10kV电缆终端带电作业仿真及试验研究

王建军，吴季浩，苏梓铭

(1.上海市电力公司，上海市200122；2.中国电力科学研究院，武汉市 430074)

10kV电缆终端带电作业仿真及试验研究

王建军1，吴季浩1，苏梓铭2

(1.上海市电力公司，上海市200122；2.中国电力科学研究院，武汉市 430074)

随着城市配电网规模的不断扩大和城乡一体化进程的加快，10 kV配网电缆线路不断增加，电缆线路不停电检修作业也亟待推广。针对电缆终端带电作业的危险点，对电缆终端作业过程进行电磁暂态仿真，对不同情况下投切空载电缆线路产生的过电压、过电流和电弧能量进行对比分析，提出了电缆终端作业过程中危险点的控制方法和防护措施。

空载电缆；带电作业；电缆终端；电弧电流；过电压

0 引 言

随着城市配电网规模的不断扩大和城乡一体化进程的加快，10 kV配网电缆线路不断增加，据国家电网公司的统计，2011年公司系统城市配网的电缆化率接近40%，经济发达地区的电缆化率甚至超过了80%，电缆线路在配网中所占的比重日益增高[1]。电缆线路在运行过程中，电缆头发热、接地异常、外力破坏、环网柜锈蚀等故障经常发生，由于电缆线路在地下运行，使得电缆线路，特别是未形成环网的电缆线路以及电缆支线的检修、抢修工作存在停电时间长、范围大等问题，影响了配网的供电可靠性。

电缆线路的不停电作业，是为了达到用户不停电或少停电的目的，采用带电作业、旁路作业等多种作业方式对电缆线路设备进行检修的作业[2]。在作业过程中带电操作电缆终端可能产生的过电压、过电流既是电缆不停电作业中的危险点，又是相关作业设备技术指标的制定依据[3]。因此，研究电缆终端操作的电磁暂态过程，并根据研究成果对作业危险点采取控制措施，对于保证电缆不停电作业的安全开展具有重要的学术意义和工程应用价值。

本文在建立10 kV电缆不停电作业过程ATP-EMTP模型的基础上[4-5]，对电缆终端作业过程进行了电磁暂态仿真，对不同情况下投切空载电缆线路产生的过电压、过电流进行对比分析，提出了电缆终端作业过程中危险点的控制方法。

1 电缆终端作业过程

1.1 带电断接空载电缆连接引线作业

带电断接空载电缆连接引线的基本原理是，当某条未形成环网的电缆线路(或电缆支线)故障检修或例行维护时，在现场快速开断该条电缆线路与10 kV架空线路连接引线，将需检修电缆线路退出运行，而不影响架空线路上其他用户。待电缆线路故障恢复后，快速闭合电缆线路与10 kV架空线路连接引线，将检修完毕的电缆线路投入运行，而不影响架空线路上其他用户[6-7]。

断电缆引线作业前，10 kV架空线路处于正常运行的带电状态，电缆线路一端与架空线路连接，另一端与其他设备及负荷断开，即电缆线路处于空载状态；接电缆引线作业前，10 kV架空线路处于正常运行的带电状态，电缆线路试验合格，对侧电缆终端连接完好，接地已拆除，并与负荷设备断开。带电断接空载电缆连接引线现场如图1所示。

1—10 kV架空线路；2—消弧开关T接处；3—电缆T接处；4—10 kV带电作业用消弧开关；5—电缆引线；6—10 kV电缆线路；7—10 kV负荷开关(或环网柜)；8—10 kV用户(变压器)

图1带电断接空载电缆连接引线现场

Fig.1Chargeddisconnectingofconnectionleadsfornon-loadcable

1.2 作业过程影响因素

闭合空载电缆线路可以等效于容性负荷的合闸操作，其主要考虑的因素包括：电缆长度、电缆截面积、合闸相角等。作业中需要考虑的主要安全控制因素包括：(1)电缆线路对地电压峰值；(2)流经电缆线路电流峰值；(3)流经电缆线路电流稳态峰值(稳态电容电流峰值)。

开断空载电缆线路可以等效于容性负荷的分闸操作，其主要考虑的因素包括：电缆长度、电缆截面积、开断方式(电弧重燃次数)等。作业中需要考虑的主要安全控制因素包括：(1)电缆线路对地电压峰值；(2)流经电缆线路电流峰值；(3)仿真开关的能量(电弧的能量)[8]。

2 电缆终端作业电磁暂态仿真建模

根据10 kV配网等值参数计算及搭建电缆终端作业电磁暂态模型。

2.1 电源等值参数

以某110 kV火电厂为仿真实例，其主接线简图如图2所示，该火电厂装有3台机组和2台主变，由一回线路与110 kV变电所相连接。

图2 110 kV火电厂主接线简图

从110 kV母线侧看去，火电厂的等值阻抗为0.232 Ω。

2.2 110 kV变电站参数

该变电站是一个110 kV降压变电所，主要接受110 kV的功率，通过主变向10 kV及35 kV线路输送。变电站中有2台25 MVA的主变压器，其具体型号、参数如表1所示。

