110 k V单芯高压电缆护套环流抑制措施

郑光禄，张 涛

（广州大学城华电新能源有限公司，广州511442）

1 抑制措施的背景

1.1 迎新谷能线线路概况

迎新谷能线为110 kV/800 mm2XLPE铝护套电缆，全长6740 m，共分15段。敷设方式为电缆沟、直埋、穿管和顶管混合敷设。护套接地方式采用交叉互联一端直接接地，另一端经过过压保护器接地的方式。于2009年10月10日投入运行后，发现过压保护器爆裂，通过环流检测发现金属护套接地环流偏大。通过检测及其分析后，排除了电缆护套多点接地及相位连接错误的原因。在迎新谷能线负荷电流为300 A时，测得每段护层环流值，大部分环流小于负荷电流的5%，但在6#～9#井交叉互联段内最大环流达128 A，占负荷电流的42%。经初步分析，导致迎新谷能线护套该段环流偏大主要可能原因如下：

1）同一交叉互联大段内电缆分段不均匀,电缆直埋没有组成“品”型。

2）临近回路的感应电压。比如在工井内受110 kV其它线路的影响，其它线路在与迎新谷能线同沟敷设，同样采用电缆沟、直埋、穿管和顶管混合敷设方式，每一回路存在交错可能，回路之间相互影响比较大。

3）白蚁及施工外力、盗挖对护套的损伤。

1.2 抑制措施的必要性

事故分析原因认定为：接地故障电流在电缆护层上产生感应电压，该电压无法通过交叉互联(长度不均)抵消，电压远大于避雷器的导通电压，流经避雷器的大电流持续超过1000 ms，而造成避雷器过热爆裂。为防止事故扩大，必须研究一种有效的高压电缆护层环流抑制方法及保护器放电间隙的调整，对迎新谷能线线路护套接地方式进行改造。

解决方案：将原先电缆3小段交叉互联后两端接地方式改为：在#0工井、#4工井和#8工井交叉互联后一端接地，一端经加装电抗器及保护器接地的方式。改造后线路的环流实测为0～5 A，保护器处感应电压在50 V内，满足现行规程GB50217—2007 规定要求（不得大于 100 V）（1）。

2 主要理论分析及仿真

2.1 护套感应电压和环流

正常运行时，通过高压单芯电缆的芯线通过单相电流，其磁力线匝链金属外皮，当单芯电缆(小于500 m)外护层两端直接接地时，则相当于构成一个1∶1的变压器，会产生很大的感应电流和热量损耗，加速电缆绝缘老化，使正常运行时缆芯载流量降低约40%。故对于高压单芯电缆系统，应视实际情况选择合适的电缆护层接地方式。对中长电缆(500-1000 m)一般采用金属护层一端直接接地，另一端经保护器接地，并沿电缆线路增设一条回流线的接地方式。对中特长(1000 m以上)电缆线路，一般采用电缆护层交叉互联的接线方式。

2.2 ATP线路仿真

2.2.1 护层保护器(氧化锌避雷器)的选取

国内外标准中对其参数选取的一般规定为:①保护器通过最大冲击电流时的残压乘以1.4后，应低于电缆护层绝缘的冲击耐压值；②保护器在最大工频电压作用下能承受5 s而不损坏；③保护器应能通过最大冲击电流累计20次而不损坏。优化设计电力电缆金属护层保护器技术参数。

系统短路时，工频短路电流流过电缆线路芯线，电缆金属护套不接地端会产生较高的工频感应电压。兼顾护层保护器的工频过电压耐受能力和起始动作电压U1mA(U1mA=1.414Urp)，护层保护器额定电压为

式中，Up为短路事故中电缆中出现的工频电压最大值；K为保护器工频电压配合系数。

2.2.2 电缆护层一点接地感应电压计算

设系统为单电源时，接地电流全部以大地为回路返回主变压器中性点（对于多电源时应计及各分支系数，确定流回各台主变压器中性点接地电流。），如图1。此时A、B、C三相护层感应电压。

图1 单相接地故障

式中：D—地中电流穿透深度，单位m，，ρ土壤电阻率，f电源频率。

对于广州地区ρ=50Ω·m，GMRs=67 mm（金属护层等值半径），ID=20 kA，代入上式，可得

由以上计算结果可知，对于短电缆采用一端直接接地，另一端经避雷保护器接地，在电缆发生单相接地故障后，护层最高感应电压约在10.25 kV，不会导致避雷器损坏。然而对于迎新谷能线，因线路较长，每一大段长度均在1 km以上（#0-#3段长约1300 m），在线路采用一端接地另一端采用保护器接地的方式时，在发生系统单相接地后，护层最高感应电压会超过20 kV，使避雷保护器流过超过了自身通流量，其内部热能无法短时间散发，巨大的内压造成封闭的保护器爆裂，并放电击穿。对于这种接线方式，只采用避雷保护器是不够的。

2.2.3 增加电抗器限制护层环流（2）

资料显示，韩国某2回154 kV单芯充油电缆6323 m长线路，含6个交叉互联单元，其中有些交叉互联单元中的3个区段长度差别很大，出现的最大环流接近100 A。研究决定采用电感值为2.65 mH的扼流圈串接于交叉互联的连接回路。按电磁暂态过程借助于MALTAB交流暂态程序，对其电缆线路分布参数模型进行模拟分析，并进行测试，结果表明可减小环流约为85%。

