35kV电缆-架空线金属护层电流初始行波特性研究

马庆玉，黄荣辉，刘顺桂，李 勋，陈 平

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院 山东 淄博 255049；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000 )

35kV电缆-架空线金属护层电流初始行波特性研究

马庆玉1，黄荣辉2，刘顺桂2，李 勋2，陈 平1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院 山东 淄博 255049；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000 )

针对变电站35kV电缆-架空线出线不同位置发生单相接地故障时，对不同线路金属护层电流初始行波特性进行研究.利用PSCAD、MATLAB仿真软件进行仿真分析，结果表明小电流接地系统单相接地故障发生在电缆位置或者架空线位置时，无论是单芯电缆还是三芯电缆它们的金属护层电流初始行波极性会有明显的区别，对小电流接地系统单相接地故障选线有一定的参考价值.

电缆-架空线；单相接地；金属护层；初始行波极性

随着城市化进程加剧，城市配电网络越来越密集.电缆以其独特优越性取代架空线成为城市配电网的主要线路[1-2].但是电力电缆受材料本身、电缆制造、敷设过程中存在缺陷，受运行中的电、热、化学和环境的影响，电缆主绝缘会发生击穿，造成电缆导体(线芯)与该相电缆铜屏蔽层之间的短路故障[3-4].电缆发生故障后，金属护层中的接地感应环流显著增大，使电缆发热损耗量增加，从而使电缆的载流量以及电缆的寿命的大大缩减.因此，针对故障发生时金属护层电流的特征分析，对电力电缆的监测与管理、对城市的生产生活有很大意义[5-6].

文献[7]针对10kV电缆线路进行了故障仿真，但并没有针对主绝缘故障时金属护层电流进行仿真研究.文献[8]通过监视金属护层电流的变化来预防高压电力电缆的潜在故障(如护层接头松动、绝缘老化缺陷等)，并没有针对绝缘故障后的金属护层电流行波特性进行深入研究.

本文对35kV配电出线分别搭建单芯电缆—架空线混合线路模型以及三芯电缆——架空线混合线路模型进行仿真研究.同时对比分析不同故障位置时，各出线的金属护层初始暂态电流的幅值、极性特征；为研究电缆绝缘故障提供一定的借鉴、为实现电缆状态检修奠定技术基础.

1 电缆及架空线的参数选择

本文采用1×400mm2的35kV单芯交联聚乙烯电缆，其结构尺寸见表1.

表1 35kV 单芯XLPE 电力电缆结构尺寸

根据表1的数据，按照电缆的结构尺寸，在PSCAD中设置电缆依频特性参数，如图1所示.

图1中Conductor表示导体层，Insulator1表示绝缘层，Sheath表示金属屏蔽层，Insulator2表示绝缘屏蔽层，Armour表示铠装层，Insulator3表示外护层.电缆埋深为0.5m，每相电缆之间的间距为0.2m.

本文采用3×400mm2的35kV三芯交联聚乙烯电缆，其结构尺寸见表2.

表2 35kV 三芯XLPE 电力电缆结构尺寸

根据表2中的数据按照电缆的结构尺寸，在PSCAD中设置电缆依频特性参数，如图2所示.

图1 35kV单芯电缆依频特性参数分布图

图2 35kV三芯电缆依频特性参数分布图

图2中Inner coax cable表示导体，Pipe inner insulator表示管道内绝缘，Pipe表示管道，Pipe outer insulator表示管道外绝缘，distA表示导线A距离中心距离，angB表示导线B相对位置的角度，电缆埋深为1m.

本文采用LGJ-240的拔梢单杆，接地线型号为GJ-30[9-10]，其结构尺寸见表3.

根据表3的架空线的结构尺寸，在PSCAD中设置相关参数，如图3所示.

表3 架空线的结构尺寸

图3 35kV架空输电线路结构图

图3中G1、G2分别表示架空地线，C1、C2、C3分别表示架空输电线路A、B、C三相导线.

2 单芯电缆故障仿真模型的建立

本文选用PSACD作为仿真软件，并利用MATLAB作为数据处理的工具，PSCAD功能强大，仿真环境中配有自己的模型库，易于学习与应用，而且能与MATLAB接口，在PSCAD中的仿真数据可以导入MATLAB进行波形处理.

本文所要搭建的单芯电缆-架空线仿真模型如图4所示.

图4 单芯电缆仿真模型

仿真模型为典型的小电流接地系统.线路L1为电缆0.5km，架空线10km；线路L2电缆0.5km，架空线8km；线路L3为电缆0.5km，架空线15km.故障f1设置在出线1的电缆0.35km处的A相；故障f2设置在出线1的架空线6km处的A相.故障发生时刻为0.04s，持续时间0.02s，采样频率为1MHz.由于单芯电缆长度在0.5km左右，故采用金属护层一端直接接地另一端经保护器接地的方式接地[11].

2.1 故障发生在电缆位置的仿真分析

当设置故障在电缆出线1位置电缆A相时，用MATLAB截取故障线路和非故障线路的金属护层电流波形如图5、图6、图7.