表1110kV变电站主变参数

Tab.1Maintransformerparametersof110kVsubstation

2.3 架空线路参数

根据调研情况，35 kV线路有4回出线，配网10 kV线路有8回出线。所使用的10 kV架空线以铝芯轻型交联聚乙烯薄绝缘架空电缆JKLYJ-70为主，其长度为6 km。导线呈三角方式布置，水泥杆高度10 m，两边线距地8 m，中线距地8.7 m，两边线相互距离1.8 m，与中线距离1.15 m，档距120 m，土壤电阻率取100 Ω·m。

2.4 末端负荷等值参数

根据负荷功率因素0.85及10，35 kV用户负荷参数，归算获得每回10 kV线路末端所带负荷为P=0.799 6 MW，S=0.940 7 MVA，Q=0.495 5 Mvar；每回35 kV线路末端所带负荷为P=4.613 8 MW，S=5.427 9 MVA，Q=2.86 Mvar；

2.5 电缆参数

入地电缆参数如表2所示。

表210kV电缆参数

Tab.210kVcableparameters

3 电缆终端作业电磁暂态仿真计算

创建仿真模型如图3所示。模型中，入地电缆型号为YJV22-10-3×300，电缆长度分别选取200，500，1 000，3 000 m进行仿真。

图3 电缆终端作业电磁暂态仿真模型

前提条件：开关关合时均选择合闸相角为90°进行合闸(最严重情况)，开关断开时考虑重燃。

3.1 空载电缆长度影响

改变电缆长度，利用刀闸开关直接开断与闭合电缆线路，同时测量电容器电压及电流值等相关数据。仿真结果中，电缆线路的电压、电流幅值如表3所示，波形如图4所示。

根据以上数据分析可知：

(1)电缆线路闭合时，线路的稳态电容电流值随线路的长度增大而增大。

(2)电缆线路闭合时，当线路长度不大时，稳态电容电流亦不大，而合闸瞬间，暂态电流峰值很大，可达到数百A，而且暂态电流峰值与电缆线路的长度没有关系。

(3)从过电压水平来看，在闭合线路时，存在一定的操作过电压，这是由于线路投入前电压为0，而投入后电压陡升至系统运行电压，因而会出现暂态过电压。由表3可知，暂态过电压值最大时达系统相电压峰值的1.88倍。

(4)电缆线路单相闭合时，暂态电流的振荡周期和流过开关的能量值均随电缆长度的增大而增加。

(5)电缆线路开断时，若开断前电流不大，开断过程中没有出现电弧重燃现象，则开断后电缆电流减小为0，电压维持开断前系统的瞬态电压值；开断过程中不会出现过电压和过电流。

(6)电缆线路开断过程中，可能会由于触头间绝缘耐压水平较低而发生重燃，当线路开断时发生重燃，线路上会有很高幅值的暂态电流和暂态电压。

表3电缆长度对终端作业电压、电流的影响

Tab.3Influenceofcablelengthonvoltageandcurrentincableterminalworking

图4 电缆终端作业电磁暂态仿真波形(长度1 000 m，截面积300 mm2)

(7)电缆线路开断过程中，当线路开断时发生重燃时，流过开关的能量值随线路长度的增大而增大；由于重燃时间较短，重燃时产生的能量比闭合电缆时所产生的能量少。

3.2 空载电缆截面积影响

根据分析，不同截面积电缆的阻抗值不同，对地电容值也不相同，空载投切时所产生的过电压、过电流及流过投切开关的能量也可能不同。以240 mm2和300 mm2的电缆为例，仿真分析不同截面积对空载电缆投切的影响，仿真计算结果如表4所示，仿真波形如图4所示。

表4电缆截面积对终端作业电压电流的影响

Tab.4Influenceofcablesectionalareaonvoltageandcurrentincableterminalworking

根据以上数据可知，电缆的截面积越大，则电缆的稳态电容电流越大，这是因为电缆的对地电容随电缆截面积的增大而增大，并且单相闭合时的暂态电流也随电缆截面积的增大而增大。同时，电缆截面积越大，暂态电流振荡周期的增大导致闭合过程中流过开关的能量也越大。

4 空载电缆投切试验

4.1 试验布置

选择10 kV电缆线路为试验线段(出线电缆型号YJV22-10-3×300，长度0.97 km)，进行空载电缆线路的搭接与开断试验。试验前，已将线路末端负荷转移为空载状态，首先对系统的电容电流进行测量，测量得到电容电流的峰值为1.15 A，系统电压峰值为8.16 kV，计算得到线路对地电容为0.40 μF。现场试验接线如图5所示。

图5 电缆终端作业现场试验接线图

4.2 试验内容

在线路空载运行状态下，用钳形表测量各相稳态时电容电流值。针对10 kV电缆线路进行拆接线试验，依次断开线路的A、B、C相和依次搭接A、B、C相，记录作业过程中的电压、电流数据。