为防止暂态过电压对扼流圈的危害，设计与其并联配置的保护器时，应使线圈伏安特性曲线在护层绝缘保护器伏安特性曲线覆盖范围内。

2.2.4 用ATP对迎新谷能线仿真

对广州大学城能源站迎新谷能线建立电路模型。分析和仿真计算表明，限流电抗器能够有效地限制由于各种原因引起的电缆护套环流异常或增大。随着电抗器欧姆值的增大，限流效果越来越好，然而正常运行情况下，电抗器上的电压降也越来越大。电抗器欧姆值达到1.5Ω时，限流效果就比较理想了。当系统发生单相接地故障时，电抗器两端最高电压为3.6 kV，这为大容量放电间隙设计提供了依据。

3 护层电流抑制电抗器及接地箱的研制[3-5]

3.1 产品研发路线

1）利用ATP软件，模拟仿真迎新谷能线路，计算改造前护层环流和增加扼流电感后护层环流的大小。为扼流电感和大容量放电间隙设计提供理论依据。

2）设计专用接地箱和接地箱固定支架，可同时安装三个扼流电感和三个避雷器，保证机械强度、百叶窗散热、水密封防雨淋。

3）设计确定电抗器电感值。

3.2 产品设计原则

单相短路故障通常由继电保护快速切除之。限流电抗器的接入，其伏安特性既应保证正常运行的有效限流，又应能在短路故障时迅速饱和，呈现出明显变小的低阻抗，从而保证短路电流继电保护的正常动作。

3.3 护层电流抑制电抗器的研制

3.3.1 扼流电抗器电感值的确定

设电缆线路每三段作为一个交叉互联大段，现以迎新谷能线#1工井到#3号工井这一交叉互联段为例进行计算。

三段电缆长度分别为：l1=438 m，l2=431 m，l3=456 m。

负荷电流IF=300 A，

护层环流Is=73 A。

根据城能源站提供该电缆金属护层自抗为

该回路接地电阻值R=3.1Ω，土壤电阻Rg=π2f×10-4×1.140=0.0563 Ω。

未接入电抗器时回路总阻抗ZX=(3.1+0.0563)+j0.3166=3.172Ω。

按照现场实际要求，增加电抗器后，应控制护层环流小于原来电流的20%以下，即为125.8*0.2=25.16A，根据ATP仿真结果，迎新谷能线最高感应电势Es=80V（1140 m），可计算此时增加电抗器后回路总阻抗为Z=80/19.6=3.1792 Ω。

回路总阻抗为Z=ZX+ZL，可计算电抗器电感值L=7.2 mH。

图2 电抗器伏安特性曲线

3.3.2 环流抑制电抗器试验

环流抑制电抗器饱和电压为50 V，能承受20 kA工频短路电流。试验接线图如图3，短路试验波形图如图4。

图3 电抗器工频试验接线图

电抗器接地箱安装（迎新谷能线4号井）安装后的情况：

接地箱改造前后接地电流值

A相：53 A相：0.5 B相：74 B相：1.3 C相：31 C相：0.9 110 kV迎新谷能线(运行电流I0=330 A)改造位置 改造前环流IF(A)改造后环流IF1(A)IF1/I0 GIS站-M1-M2-M3大段 GIS站内直接接地A相：36.6 A相：1 B相：26 B相：0.84 C相：21 C相：0.55 M3-M4-M5-M6大段 M4交叉互联箱户外A相：74 A相：1.4 B相：50 B相：1.1 C相：90 C相：1.3结论 改造后的环流大小符合技术协议规定技术指标（即环流小于运行电流的5%）M6-M7-M8-M9大段 M4交叉互联箱隧道改造后环流有效值IF1(A)IF1/I0 A相：15.1 A相：0.9 B相：23 B相：0.8 C相：3.5 C相：1.1 110 kV棠赤谷能线(运行电流I0=0 A)改造位置 改造前环流有效值IF(A)GIS站-M1-M2-M3大段 GIS站内直接接地A相：13.5 A相：0.5 B相：29 B相：1.3 C相：17.2 C相：0.71 M3-M4-M5-M6大段 M4交叉互联箱户外A相：7 A相：0.4 B相：12 B相：0.3 C相：12 C相：0.9结论 改造后的环流大小符合技术协议规定技术指标要求（即环流小于运行电流的5%）M6-M7-M8-M9大段 M4交叉互联箱隧道

4 结论

1）对大学城能源站送出线电缆线路建立数学模型，武汉大学对其进行了ATP仿真，验证电缆环流偏大的原因。计算结果与实际情况相互吻合。

2）通过ATP对单相接地故障(短路电流20kA)进行仿真，计算电缆每一大段护层感应电压，在理论上验证了前期所分析避雷保护器损坏的原因。

2）通过ATP仿真，计算四回路在不同负荷电流下护层最大感应电压。结果表明，当负荷电流均为320 A时（最严重情况），感应电压最高为102 V，大多数情况下护层感应电压都小于60 V。为电抗器设计提供了理论依据。

3）结合ATP仿真结果以及能源站以往所测试护层感应电压数值，选取电抗器饱和电压为50～60 V（流过电流为10 A时，电感器两端电压在60 V左右。对电抗器进行了通流试验(施加50 Hz十个周波500 A～20 kA电流)，试验表明电抗器动热性能稳定。

4）在迎新谷能线安装专门设计的接地箱。以4#接地箱为例，安装前电源侧环流最大90 A，安装后降为1.3 A。

5）当三相不平衡时，电抗器不能补偿相位。

[1]GB50217-2007.电力工程电缆设计规范,2007.

[2]江日洪.关于广州大学城能源站110 kV电缆线路运行若干问题分析.

[3]罗俊华,周作春,李华春,罗旻.单芯电力电缆金属护层过电压保护器参数设计[J].高电压技术,2008,34(2):355-372.

[4]牛海清,王晓兵,蚁泽沛,张尧.110 kV单芯电缆金属护套环流计算与试验研究[J].高电压技术,2005,(8):15-17.

[5]姜芸等.电力电缆保护接地[J].高电压技术,1998,24(4):36.