基于接地电流高压电缆系统交叉互联故障分析

陈朝晖

摘 要：随着科学技术的发展，科技改变了人们生活的方方面面，也为整个电力系统带来了翻天覆地的变化，尤其是在高压电缆的应用中取得了飞速的发展。高压电缆（110kV-220kV）金属护套交叉互联接地系统有很好的供电可靠性，对环境的适应力较好，以及拥有较好的美观性，在供电系统中得到大量的应用。为了保护高压电缆（110kV-220kV）金属护套交叉互联接地系统的绝缘安全，通常将金属护套进行交叉互联。所以，护套换相的成功进行，意义十分重大，有助于帮助整个系统能够安全的运行。

关键词：接地电流；高压电缆；交叉互联

中图分类号：TM75 文献标识码：A

在电缆交叉互联箱内将高压电缆金属护套进行交叉互联，是降低高压电缆金属护套感应电压的常用手段。但是因为在实际情况中，因为电缆铺设的环境较为复杂，交叉互联箱会受到外界因素的影响发生受潮、进水和外力破坏等多种情况，都会对高压电缆的金属护套造成破坏，出现交叉互联故障，从而给系统运行埋下安全隐患。本文主要对110kV及以上 XLPE高压电缆的交叉互联故障进行系统的研究和分析，利用ATP-EMTP电磁暂态软件，来进行建模操作和仿真操作，并且对在不同故障下接地电流的变化特点进行了详细的分析，为之后的高压电缆进行故障检测工作提供一定的依据。

一、单芯电缆的特点

电缆线芯与金属护套两者的关系就犹如是一个空心变压器。这其中，电缆线芯所代表的角色就是变压器的一次侧绕组，那么二次侧绕组就是金属护套。当我们在线芯中通入交变电流的时候，线芯的周围就会相应的产生一个交变磁场，如果此时金属护套正好处在磁场当中，那么就肯定会产生感应电压，产生的感应电压在形成回路的时候就会产生一定的感应电流，并且感应电流会流过金属护套。

在高压输电电缆中，一般情况下，110kV及以上电压等级采用的基本都是单芯结构。在低压电缆中，对于35kV及以下的电压等级，一般来说线缆都是采用三芯结构，并且这三根线芯还呈现出对称排列的结构。在低压电缆中，如果线芯中流过三相交流电时，并且是平衡的，那么在线芯周围所产生的交变磁场基本上是没有的，并且此时，护套上也不会产生三相感应电压，而且护套上的感应电流非常的微弱。

在XLPE高压电缆中，一般采用的都是单芯结构，它的线芯只有在流过单相交流电流，并且电流较大时，才会在线芯的周围产生交变磁场。一般感应电压的大少受到电缆的长度的影响，两者是成正比关系的，电缆越长，电压越大，反之，电缆越短，电压越小。但是感应电压太大的话就会击穿高压电缆的外绝缘。所以在输电线路过长的时候，就要采取相应的保护措施保护线缆的外绝缘层。

二、产生接地电流的原理

根据以上所提到的，如果选用的高压线路比较长，那么就可以采用金属护套来进行交叉互联，这样就可以把整个的电缆线路通过人为的方法分成许多个大段，每一个大段又被分为3个平等的小段，在每个小段的连接处装设接地保护器，再将每一个大段进行并联，然后再接地。这样就会使三相电缆对称排列。理想状态下，每个小段的金属护套所产生的感应电流是相同的，这样一来，大大降低了在大段金属护套上产生的感应电流。在一些需要转弯的特殊地段，因为三相电缆无法呈三角形排列，及时对护套进行交叉换位。因为在此过程中产生接地电流比较小，可以忽略不计，并不会对护套造成危害，所以也不会影响到整个高压电缆的运行。

三、故障分析

1.两交叉互联箱接线方式不同

在每个大段电缆中都会有3个小电缆，在这3小段之间，当金属护交叉换位的时候，因为不同的交叉互联箱的换位方式是不一样的，这就使得，在被换位的3个小段的金属护套中，至少有两端会产生的感应电流是一样的方向，甚至还有可能出现三段感应电流的方向都是一样的，这时，每一个小段的电流无法相互中和，就会导致换位失败，从而产生较大的接地电流，在电缆金属护套中将产生电能损耗，从而影响电缆线路输送容量。

