10 kV一母多馈电缆线路过电压传递影响因素分析

曹京荥,陈 杰,谭 笑,李陈莹,胡丽斌,方春华,陶玉宁,游海鑫

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,南京 210000;2.三峡大学电气与新能源学院,湖北 宜昌 443000)

0 引言

10 kV电缆线路结构复杂,以一母多馈线为主。由于电缆所处环境的特殊性,接地故障中弧光接地故障占了较大比例[1-7]。在电缆发生弧光接地故障时,会产生幅值较大的过电压,该过电压不仅会造成本线路跳闸,在保护开关未动前也会使相邻馈线发生击穿,造成相邻馈线的跳闸[8-11]。在10 kV电缆一母多馈线配电网中,单相接地故障占了所有故障的70%[12]。在单相接地故障中有很大一部分故障是弧光接地故障[13]。弧光接地故障的根本原因是电荷在系统中振荡[14],其过电压幅值较金属性接地故障更高,危害也更大。

大量科研人员对电力系统过电压进行分析,取得众多成果。文献[15]对比中性点消弧线圈接地系统、不接地及直接接地系统下过电压情况。文献[16]分析了不同接地方式下的选线问题及过电压幅值。文献[17]通过分布补偿消弧线圈的方式对电缆线路进行补偿,结果表明分布式补偿降低电压的幅值更低。文献[18]从全电流补偿的角度分析了弧光接地过电压。文献[19]提出自动调节的补偿装置,根据弧光接地电流的高频分量的特点得到消弧线圈的补偿度,解决了传统的消弧线圈调节困难的问题。文献[20]建立动态电弧模型,分析了性点经小电阻接地系统和中性点不接地系统。文献[21]对小电阻接地方式下绝缘配合、人身安全、可靠性等况进行分析。文献[22]建立控制论电弧模型,分析弧光接地过电压分布情况。文献[23]分析了10 kV电缆线路在不同故障电阻下的弧光接地过电压。

以上研究取得众多成果,但多数研究聚焦于本线路上产生电弧过电压,对电弧过电压传递到相邻馈线的研究较少。为此,本研究建立电缆馈线的电弧模型,建立一母多馈线系统,分析弧光接地过电压在多馈线中的传递过程。

1 仿真模型的建立

10 kV一母多馈线系统中为了强制给系统接入一个中性点,Y-△结构的Z型接地变压器被广泛采用[24]。10 kV一母多馈线系统结构见图1,接地变压的中性点为系统的中性点,Z型变压器中性点经M接地。当M开路时,系统中性点不接地,当M为消弧线圈时,系统中性点经消弧线圈接地,当M为电阻时,系统中性点经电阻接地。10 kV电缆线路中多数情况下采用经电阻接地方式[25-27],且接地电阻值取10 Ω[28-30]。故将接地电阻设置为10 Ω进行仿真分析,根据研究重点改变相应参数。图2为PSCAD中创建的电缆接口与本体,其中S1为电缆护层引出端口。在10 kV一母多馈线系统中多条馈线共用一条母线,由于地理条件、历史原因等因素导致线路的结构会存在差异。笔者将研究不同条件下过电压传递问题。

图1 10 kV一母多馈线系统结构图Fig.1 Structure diagram of 10 kV one-bus multi-feeder system

图2 电缆的创建Fig.2 Cable creation

2 不同馈线条数下过电压传递特性

馈线的条数分别为3、4和5,增加的电缆长度均为6 km。故障均在1号电缆A相上,仿真研究1号电缆和2号电缆上过电压变化关系,1号电缆长6 km,2号长度7 km,中性点接地电阻为10 Ω,护套直接接地。

2.1 3馈线

图3为3馈线过电压传递波形,整体上A相波形呈阶梯型、B、C相波形表现为水平型。在0号接头A相产生高频的振荡波,传递到5号接头时振荡频率和幅度均低于0号接头;B、C相传递过程中幅值变化不明显,仅振荡的频率降低。

图3 3馈线过电压传递波形Fig.3 Waveform of feeder overvoltage transfer

表1为3馈线各中间接头过电压幅值,表1中A相电压随着距离的增加不断降低,其中前5个接头降幅显著,后5个接头变化幅度为0.03 p.u.。B、C相电压值较为稳定,且C相电压幅值大于B相,B相电压稳定1.40 p.u.,C相电压稳定在1.54 p.u.。在距离故障点9 km处A、B、C三相的最大电压均大于额定电压,故障相电压虽然不断衰减,但最低电压为2.13 p.u.,对2号电缆中间接头会产生较大的影响。

