趙昌鵬,戴 斌,李貴山,龐 丹,徐鐵辰

(國網(wǎng)長春供電公司,長春 130021)

隨著高壓電力電纜在輸配電線路中所占比例的快速提高,其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性受到廣泛關(guān)注。目前,高壓和超高壓電力電纜通常采用單芯結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的單芯電力電纜存在的金屬護(hù)套環(huán)流問題已成為研究的重點(diǎn)。高壓單芯電力電纜金屬護(hù)套環(huán)流過大會(huì)引起電纜護(hù)套發(fā)熱,還會(huì)降低電纜載流量[1-2],甚至?xí)?duì)電纜造成損壞并引發(fā)事故。本文利用金屬護(hù)套環(huán)流的計(jì)算模型,在對(duì)金屬護(hù)套環(huán)流進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,提出金屬護(hù)套環(huán)流的抑制措施。

1 金屬護(hù)套環(huán)流計(jì)算模型[3-4]

單芯電纜金屬護(hù)套環(huán)流由電容電流和感應(yīng)電流兩部分組成。其中電容電流主要與線芯和金屬護(hù)套之間的電壓和電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),與電纜布置方式無關(guān)。本文主要研究交叉互聯(lián)系統(tǒng)電纜布置方式和段長不平衡度對(duì)金屬護(hù)套環(huán)流的影響,忽略環(huán)流中的電容電流成分而主要對(duì)感應(yīng)電流分量進(jìn)行研究。

高壓單芯電力電纜通常采用交叉互聯(lián)方式來抑制金屬護(hù)套環(huán)流,交叉互聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算模型如圖 1所示。

圖1 金屬護(hù)套交叉互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)電路知識(shí)和電磁學(xué)理論可以推導(dǎo)出金屬護(hù)套環(huán)流的計(jì)算模型,交叉互聯(lián)系統(tǒng)金屬護(hù)套環(huán)流計(jì)算公式如下：

I1、I2、I3為電纜的負(fù)載電流;Is1、 Is2、Is3為電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電流;LⅠ、LⅡ、LⅢ為交叉互聯(lián)系統(tǒng)中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段電纜長度;R=R1+R2+Rd,R1、R2為兩端接地電阻,Rd為大地等效電阻。

根據(jù)電磁學(xué)理論,金屬護(hù)套回路單位長度自阻抗：

式中：k=2 πf;d為電纜金屬護(hù)套的電阻率;r1為金屬護(hù)套內(nèi)徑;r2為金屬護(hù)套外徑,De為大地回路等值深度,rGM為金屬護(hù)套平均半徑。

不同金屬護(hù)套回路單位長度互阻抗De：

式中：Si j為電纜線芯 i、j之間的距離。

線芯與本相金屬護(hù)套回路單位長度互阻抗：

線芯與其他相金屬護(hù)套回路單位長度互阻抗：

以長春某 66 kV聯(lián)絡(luò)線為例,電纜型號(hào)為YJLW03-50/66 kV-1×500,采用交叉互聯(lián)接地方式,電纜敷設(shè)采用等邊三角形敷設(shè)方式。在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中3段電纜長度分別為645 m、712 m和558 m。當(dāng)三相電流為 210 A時(shí),實(shí)測三相金屬護(hù)套環(huán)流[5]與編程計(jì)算的護(hù)套環(huán)流有效值見表1。

表1 1～ 3段金屬護(hù)套環(huán)流測試結(jié)果

由表1可知,計(jì)算值與實(shí)測值存在 18%左右誤差,分析產(chǎn)生誤差的主要原因：理論計(jì)算中忽略了電容電流;計(jì)算中未予考慮電纜在接頭處電纜間距和布置方式發(fā)生的微小變化;理論計(jì)算中沒有考慮同路徑敷設(shè)的其他運(yùn)行電纜對(duì)本電纜金屬護(hù)套環(huán)流的影響;電流讀數(shù)的誤差,以及電流測量儀器本身存在的誤差。綜合考慮上述因素,計(jì)算值與測量值的這種誤差是合理的,并可使用該模型計(jì)算環(huán)流為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

2 金屬護(hù)套環(huán)流分析

2．1 電纜間距對(duì)金屬護(hù)套環(huán)流的影響

電纜常見的三種布置分別為等邊三角形布置方式、等邊直角三角形布置方式和水平布置方式(見圖2),假定 3段電纜長度均為300 m,其中Ⅱ、Ⅲ段電纜間距固定,而 I段電纜間距發(fā)生變化(S=0．2～0．5 m),此時(shí)環(huán)流與負(fù)載電流之比的變化曲線如圖3所示。由圖3可見,初始階段環(huán)流值隨電纜間距增加逐漸減小,當(dāng) I段電纜間距與Ⅱ、Ⅲ段電纜間距相同時(shí),即當(dāng)電纜間距為0．3 m時(shí),環(huán)流與負(fù)載電流之比最小,三種布置方式下分別為0%、0．8%和1．6%。然后隨著電纜間距繼續(xù)增加,環(huán)流值不斷增大。在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中,為了更好抑制環(huán)流,應(yīng)盡量保證三段電纜間距相同或相近。

圖2 Ⅰ段電纜間距變化的交叉互聯(lián)系統(tǒng)