2.电缆接头的绝缘隔板被击穿

因为内外界因素的影响，电缆接头的绝缘隔板会被击穿，从而使得护套两端的一小断直接连接在一起，导致本来应该是三段进行交叉互联，变成了两端的交叉互联，使的无法进行换位作用，所以产生了较多的接地电流。

3.护层保护被击穿

单芯电缆护层电压限制器是一种金属氧化物避雷器，它可以防止电芯电缆的外部护层在冲击时被电压损坏。保护器通常情况下是绝缘的，但是如果电缆遭到强雷击时，保护套就有可能被击穿，一旦保护套损坏，交叉互联的三段就会失去一段感应电流，导致交互联失败。

4.交叉互联箱进水

交叉互联想通常是暴露在外的，受到外界因素的影响可能性很大，如果在下雨天，导致交叉互联箱被水淹或者进水的情况，那么电缆的金属护套会通过水流，使的两端完全接地，此时产生的接地电流非常大。

5.外界破坏因素

暴露在外的交叉互联箱，不仅会受到自然因素的影响，也会受到一些外界未知力量的破坏，一旦破坏了交叉互联后，就会影响整个系统，造成极大的安全隐患。

四、建立模型并进行仿真分析

本次试验模型选择的是应用比较广泛的单芯电缆，本次试验电缆长度为1200m，将其平均分成3个400m的小段，并且使用Bergeron模型来建立。它在建模时使用的是分布参数方法，并且利用了特征线的方法来计算波在线路的过程；再利用梯形积分，来计算线路中的暂态过程。

实验开始后，分别模拟了在两个交叉互联箱内所有可能发生的故障情况，并且对电流的变化进行观察，搭建了一个交叉互联模型，来模拟电缆正常运行，如图1所示。

对已经建立的模型进行仿真，运行仿真软件，得到以下所示的护套接地电流仿真图，如图2所示。

从系统正常运行时的仿真图可以看出，当系统的交叉互联稳定运行时，感应电流相互中和，没有影响。

当一号交叉互联箱发生单接地时，护套的接地电流在相位上变化不大，只是增大了某些幅值。但是接地箱护套的接地电流变化较大，在幅值和相位上都有很大变化。如图3和图4所示。

由仿真圖可以看到，发生故障时，两相护套的接地电流变化十分明显，相位和正常运行时候的相位相比也有明显的不同。当系统出现交叉互联错误时，和护套出现接地故障是不一样的。但是护套交叉互联发生连线错误时，不能中和每个小段上产生的感应电流，就会被叠加到最终被检测的接地电流上，所以导致护套的电流幅度增高。

同理，对2号交叉互联箱进行各种故障的仿真。2号箱在发生交叉互联箱故障时，和一号箱一样，电流变化发生了一样的趋势，并且也发生了相同的接地电流变化，只是两者在具体的数值上有些许的不同，如图5所示。

从上述仿真实验得出的结果来看，接地电流的实际变化和我们进行的理论分析的结果是相同的，通过分析不同的故障发生时接地电流的特点，发现在发生不同故障时，接地电流也表现出不同的明显特征，见表1。

结语

随着中国城镇化建设的浪潮，高压电缆在城市建设中的应用越来越广泛，为保护XLPE高压电缆绝缘安全，通常采用将金属护套进行交叉互联，因此，护套换相成功对系统的稳定安全运行有积极意义。本文提出了基于高压电缆（110kV-220kV）金属护套交叉互联接地系统交叉互联故障分析，设计了一套故障分析仿真模型，它不需要改动原有的电缆，只要利用高压电流传感器就可以，并且还能使系统正常的运行。通过建立一套仿真模型，不断的进行仿真模拟，观察在发生不同的故障时，接地电流有什么不一样的变化，根据不同的变化来分析故障所属的类型。希望可以为以后的高雅电缆的故障检测提供一种新的方法和依据，也希望可以帮助我国电网更好地建设，促进我国经济更好更快的发展。

参考文献

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[2]张锴.高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析[D].天津大学，2011.endprint