表1 3馈线中间接头过电压幅值Table 1 Overvoltage amplitude of No.3 feeder middle connector

2.2 4馈线

图4记录了4馈线系统下10个中间接头电压变化波形,图4(a)可知,A相电压在传递的过程中有明显的衰减,传递到4号中间接头时衰减幅度降低,B、C相在传递的过程中衰减幅度远小于A相,波形传递过程中保持平稳。

图4 馈线过电压传递波形Fig.4 Waveform of feeder overvoltage transfer

表2记录了过电压传递过程中各中间接头电压随距离变化的最大幅值,通过分析过电压的传递关系可知,随着距离的增加,故障相的电压不断减小,非故障相电压保持稳定,非故障相受距离影响较小。当馈线条数增加至4条时2号电缆上A相的稳定电压为1.88 p.u.,B相1.39 p.u.,C相1.57 p.u.。

表2 4馈线中间接头过电压幅值Table 2 Overvoltage amplitude of No.4 feeder middle connector

2.3 5馈线

图5为5馈线系统发生弧光接地时10个中间接头电压变化波形。5馈线系统故障点电压波形同3馈线、4馈线系统故障点波形相似,由故障点产生的过电压经故障电缆传递到非故障电缆上时,高频电压经过不断的衰减,在非故障馈线上形成稳定电压。

图5 5馈线过电压传递波形Fig.5 Overvoltage transfer wareform of No.5 feeder

将各个节点随距离变化的过电压幅值列于表3。A、B、C三相稳态电压值为1.71 p.u.、1.39 p.u.和1.57 p.u.。其中A相过电压幅值依然大于其它两相,B相的幅值最低,非故障电缆中间接头长期处于此状态会造成中间接头故障进一步恶化。

表3 5馈线中间接头过电压幅值Table 3 Overvoltage amplitude of feeder middle connector

通过比较3馈线、4馈线和5馈线系统过电压传递波形可得,当馈线条数增加时故障相最大过电压降低,3馈线非故障线路A相最大电压幅值2.13 p.u.,4馈线为1.88 p.u.,5馈线为1.71 p.u.,B、C相上电压未出现明显波动。在过电压传递过程中,另外一个较为明显变化量是频率,3种情况下电压振荡频率随着传播距离增加而降低,当传递到非故障线路时频率不再变化。

3 不同中性点接地电阻下过电压传递特性

仿真将研究5 Ω、20 Ω、100 Ω、500 Ω和1 000 Ω接地电阻下过电压从故障点传递到非故障馈线变化规律。图6为中性点经电阻接地系统图,其中Rn为中性点接地电阻,其中1号电缆长6 km,2号电缆7 km,护套直接接地。

图6中性点经电阻接地系统图Fig.6 Diagram of a resistant-grounded neutral system

3.1 接地电阻5 Ω

图7为Rn=5 Ω过电压传递波形,为便于分析分别取故障馈线和非故障馈线首端、中间和末端电压。图中可观测到故障发生时故障点过电压幅值最大,且故障相过电压要远大于非故障相的过电压。从起始点到9号接头A相过电压幅值显著降低,波形的振荡频率逐渐降低。

图7 Rn=5 Ω过电压传递波形Fig.7 Rn=5 Ω overvoltage transfer waveform

表4记录了不同空间位置中间接头A、B、C三相最大过电压倍数。整体上A相过电压波形在B、C两相之上,A相过电压大于其它两相。故障相A相过电压从故障点到距其3 km处电压急剧下降,从5.17 p.u.降至3.28 p.u.。当从3 km处开始过电压变化趋势趋于稳定;B、C相过电压变化趋势相同,从故障处开始在较短的范围内过电幅值呈上升趋势,在距故障点2 km处达到峰值,此后过电压幅值逐渐降低,当传递到非故障电缆时过电压变化稳定。

表4 Rn=5时中间接头过电压幅值Table 4 Amplitude of overvoltage of intermediate connector when Rn =5

3.2 接地电阻20 Ω

图8为Rn=20 Ω过电压传递波形,对比Rn=10 Ω过电压传递波形可知,中性点接地电阻增加时,故障点过电压振荡频率降低,波形在传递过程中不断衰减。故障处最大值在A相,C相幅值次之,最小幅值在B相上。当过电压传递到4号中间接头上时,A相和C相最大过电压幅值近似,4号接头之后电压各个节点的电压均未发生较大变化。

