAD/EMTDC 建立旁路电缆系统模型，从电缆布置方式、电缆长度、载流量[8]、接地方式、接地故障等几个方面对旁路不停电作业所用柔性电缆护层感应电压与电流进行了研究，旨在完善旁路不停电作业相关理论，为我国配电网检修作业提供参考。

1 理论分析

旁路电缆导体流入交流电流时，会在电缆周围产生交变磁场[9]，从而在电缆金属护套内产生感应电动势。当电缆护层发生接地时，电缆护层与大地构成一条回路，进而产生感应电流[10]。

1.1 护层感应电压的计算

在旁路电缆中，三根单芯电缆组成A、B、C三相回路，因此，旁路电缆其中一相护层的电感为[5]：

式中：Is为该相电流；L1为该相电缆导体自感；M1、M2分别为旁路电缆其他两相与该相护层间互感；I1、I2分别为流过其他两相导体的电流。

旁路电缆各相护层间单位长度的互感为[5]：

式中：该相与有电磁作用相间的距离为S0；该相电缆中心与有电磁作用相电缆中心间的距离为S。

旁路电缆其中一相护层单位长度的感应电压为[5]：

1.2 护层感应电流的计算

旁路电缆护层感应电流Ij主要包括电容电流Ic和感应环流Ii两种类型[12,14]，大小为两种电流的矢量和[5]。其中，旁路电缆护层一端接地时，感应环流为零。因此，旁路电缆一端接地时，电缆任一相护层感应电流大小为：

式中：ω为系统角频率；l为电缆长度；C0为单位长度电缆电容；U为电缆线芯对地电压。

旁路电缆护层两端接地等效电路如图1 所示。由于电缆护层感应电流Ij介于Ii、Ic两者的代数和与差之间[15]，且电缆护层两端接地方式时通常Ii远大于Ic[16,17]，则Ij≈Ii。

图1 金属护层两端接地等效电路

两端接地时，旁路电缆任一相护层感应电流大小为：

式中：X为电缆金属护层的自感；R1为感应电流回路中除电缆护层以外部分的等值电阻，主要包括接地线电阻、电缆两端接地引线间的导通电阻以及相关接触电阻等；Ej为任一相电缆导体上通过的电流在该相护层上产生的感应电动势；R为电缆金属屏蔽层电阻。

2 计算模型与方法

旁路不停电作业即以不停电或短时停电为目标，对配网线路及设备进行检修与维护的一种作业方式[13]。通过使用柔性电缆、快速插拔式电缆接头、旁路开关等设备，在检修现场快速搭建一条临时性的旁路供电系统，跨接于故障线路或待检修线路两端[6]，接着通过操作旁路开关，将负荷引入该临时旁路供电系统，待旁路供电系统正常工作后，断开故障线路或待检修线路开关[18]，以达到待检修或故障线路在停电情况下实施检修作业，待检修完毕后再重新投入运行，最终实现对客户的不间断供电，具体的基本原理如图2所示。其中，K1、K2为故障线路开关；K3、K4为旁路开关。

图2 旁路系统原理图

2.1 计算模型

以佛山供电公司某10 kV 故障线路为例，利用PSCAD 软件建立了基于Bergeron 模型的10 kV 旁路电缆系统（见图2），并对电缆护层感应电压与电流进行了仿真计算。10 kV 旁路作业系统模型全长500 m、档距50 m。该系统两端采用双电源设置，线电压为11 kV，线路电流为200 A，接地电阻为10 Ω，利用电源两端相位角的变化来模拟负荷电流。同时，10 kV 旁路作业所用柔性电缆主要包括金属导体线芯、内半导电层、绝缘层、外半导电层、屏蔽层、护套等几部分，具体参数如表1所示。

表1 10 kV电缆参数表

2.2 仿真过程与方案

基于PSCAD 软件研究了旁路电缆布置方式、电缆长度与分段长度、载流量、接地方式等因素对旁路电缆护层感应电压与电流的影响。在仿真计算中，依据目前现场作业实际情况，对各因素的设置如下。