根据现场试验要求，按以下步骤执行：

(1)将电缆线路转检修，用电容表测量电缆线路空载下的电缆电容量；

(2)在线路上安装分压器、电流互感器及负荷开关，并安装好相关的设备及地线，并将测量引线接至测量装置；

(3)恢复线路至运行工况，用钳形表及波形记录仪测量线路各相稳态电容电流；

(4)操作人员做好安全措施，站在绝缘斗臂车中，在调度许可下，按次序操作负荷开关，进行带电拆接电缆线路的三相，同时，用波形记录仪测录拆接线路三相电缆时的波形；

(5)操作完毕后，线路转检修，拆接试验设备，恢复原线路。

4.3 试验数据及分析

依次开断A相、B相、C相和闭合A相、B相、C相时的试验数据如表5所示。

表5带电拆接电缆线路试验数据

Tab.5Testdataofcablelinechargeddisconnecting

从过电压角度来看：无论相线是否带电，开断线路某相时，线路各相基本都无过电压产生，暂态过程非常短；而当闭合线路某相时，闭合相会产生一定的过电压，最大过电压倍数为1.76倍，出现在A相带电，B、C相不带电，B相闭合时；闭合某相时，有时会在已带电的相产生过电压，非带电相电压几乎无变化，如当A带电，B、C不带电，B闭合时， A 相的过电压倍数为1.10，C相无过电压；过电压倍数变化范围较大，主要因人工随意性操作造成，与开断与闭合时刻的电源相位角有关。

由试验数据可知，现场电缆带电作业中，由于断路器灭弧性能较好，开断空载电缆线路时，基本无过电压出现；但是在搭接空载线路时，会出现一定的过电压，试验中得到的最大过电压倍数为1.76。在使用的旁路电缆长度约为1 km时，使用旁路负荷开关断开线路不会发生拉弧，且重燃次数少，燃弧时间短，但带电断接电缆线路时，会产生一定的过电压，应注意采取电弧防护措施。

图6 电缆终端作业现场试验波形图

5 讨 论

综合仿真计算与试验数据，进行讨论如下：

(1)在对空载电缆终端进行连接和开断操作时，电缆长度越长，截面积越大，其等效对地电容也越大，进行断接操作时，过电压和过电流的振荡周期越长，流过投切开关的能量越高。

(2)开断电缆终端时，若采用灭弧装置进行操作，可以避免产生电弧重燃，以降低操作产生的分闸过电压。

(3)当电缆线路单芯(相)截面积不大于300 mm2,长度不大于3 km时[11]，作业过程中最大操作过电压不大于2.8 pu，最大暂态电流的能量不超过98 J，断接的最大单相的稳态电容电流最大为5 A。

(4)现场电缆带电作业中，由于采用灭弧装置为发生重燃，开断空载电缆线路时，基本无过电压出现，在搭接空载线路时，会出现小于2.0 pu的过电压和稳态值小于5 A的电容电流，现场试验数据与仿真计算结果相吻合。

6 结 论

根据计算、试验数据及讨论分析，结合带电作业安全防护、配电线路设备及作业工具的实际情况，可得出如下结论：

(1)从对作业人员的安全角度考虑，由于10 kV带电作业考虑的最大操作过电压为45 kV[9]，因此，带电操作空载电缆终端作业过程中，对作业方式、绝缘工器具的要求按照常规10 kV配电线路带电作业考虑即可。

(2)在带电作业过程中，当流过人体的暂态能量超过1.5 mJ时，作业人员就会感觉不舒服[10]。由于10 kV带电作业人员离设备较近，而电缆断接作业暂态能量较大，因此，采用封闭式的消弧开关进行搭接，更有利于作业人员的安全。

(3)考虑到我国目前大多数10 kV电缆截面积在300 mm2以下，T接电缆分支的长度也在3 km以下，此时对消弧开关的要求是分断电容电流能力不小于5 A，目前国内及国外的大部分带电作业用消弧开关能够满足要求。从以上2方面综合考虑，将断接电缆的最大长度限定在3 km以内。

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王建军(1973)，本科，高级技师，主要从事配电线路带电作业技术研究和技能培训工作；

吴季浩(1964)，本科，高级讲师，主要从事配电带电作业技术研究和培训管理工作；

苏梓铭(1986)，硕士，工程师，主要从事输电线路带电作业技术研究工作，E-mail：suziming@epri.sgcc.com.cn。

(编辑：刘文莹)

SimulationandExperimentalReasearchonLiveWorkingTechnologyfor10kVCableTerminal

WANG Jianjun1, WU Jihao1, SU Ziming2

(1. Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200122, China;2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

With the expansion of urban power distribution scale and the rapid development of urban-rural integration process, the cable lines of 10 kV distribution network increase quickly, and the non-interruption check and maintenance on cable lines needs to be promoted urgently. According to the danger points of live working on cable terminals, the electromagnetic transient simulation was carried out for cable terminal working. Then, the overvoltage, over current and arc energy caused in non-load cable switching process under different conditions were comparatively analyzed. Finally, this paper proposes control methods and protective measures for the danger points of cable terminal working.

non-load cable; live working; cable terminal; arc current; overvoltage

国家电网公司科技项目(SG1025)。

TM 84

： A

： 1000-7229(2014)02-0041-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.008

2013- 08- 29

：2013- 10- 21