图8 Rn=20 Ω过电压传递波形Fig.8 Rn =20 Ω overvoltage transfer waveform

表5用具体的数据记录了从故障的发生到传递过程中电压变化。0 km处A相过电压幅值2.52 p.u.,对比Rn=5 Ω或10 Ω,最大过电压幅值明显降低。在传播的过程中过电压幅值在故障点附近衰减幅度最大,超过一定范围后过电压幅值保持不变;B相和C相过电压整体保持稳定,对比Rn=5 Ω和10 Ω,C相的幅值与A相幅值差值减小。在非故障馈线上A相过电压幅值大于Ep,B、C相中间接头电压均低于Ep,从0号接头传递过来的电压可能击穿2号电缆中间接头。

表5 Rn =20 Ω中间接头过电压幅值Table 5 Rn =20 Ω overvoltage amplitude of intermediate connector

3.3 接地电阻100 Ω

图9为Rn=100 Ω过电压传递波形,当Rn=100 Ω时故障点最大过电压在C相,而A相并未出现明显的过电压,且故障点的振荡幅度较小。当过电压朝着非故障电缆传播时,各相电压幅值未出现明显的变化,传播过程中波形平滑。

图9 Rn=100 Ω过电压传递波形Fig.9 Rn =100 Ω overvoltage transfer waveform

从表6中的数据可知,当接地电阻的值增大到100 Ω时,从故障点到非故障电缆的各个节点上A、B、C三相电压变化稳定,且C相的电压最大幅值在2.0 p.u.附近,B相幅值在1.74 p.u.附近,A相电压最小在1.0 p.u.附近。同前面3组中性点接地电阻进行对比可知,当接地电阻增加到100 Ω时最大过电压相在非故障相,且故障相未出现过电压。随着中心点接地电阻的增大C相的过电压幅值也随之增大,非故障电缆非故障相上承受的过电压幅值变大。

表6 Rn =100 Ω中间接头过电压幅值Table 6 Rn =100 Ω overvoltage amplitude of intermediate connector

3.4 接地电阻500 Ω

中性点Rn=500 Ω的不同接头过电压波形图见图10。故障发生时故障相A相过电压从1.0 p.u.处降低至0 V。在燃弧的10 ms期间A相电压幅值稳定在0 V,10 ms后电弧熄灭,A相的波形朝着负半周期变化。但A相波形并未达到-1.0 p.u.处便开始向正半周期运动,其负半周期幅值远低于正常幅值;B、C相电压波形在电弧接地瞬间达到最低值,其幅值高于正常运行幅值。当过电压向前传播时波形未发生衰减。由传递曲线可得,过电压产生在B、C相,对比Rn=200 Ω,Rn=500 Ω时B相的过电压升至1.79 p.u.,C相的过电压增大到2.26 p.u.,A相维持额定电压,见表7。其中B、C相的过电压幅值均大于Ep,故2号电缆上B、C相中间接头有可能被击穿。

表7 Rn =500 Ω中间接头过电压幅值Table 7 Rn =500 Ω amplitude of overvoltage of intermediate connector

图10 Rn =500 Ω过电压传递波形Fig.10 Rn =500 Ω overvoltage transfer waveform

3.5 接地电阻1 000 Ω

当中性点接地电阻增加到1 000 Ω时,故障时流经中性点的电流将远低于小电阻接地时中性点的电流,过电压的变化也将区别于小电阻接地方式。图11为中性点接地电阻Rn=1 000 Ω时电压变化波形。

图11 Rn =1 000 Ω过电压传递波形Fig.11 Rn =1 000 Ω overvoltage transfer waveform

Rn=1 000 Ω时,故障发生时故障点谐波明显低于低阻接地时电压波形,整体上节点电压变化平稳。表8记录Rn=1 000 Ω时各相过电压幅值,由仿真数据可知,B、C相电压幅值高于Ep,若2号电缆B、C相中间接头存在缺陷,将发生击穿事故。

表8 Rn =1 000 Ω中间接头过电压幅值Table 8 Rn =1 000 Ω overvoltage amplitude of intermediate connector