（1）旁路电缆布置方式。针对目前旁路作业现状，设置了水平布置、正三角布置、架空垂直布置与倒三角布置4种经典布置方式，如图3所示。

图3 旁路电缆布置方式

（2）旁路电缆长度。设置了旁路电缆长度300 m、400 m、500 m、600 m、700 m五种方案。

（3）旁路电缆分段长度。针对旁路电缆500 m经典长度，设置了均匀长度与不均与长度两种分段类型。其中，不均匀长度设置40/60 m、30/70 m结合两种档距方案。

（4）载流量。设置了4 种典型旁路作业用柔性电缆导体截面积35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2。

（5）接地方式。根据电缆护层经典接地保护方式，设置了旁路电缆一端接地、两端接地、一端接地与金属护层位置中间接地相互配合、金属护层中间位置直接接地与电缆两端金属护层经保护接地相互配合、交叉互联（接地电阻为0.5 Ω）5 种接地方式。同时，上述5种接地方式分别记为方案A、B、C、D、E。

3 仿真过程与分析

旁路电缆护层两端不接地与一端接地感应电压分别记为Ev1、Ev2；旁路电缆护层两端接地与一端接地护层感应电流分别记为Ic1、Ic2。

3.1 布置方式

对图3 中4 种典型旁路电缆布置方式进行了仿真计算，仿真结果如表2 及表3 所示。方案A、B、C、D 分别代表水平布置、正三角布置、垂直布置、倒三角布置。旁路电缆的布置方式对一端接地时电缆护层感应电流基本无影响。当旁路电缆采用方案B时，旁路电缆护层感应分量最大；当旁路电缆采用方案C布置时，不仅电缆护层感应分量最小，而且三相电缆护层感应分量不平衡度接近于0。

表2 不同布置方式下电缆护层感应电压

表3 不同布置方式下电缆护层感应电流

3.2 电缆长度

旁路电缆长度的改变，会引起电缆导体与护层间的耦合参数改变。对5种常用长度的旁路系统进行了仿真研究，结果如图4～图5所示。随着旁路电缆长度的增加，护层感应电流呈线性增加，即电缆长度每增加100 m，电缆护层感应电流亦增加0.5 A左右；而电缆护层感应电压变化不同，即一端接地时，旁路电缆护层感应电压随电缆长度的增加而增加，两端接地时，电缆护层感应电压基本保持不变。

图4 不同长度下电缆护层感应电压

图5 不同长度下电缆护层感应电流

3.3 电缆分段长度

在实际工程，由于现场作业环境的不确定性，旁路系统水平档距亦不固定。对均匀档距与不均匀档距两大类工况进行仿真计算，结果如图6～图7所示。方案A、B、C分别代表30 m/70 m档距组合方案、均匀档距50 m 方案、40 m/60 m 档距组合方案。在旁路系统分段数目一定时，旁路电缆护层各感应分量不仅与旁路电缆是否均匀分段无关，而且与旁路电缆分段长度大小亦无关。

图6 不同档距下电缆护层感应电压

图7 不同档距下电缆护层感应电流

3.4 载流量

电缆导体截面积与电缆载流量密切相关，通过电缆导体截面积的变化来衡量旁路电缆载流量对电缆护层感应分量的影响，仿真结果如图8、9所示。结果表明，旁路电缆导体截面积的变化对一端接地时护层感应电流的影响较大，而对其他感应分量的影响较小，可忽略不计。即一端接地时，旁路电缆导体截面积每增加一倍，电缆护层感应电流增加1 A左右。

图8 不同截面积下电缆护层感应电压

图9 不同截面积下电缆护层感应电流

3.5 接地方式

接地方式会改变旁路电缆护层与导体间耦合的紧密程度，对上述5种接地方式进行了仿真计算，结果如表4 所示。结果表明，方案B 与方案D 可以有效地降低电缆护层感应电压，方案C 可有效降低电缆护层感应电流，而方案E 交叉互联可有效地降低电缆护层感应电压与电流至接近于0。

表4 不同接地方式下电缆护层感应分量

3.6 短路接地故障

正常运行的单芯旁路电缆一旦发生短路故障，会对电缆造成严重的安全隐患。对单相接地短路、两相接地短路、单相短路三种故障进行了仿真分析，仿真结果如表5所示。仿真结果表明，当旁路电缆护层一端接地时发生接地故障，电缆故障相感应电流降低至0 A，非故障相感应电流基本不变、感应电压升高40%左右；当旁路电缆发生相间短路且护层两端接地时，电缆故障相感应电流为非故障相的一半。