图5 线路1电缆金属护层暂态电流行波

图6 线路2电缆金属护层暂态电流行波

图7 线路3电缆金属护层暂态电流行波

由图5、图6、图7仿真结果对比分析可知：

(1)故障线路故障A相金属护层电流的初始行波极性与本线路非故障相金属护层电流的初始行波极性相同，且故障A相金属护层中的暂态电流幅值较大.

(2)故障线路故障A相金属护层电流的初始行波极性与非故障线路各相金属护层电流的初始行波极性相反，且故障线路A相金属护层中的暂态电流幅值较大.

(3)故障线路各相金属护层电流的初始行波极性均相同.

2.2 故障发生在架空线处的仿真分析

当设置故障在出线1架空线位置A相时，用MATLAB截取故障线路和非故障线路的金属护层电流波形如图8、图9、图10所示.

图8 线路1电缆金属护层暂态电流行波

图9 线路2电缆金属护层暂态电流行波

图10 线路3电缆金属护层暂态电流行波

由图8、图9、图10仿真结果对比分析可知：

(1)故障线路故障A相金属护层电流的初始行波极性与本线路非故障相金属护层电流的初始行波极性相反，且故障A相金属护层中的初始暂态电流幅值较大.

(2)故障线路故障A相金属护层电流的初始行波极性与非故障线路A相金属护层电流的初始行波极性相反，且故障A相金属护层中的初始暂态电流幅值较大.

(3)故障线路的B，C相金属护层电流的初始行波极性与非故障线路的B，C相金属护层电流的初始行波极性相反.

(4)非故障线路的A相金属护层电流的初始行波极性与本线路的B，C相金属护层电流的初始行波极性相反，且A相金属护层中的初始暂态电流幅值较大.

3 三芯电缆故障仿真模型的建立

搭建的三芯电缆-架空线混合模型如图11所示.

图11 三芯电缆仿真模型

图11中，线路L1为电缆0.5km，架空线10km；线路L2电缆0.5km，架空线8km；线路L3为电缆0.5km，架空线15km.故障f1设置在出线1的电缆0.35km处的A相；故障f2设置在出线1的架空线6km处的A相.故障发生时刻为0.04s，持续时间0.02s，采样频率为1MHz.三芯电缆金属护层采用双端接地的方式经接地线接地[11].

3.1 故障发生在电缆处的仿真分析

当设置故障发生在出线1电缆位置A相时，用MATLAB截取故障线路和非故障线路的金属护层电流波形如图12所示.

图12 电缆处故障各接地线电流行波

对比分析图12各接地线仿真波形可知：

(1)故障线路金属护层电流的初始行波极性与非故障线路的金属护层电流的初始行波极性相反，且故障线路金属护层接地线初始暂态电流幅值最大.

(2)非故障线路的金属护层电流的初始行波极性相同，幅值相等.

3.2 故障发生在架空线处的仿真分析

当故障发生在出线1架空线位置A相时，用MATLAB截取故障线路和非故障线路的金属护层电流波形如图13所示.

图13 架空线处故障各接地线电流行波

对比分析图13各接地线仿真波形可知：

(1)故障线路金属护层电流的初始行波极性与非故障线路的金属护层电流的初始行波极性相反，且故障线路金属护层接地线初始暂态电流幅值最大.

(2)非故障线路的金属护层电流的初始行波极性相同，幅值相等.

4 结束语

针对35kV电缆-架空线出线结构参数，利用PSACD搭建仿真模型对单芯电缆以及三芯出线单相接地故障发生在电缆处以及架空线处进行电磁暂

态仿真.结果表明：

(1)对于单芯电缆-架空线发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路的金属护层电流初始行波极性相反；进一步研究金属护层电流初始行波极性，可以对单芯电缆-架空线混合线路进行故障选线继续研究.

(2)对于三芯电缆-架空线发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路的金属护层接地线电流初始行波极性相反；进一步研究金属护层接地线电流初始行波极性，可以对三芯电缆-架空线混合线路进行故障选线继续研究.

该研究为不同电压等级电力电缆金属护层的研究提供了参考.

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(编辑：刘宝江)

35 kV cable-overhead lines metal sheath line current initial porter research

MA Qing-yu1,HUANG Rong-hui2,LIU Shun-gui2,LI Xun2,CHEN Ping1

(1.Schoolof Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2.Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518000, China )

When single-phase grounding faults occur in different positions of 35kV substation cables and overhead lines, the current initial porter of metal protective layer for different lines is studied. And PSCAD and MATLAB simulation softwares are used for simulation analysis. Simulation results show that when a large number of small current grounding system of single-phase grounding fault occurs in the cable or overhead lines location, whether it is a single-core cable metal sheath or three-core cable, their initial traveling wave current polarities will significantly changed. This will provides certain reference value for single-phase grounding fault line selection if small current grounding system.

cable - overhead lines; single-phase grounding; metal sheath; the initial wave polarity

2016-06-16

中国南方电网公司科技项目(090000KK52140041)

马庆玉，男，18766968513@163.com

1672-6197(2017)03-0025-05

TM

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