張玉佳
（國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075）
摘 要： 高壓電纜金屬屏蔽層絕緣損壞、發(fā)生接地故障等均會形成兩點或多點接地從而產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)流，研究環(huán)流大小可以指導(dǎo)電纜的運行維護。根據(jù)實際運行的電纜線路，取線路參數(shù)，建立仿真計算模型，通過仿真計算，分析故障相與非故障相環(huán)流情況，模擬電纜在三角形及三相對稱情況下感應(yīng)環(huán)流的大小，驗證故障相的數(shù)量與感應(yīng)環(huán)流大小的對應(yīng)關(guān)系以及故障距離與感應(yīng)環(huán)流的關(guān)系，為判別故障類型提供依據(jù)。仿真結(jié)果表明，故障相越多，感應(yīng)環(huán)流越大；環(huán)流的大小與故障距離成正比。
關(guān)鍵詞： 高壓電纜；多點接地；感應(yīng)環(huán)流；接地故障
0 引言
高壓電纜外屏蔽層單點可靠接地是電纜安全運行的重要保證。高壓電纜芯線在外屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通常情況下，電纜外屏蔽層運行時一端接地，但是由于電纜在安裝、運行后可能造成外絕緣損傷，形成多點接地，導(dǎo)致環(huán)流增大，將造成很大的電能損耗，也對設(shè)備的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大的影響，對運行人員人身安全造成威脅。本文主要研究電纜外屏蔽層發(fā)生多點接地的故障時環(huán)流的大小及對電纜安全穩(wěn)定運行的影響。
1 ATP軟件簡介
ATP全稱是Alternative Transient Program-EMTP，它是目前國際上計算電磁暫態(tài)現(xiàn)象以及電機原理應(yīng)用最廣泛的數(shù)字仿真軟件之一。ATP提供許多模型，包括變壓器、避雷器、電力電纜等，它可以模擬任意結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)。ATP的基本原理是根據(jù)元件的不同特性，建立相應(yīng)的代數(shù)方程，常微分方程和偏微分方程，形成節(jié)點導(dǎo)納矩陣。采用優(yōu)化節(jié)點編號技術(shù)和稀疏矩陣算法，以節(jié)點電壓為未知量，利用矩陣三角分解求解，最后求得各支路的電流、電壓和所消耗的功率、能量。用此數(shù)字程序可以仿真任意結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，分析控制系統(tǒng)、電力電子設(shè)備以及非線性元器件（如電弧和電暈）。ATP仿真計算允許對稱或不對稱的干擾，如故障、雷電浪涌、各種各樣的開關(guān)操作，包括交換閥，還支持相量網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)的計算。
模型的建立
選用的電纜為導(dǎo)體直徑18.4 mm，絕緣厚度20.0 mm，電纜外徑75 mm，長度500 m，敷于地下1 ｍ，三根電纜呈正三角形緊密排列鋪設(shè)，采用工頻110 kV三相交流電源，系統(tǒng)功率因數(shù)為0.95，金屬屏蔽層單端接地方式，經(jīng)保護器接地的一端在仿真時可作為開路處理，電纜模型用ATP-Draw中專門建立電纜模型的ATP-LCC軟件建立，在ATP中建立的模型如圖1。
3 三相電纜金屬護套多點接地仿真計算
3.1 三相電纜首端接地、末端開路情況下發(fā)生一點故障接地
仿真條件及仿真結(jié)果列于表1。為便于分析比較，在仿真結(jié)果中引入了“環(huán)流比(％)”，即環(huán)流與芯線工作電流的百分比值。
首端接地環(huán)流比與故障距離的關(guān)系曲線如圖2所示。
由圖2可見，首端直接接地時，環(huán)流比大小與故障點距首端接地點的距離基本成正比。
3.2 三相電纜首端接地、末端開路情況下發(fā)生三點故障接地
假設(shè)三個故障點距離已知，L1=L2=L3=150 m，此種情況的電纜示意圖如圖3所示。
設(shè)L1=L2=L3=150 m，其仿真條件及仿真結(jié)果列于表2。
表2中故障類型“ABC”系指A相a點故障接地、B相b點故障接地、C相c點故障接地。
從表2中的27種不同的故障情況不難發(fā)現(xiàn)，故障接地線電流值有較強的規(guī)律性，重點研究實際可測的IA0、IB0、IC0，按幅值從小到大簡化為①～⑨類，列于表3中。
當(dāng)三相電纜正常運行，即護套沒有故障點接地時，接地線上仍有電流，IA0、IB0、IC0幅值均為2.8 A，此時雖有感應(yīng)電勢但沒有感應(yīng)電流，可知各相護套上的電容電流幅值為2.8 A。
4 結(jié)論
通過仿真計算，模擬不同類型的故障得出以下結(jié)論：(1)只有故障相才有感應(yīng)電流，正常相護套與大地沒有形成通路，只有電容電流；(2)正三角形排列，三相對稱性決定各相地位等價；(3)從①到⑨，總的來說，故障相越多，環(huán)流值越大；(4)觀察⑨，當(dāng)故障ABC、CAB、BCA發(fā)生，單獨分析A相，發(fā)現(xiàn)其單點故障的故障距離依次為150 m、300 m、450 m，A相環(huán)流依次為4.9 A、7.4 A、8.7 A，仍然與故障距離正相關(guān)；(5)通過接地線上三相電流幅值可將故障區(qū)分為①到⑨類，每類中的三種情形又可通過分析單相故障的故障距離來區(qū)分，為故障類型判別提供幫助。
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