高压单芯电力电缆金属护套环流抑制措施

赵昌鹏,戴 斌,李贵山,庞 丹,徐铁辰

(国网长春供电公司,长春 130021)

随着高压电力电缆在输配电线路中所占比例的快速提高,其运行的安全性、稳定性和可靠性受到广泛关注。目前,高压和超高压电力电缆通常采用单芯结构,这种结构的单芯电力电缆存在的金属护套环流问题已成为研究的重点。高压单芯电力电缆金属护套环流过大会引起电缆护套发热,还会降低电缆载流量[1-2],甚至会对电缆造成损坏并引发事故。本文利用金属护套环流的计算模型,在对金属护套环流进行计算分析的基础上,提出金属护套环流的抑制措施。

1 金属护套环流计算模型[3-4]

单芯电缆金属护套环流由电容电流和感应电流两部分组成。其中电容电流主要与线芯和金属护套之间的电压和电缆结构参数有关,与电缆布置方式无关。本文主要研究交叉互联系统电缆布置方式和段长不平衡度对金属护套环流的影响,忽略环流中的电容电流成分而主要对感应电流分量进行研究。

高压单芯电力电缆通常采用交叉互联方式来抑制金属护套环流,交叉互联系统计算模型如图 1所示。

图1 金属护套交叉互联系统示意图

根据电路知识和电磁学理论可以推导出金属护套环流的计算模型,交叉互联系统金属护套环流计算公式如下：

I1、I2、I3为电缆的负载电流;Is1、 Is2、Is3为电缆金属护套的感应电流;LⅠ、LⅡ、LⅢ为交叉互联系统中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段电缆长度;R=R1+R2+Rd,R1、R2为两端接地电阻,Rd为大地等效电阻。

根据电磁学理论,金属护套回路单位长度自阻抗：

式中：k=2 πf;d为电缆金属护套的电阻率;r1为金属护套内径;r2为金属护套外径,De为大地回路等值深度,rGM为金属护套平均半径。

不同金属护套回路单位长度互阻抗De：

式中：Si j为电缆线芯 i、j之间的距离。

线芯与本相金属护套回路单位长度互阻抗：

线芯与其他相金属护套回路单位长度互阻抗：

以长春某 66 kV联络线为例,电缆型号为YJLW03-50/66 kV-1×500,采用交叉互联接地方式,电缆敷设采用等边三角形敷设方式。在交叉互联系统中3段电缆长度分别为645 m、712 m和558 m。当三相电流为 210 A时,实测三相金属护套环流[5]与编程计算的护套环流有效值见表1。

表1 1～ 3段金属护套环流测试结果

由表1可知,计算值与实测值存在 18%左右误差,分析产生误差的主要原因：理论计算中忽略了电容电流;计算中未予考虑电缆在接头处电缆间距和布置方式发生的微小变化;理论计算中没有考虑同路径敷设的其他运行电缆对本电缆金属护套环流的影响;电流读数的误差,以及电流测量仪器本身存在的误差。综合考虑上述因素,计算值与测量值的这种误差是合理的,并可使用该模型计算环流为实际工程设计提供一定参考。

2 金属护套环流分析

2．1 电缆间距对金属护套环流的影响

电缆常见的三种布置分别为等边三角形布置方式、等边直角三角形布置方式和水平布置方式(见图2),假定 3段电缆长度均为300 m,其中Ⅱ、Ⅲ段电缆间距固定,而 I段电缆间距发生变化(S=0．2～0．5 m),此时环流与负载电流之比的变化曲线如图3所示。由图3可见,初始阶段环流值随电缆间距增加逐渐减小,当 I段电缆间距与Ⅱ、Ⅲ段电缆间距相同时,即当电缆间距为0．3 m时,环流与负载电流之比最小,三种布置方式下分别为0%、0．8%和1．6%。然后随着电缆间距继续增加,环流值不断增大。在交叉互联系统中,为了更好抑制环流,应尽量保证三段电缆间距相同或相近。

图2 Ⅰ段电缆间距变化的交叉互联系统

2．2 电缆长度不平衡度及布置方式对金属护套环流的影响

2．2．1 统一布置方式

图3 环流 /负载电流与S12、S13关系曲线

当三段电缆长度相同时电缆长度不平衡度为0。假设Ⅱ、Ⅲ段电缆长度为400 m固定不变,而Ⅰ段电缆长度发生变化时(见图4),在 3种布置方式下,环流与电缆长度不平衡度的关系曲线如图5所示。从图 5可以看出,等边三角形布置方式下环流值最小,等边直角三角形布置方式下环流值次之,水平布置方式下环流值最大。环流值与负载电流之比分别为0%、0．96%和1．9%。等边三角形布置方式在长度不平衡度为80%时,环流值达到最大,与负载电流之比为 20．9%;等边直角三角形布置方式在长度不平衡度为-50%时,环流值达到最大,与负载电流之比为23．8%;水平布置方式在长度不平衡度为-50%时,环流值达到最大,与负载电流之比为27．8%。上述情况下的环流与负载电流之比均超出规定允许的最大值(10%),因此在设计交叉互联系统时,要严格控制三段电缆长度的不平衡度,以达到环流的最佳抑制效果。