由不同中性点接地电阻仿真可知,当接地电阻很小时A相过电压幅值较大,且振荡频率很高,随着中性点接地电阻Rn不断增加,A相过电压幅值不断降低振荡频率同时降低。当Rn=100 Ω时,中间接头A相在电弧发生期间已无过电压产生。Rn增大到500 Ω时故障相电压低于正常运行的幅值,当Rn=1 000 Ω时电压在熄弧后朝着正半轴偏移,且电压波形的谐波明显减小。在小电阻接地时中间接头B、C相电压在故障馈线先增加后降低,传递到非故障电缆时过电压幅值趋于稳定。随着接地电阻Rn增加,B、C相电压从故障点就达到稳定状态,且B、C相的稳定电压也随之增加,但C相的增幅要大于B相,在经高阻接地时系统最大过电压倍数在C相出现。B、C相在接地电阻增大的过程中波形谐波逐渐减少,高阻接地谐波要远少于低阻接地时谐波。

4 不同电缆长度下过电压传递特性

电缆线路的参数与电缆长度密切相关,为便于分析电缆长度对过电压的影响,模型以中性点经Rn=10 Ω为基础。模型改变1号馈线长度为S,其结构图见图12。对于1号馈线只需改变中间接头的距离即可,仿真中设1号馈线2个中间接头的距离为ΔS,ΔS取值分别为1 km、1.5 km、2 km,即1号电缆的总长分别为6 km、8 km、10 km,2号电缆长度保持7 km。

图12 一母多馈线电缆线路随长度变化结构图Fig.12 Structure diagram of a bus-multi-feeder cable line with length changes

4.1 S=6 km

表9记录了S=6 km时不同位置三相电压幅值。故障点处A相产生的最大过电压4.20 p.u.。当S=6 km时故障发生处A相最大过电压幅值为3.88 p.u.,中间接头间距离缩短至0.5 km时故障点电压0.32 p.u.。随着过电压的传播,A相电压幅值在故障馈线上衰减程度最大,在故障线路上衰减幅值达1.13 p.u.。在非故障馈线上后4个节点电压幅值相等,稳定电压为2.85 p.u.,当S=6 km时非故障馈线稳定电压幅值为2.46 p.u.,对比可得故障线路两节点距离减小为0.5 km时,非故障线路A相过电压升高,幅度达0.39 p.u.。B相在故障点的电压幅值为1.48 p.u.,传递到非故障电缆时电压稳定值为1.45 p.u.,C相电压稳定在1.66 p.u.,距离减小时C相的电压变化趋势同A相相同。由表9可得,2号电缆仅A相中间接头幅值大于Ep,因此A相中间接头有击穿风险。

表9 S=4 km中间接头过电压幅值Table 9 Amplitude of overvoltage in intermediate connector of S=4 km

4.2 S=8 km

当故障馈线增加到8 km时中间接头A相波形数据见表10。故障点时A相过电压幅值为3.59 p.u.,当过电压向前传播至距其11 km处时点电压幅值为2.27 p.u.;在传递过程中C相电压幅值从1.50 p.u.变为1.48 p.u.。

表10 S=8 km中间接头过电压幅值Table 10 Amplitude of overvoltage in intermediate connector of S=8 km

当故障馈线变长为8 km时,A相起始电压幅值较6 km降低0.29 p.u.,非故障馈线末端电压降低0.33 p.u.。对比表4.8和表4.10数据可得,当故障电缆线路长度增加时线路最大过电压幅值降低。在A、B、C三相中仅A相中间接头电压幅值大于Ep。若A相存在缺陷,A相被击穿概率很大。

4.3 S=10 km

当故障线路长度达10 km时,各节点过电压数据列于表11,表4.11中最大过电压幅值在A相产生。距故障点13 km处A相电压幅值为2.06 p.u.,B相和C相在非故障馈线稳定电压分别为1.32 p.u.和1.46 p.u.。非故障馈线上中间接头被击穿概率最大是A相。

表11 S=10 km中间接头过电压幅值Table 11 Amplitude of overvoltage of intermediate connector S=10 km

5 结论

本研究建立一母多馈线电缆模型,分析馈线条数、中性点接地电阻阻值和电缆长度对过电压传递特性的影响,主要结论如下:

1)3种不同馈线条数下电压振荡频率随着传播距离增加而降低,当传递到非故障线路时频率不再变化。馈线条数增加时故障相最大过电压降低。

2)经小电阻接地故障相将产生很大的过电压,过电压在传递的过程中会一定程度的衰减,但传递到非故障馈线上时依然存在很大幅值过电压,给非故障电缆绝缘产生很大危害。

3)随着接地电阻增加非故障相过电压增加同时故障相电压减小,在传递过程中波形振荡频率随着电阻增加逐渐降低。

4)当故障电缆长度逐渐增加时各相电压幅值减小,其中故障相幅值变化最为明显。对比可得,电缆长度较小时电弧产生的过电压较大。