2．2 電纜長度不平衡度及布置方式對(duì)金屬護(hù)套環(huán)流的影響

2．2．1 統(tǒng)一布置方式

圖3 環(huán)流 /負(fù)載電流與S12、S13關(guān)系曲線

當(dāng)三段電纜長度相同時(shí)電纜長度不平衡度為0。假設(shè)Ⅱ、Ⅲ段電纜長度為400 m固定不變,而Ⅰ段電纜長度發(fā)生變化時(shí)(見圖4),在 3種布置方式下,環(huán)流與電纜長度不平衡度的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖 5可以看出,等邊三角形布置方式下環(huán)流值最小,等邊直角三角形布置方式下環(huán)流值次之,水平布置方式下環(huán)流值最大。環(huán)流值與負(fù)載電流之比分別為0%、0．96%和1．9%。等邊三角形布置方式在長度不平衡度為80%時(shí),環(huán)流值達(dá)到最大,與負(fù)載電流之比為 20．9%;等邊直角三角形布置方式在長度不平衡度為-50%時(shí),環(huán)流值達(dá)到最大,與負(fù)載電流之比為23．8%;水平布置方式在長度不平衡度為-50%時(shí),環(huán)流值達(dá)到最大,與負(fù)載電流之比為27．8%。上述情況下的環(huán)流與負(fù)載電流之比均超出規(guī)定允許的最大值(10%),因此在設(shè)計(jì)交叉互聯(lián)系統(tǒng)時(shí),要嚴(yán)格控制三段電纜長度的不平衡度,以達(dá)到環(huán)流的最佳抑制效果。

圖4 交叉互聯(lián)系統(tǒng)電纜的三種統(tǒng)一布置方式

圖5 環(huán)流與電纜長度不平衡度關(guān)系曲線

2．2．2 混合布置方式

交叉互聯(lián)系統(tǒng)混合布置方式如圖 6所示,Ⅰ段采用品字形布置方式、Ⅱ段采用直角三角形布置方式、Ⅱ段采用水平布置方式。在這種混合布置方式下,電纜長度不平衡度與環(huán)流關(guān)系曲線如圖 7所示。受混合布置方式的影響,環(huán)流值遠(yuǎn)高于三段采取相同布置方式的情況,且環(huán)流最小值與對(duì)應(yīng)的長度不平衡度發(fā)生了一定的變化,在長度不平衡度為 10%時(shí),環(huán)流值達(dá)到最低,此時(shí)環(huán)流與負(fù)載電流之比為22．2%,仍遠(yuǎn)高于規(guī)定允許的最大值10%。當(dāng)電纜長度不平衡度為-50%時(shí),環(huán)流值達(dá)到最大,與負(fù)載電流之比高達(dá)43．1%,嚴(yán)重超出規(guī)定的允許值?；旌喜贾梅绞郊又亓丝臻g非對(duì)稱性,使環(huán)流值遠(yuǎn)高于相同布置方式情況,因此在實(shí)際工程中應(yīng)盡量避開混合布置方式。

圖6 電纜混合布置的交叉互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

3 金屬護(hù)套環(huán)流的抑制措施

基于上述分析可知,在交叉互聯(lián)系統(tǒng)中,主要由3段電纜間距不同、電纜長度不平衡以及電纜混合布置3種因素引起金屬護(hù)套環(huán)流超標(biāo)。一般情況下,針對(duì)這3種因素采取有效控制措施均能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的抑制。但是在三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡以及交叉互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),僅靠控制上述 3種因素?zé)o法滿足安全運(yùn)行的要求。

圖7 混合布置方式下環(huán)流與電纜長度不平衡度關(guān)系曲線

目前多采取在接地線上串聯(lián)電阻或電感來抑制金屬護(hù)套環(huán)流,通過這種方式能夠明顯降低環(huán)流,但由于在接地線上引入新的連接點(diǎn),當(dāng)電纜異常運(yùn)行或交叉互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),大電流通過連接點(diǎn)時(shí)可能引發(fā)事故?；谝陨峡紤],本文提出一種基于電磁耦合實(shí)現(xiàn)串聯(lián)阻抗的環(huán)流抑制措施(如圖 8所示)。將交叉互聯(lián)系統(tǒng)電力電纜直通接頭的接地線繞制成螺線管狀作為一次側(cè),二次側(cè)串入可調(diào)節(jié)阻抗,通過磁路耦合,取消了接點(diǎn)。該方法結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn),而且阻值調(diào)節(jié)方便、可靠,有利于電纜的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 電磁耦合裝置原理示意圖

假設(shè)該電磁耦合裝置不存在漏磁,一次側(cè)與二次側(cè)匝數(shù)相同,交叉互聯(lián)系統(tǒng)中三段電纜長度相同,電纜采用水平布置方式,間距為0．3 m。假設(shè)三相負(fù)荷不平衡,三相負(fù)載電流分別為：IA=140 A(0°)、IB=100 A(-120°)、 IC=80 A(120°)。在該情況下金屬護(hù)套環(huán)流與外接阻抗的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 外接阻抗與金屬護(hù)套環(huán)流關(guān)系曲線

從圖 9可以看出,護(hù)套環(huán)流值隨外接阻抗Z0增加逐漸減小,在最初階段下降幅度較大,隨后階段下降幅度逐漸變小?？梢娡ㄟ^電磁耦合方式引入外接阻抗在一定程度上可以有效抑制金屬護(hù)套環(huán)流。

4 結(jié)束語

本文通過實(shí)例對(duì)等邊三角形(品字型)、等邊直角三角形和水平 3種布置方式的電力電纜金屬護(hù)套環(huán)流的計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證,并對(duì)實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果之間產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析,最終的分析結(jié)論表明誤差是合理的,該計(jì)算模型符合工程實(shí)際。同時(shí),對(duì)交叉互聯(lián)系統(tǒng)中電纜間距、電纜長度不平衡度以及電纜布置方式對(duì)金屬護(hù)套環(huán)流的影響進(jìn)行了分析,得到了相應(yīng)的曲線,可為電纜工程設(shè)計(jì)提供一定參考。本文提出的基于電磁耦合的環(huán)流抑制措施,與傳統(tǒng)方法相比,穩(wěn)定性、可靠性更高,接地電阻值調(diào)整更加方便快捷。

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