图4 交叉互联系统电缆的三种统一布置方式

图5 环流与电缆长度不平衡度关系曲线

2．2．2 混合布置方式

交叉互联系统混合布置方式如图 6所示,Ⅰ段采用品字形布置方式、Ⅱ段采用直角三角形布置方式、Ⅱ段采用水平布置方式。在这种混合布置方式下,电缆长度不平衡度与环流关系曲线如图 7所示。受混合布置方式的影响,环流值远高于三段采取相同布置方式的情况,且环流最小值与对应的长度不平衡度发生了一定的变化,在长度不平衡度为 10%时,环流值达到最低,此时环流与负载电流之比为22．2%,仍远高于规定允许的最大值10%。当电缆长度不平衡度为-50%时,环流值达到最大,与负载电流之比高达43．1%,严重超出规定的允许值。混合布置方式加重了空间非对称性,使环流值远高于相同布置方式情况,因此在实际工程中应尽量避开混合布置方式。

图6 电缆混合布置的交叉互联系统示意图

3 金属护套环流的抑制措施

基于上述分析可知,在交叉互联系统中,主要由3段电缆间距不同、电缆长度不平衡以及电缆混合布置3种因素引起金属护套环流超标。一般情况下,针对这3种因素采取有效控制措施均能实现对环流的抑制。但是在三相负荷严重不平衡以及交叉互联系统发生故障时,仅靠控制上述 3种因素无法满足安全运行的要求。

图7 混合布置方式下环流与电缆长度不平衡度关系曲线

目前多采取在接地线上串联电阻或电感来抑制金属护套环流,通过这种方式能够明显降低环流,但由于在接地线上引入新的连接点,当电缆异常运行或交叉互联系统发生故障时,大电流通过连接点时可能引发事故。基于以上考虑,本文提出一种基于电磁耦合实现串联阻抗的环流抑制措施(如图 8所示)。将交叉互联系统电力电缆直通接头的接地线绕制成螺线管状作为一次侧,二次侧串入可调节阻抗,通过磁路耦合,取消了接点。该方法结构简单、容易实现,而且阻值调节方便、可靠,有利于电缆的稳定运行。

图8 电磁耦合装置原理示意图

假设该电磁耦合装置不存在漏磁,一次侧与二次侧匝数相同,交叉互联系统中三段电缆长度相同,电缆采用水平布置方式,间距为0．3 m。假设三相负荷不平衡,三相负载电流分别为：IA=140 A(0°)、IB=100 A(-120°)、 IC=80 A(120°)。在该情况下金属护套环流与外接阻抗的关系曲线如图9所示。

图9 外接阻抗与金属护套环流关系曲线

从图 9可以看出,护套环流值随外接阻抗Z0增加逐渐减小,在最初阶段下降幅度较大,随后阶段下降幅度逐渐变小。可见通过电磁耦合方式引入外接阻抗在一定程度上可以有效抑制金属护套环流。

4 结束语

本文通过实例对等边三角形(品字型)、等边直角三角形和水平 3种布置方式的电力电缆金属护套环流的计算模型进行了验证,并对实测结果与计算结果之间产生误差的原因进行了分析,最终的分析结论表明误差是合理的,该计算模型符合工程实际。同时,对交叉互联系统中电缆间距、电缆长度不平衡度以及电缆布置方式对金属护套环流的影响进行了分析,得到了相应的曲线,可为电缆工程设计提供一定参考。本文提出的基于电磁耦合的环流抑制措施,与传统方法相比,稳定性、可靠性更高,接地电阻值调整更加方便快捷。

[1]庞丹,王晓岩,秦凤明．66kV XLPE绝缘电力电缆金属护套接地电流异常原因分析 [J]．吉林电力,2009,37(2)：46-48．

[2]吴艳超．金属护套环流对高压电缆的影响 [D]．吉林：东北电力大学,2011．1-7．

[3]张峥．高压电力电缆绝缘在线检测技术实验研究 [D]．上海：上海交通大学,2012．18-21．

[4]王雅芳．XLPE电力电缆接地系统与感应环流分析[D]．杭州：浙江大学 ,2011．22-23．

[5]庞丹,王晓岩,严威,等．高压电缆金属护套接地引线过热原因分析及处理 [J]．吉林电力 ,2011,3(39)：30-31．