王建軍，吳季浩，蘇梓銘

(1.上海市電力公司，上海市200122；2.中國電力科學(xué)研究院，武漢市 430074)

10kV電纜終端帶電作業(yè)仿真及試驗研究

王建軍1，吳季浩1，蘇梓銘2

(1.上海市電力公司，上海市200122；2.中國電力科學(xué)研究院，武漢市 430074)

隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和城鄉(xiāng)一體化進程的加快，10 kV配網(wǎng)電纜線路不斷增加，電纜線路不停電檢修作業(yè)也亟待推廣。針對電纜終端帶電作業(yè)的危險點，對電纜終端作業(yè)過程進行電磁暫態(tài)仿真，對不同情況下投切空載電纜線路產(chǎn)生的過電壓、過電流和電弧能量進行對比分析，提出了電纜終端作業(yè)過程中危險點的控制方法和防護措施。

空載電纜；帶電作業(yè)；電纜終端；電弧電流；過電壓

0 引 言

隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和城鄉(xiāng)一體化進程的加快，10 kV配網(wǎng)電纜線路不斷增加，據(jù)國家電網(wǎng)公司的統(tǒng)計，2011年公司系統(tǒng)城市配網(wǎng)的電纜化率接近40%，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的電纜化率甚至超過了80%，電纜線路在配網(wǎng)中所占的比重日益增高[1]。電纜線路在運行過程中，電纜頭發(fā)熱、接地異常、外力破壞、環(huán)網(wǎng)柜銹蝕等故障經(jīng)常發(fā)生，由于電纜線路在地下運行，使得電纜線路，特別是未形成環(huán)網(wǎng)的電纜線路以及電纜支線的檢修、搶修工作存在停電時間長、范圍大等問題，影響了配網(wǎng)的供電可靠性。

電纜線路的不停電作業(yè)，是為了達到用戶不停電或少停電的目的，采用帶電作業(yè)、旁路作業(yè)等多種作業(yè)方式對電纜線路設(shè)備進行檢修的作業(yè)[2]。在作業(yè)過程中帶電操作電纜終端可能產(chǎn)生的過電壓、過電流既是電纜不停電作業(yè)中的危險點，又是相關(guān)作業(yè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的制定依據(jù)[3]。因此，研究電纜終端操作的電磁暫態(tài)過程，并根據(jù)研究成果對作業(yè)危險點采取控制措施，對于保證電纜不停電作業(yè)的安全開展具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。

本文在建立10 kV電纜不停電作業(yè)過程ATP-EMTP模型的基礎(chǔ)上[4-5]，對電纜終端作業(yè)過程進行了電磁暫態(tài)仿真，對不同情況下投切空載電纜線路產(chǎn)生的過電壓、過電流進行對比分析，提出了電纜終端作業(yè)過程中危險點的控制方法。

1 電纜終端作業(yè)過程

1.1 帶電斷接空載電纜連接引線作業(yè)

帶電斷接空載電纜連接引線的基本原理是，當(dāng)某條未形成環(huán)網(wǎng)的電纜線路(或電纜支線)故障檢修或例行維護時，在現(xiàn)場快速開斷該條電纜線路與10 kV架空線路連接引線，將需檢修電纜線路退出運行，而不影響架空線路上其他用戶。待電纜線路故障恢復(fù)后，快速閉合電纜線路與10 kV架空線路連接引線，將檢修完畢的電纜線路投入運行，而不影響架空線路上其他用戶[6-7]。

斷電纜引線作業(yè)前，10 kV架空線路處于正常運行的帶電狀態(tài)，電纜線路一端與架空線路連接，另一端與其他設(shè)備及負荷斷開，即電纜線路處于空載狀態(tài)；接電纜引線作業(yè)前，10 kV架空線路處于正常運行的帶電狀態(tài)，電纜線路試驗合格，對側(cè)電纜終端連接完好，接地已拆除，并與負荷設(shè)備斷開。帶電斷接空載電纜連接引線現(xiàn)場如圖1所示。

1—10 kV架空線路；2—消弧開關(guān)T接處；3—電纜T接處；4—10 kV帶電作業(yè)用消弧開關(guān)；5—電纜引線；6—10 kV電纜線路；7—10 kV負荷開關(guān)(或環(huán)網(wǎng)柜)；8—10 kV用戶(變壓器)

圖1帶電斷接空載電纜連接引線現(xiàn)場

Fig.1Chargeddisconnectingofconnectionleadsfornon-loadcable

1.2 作業(yè)過程影響因素

閉合空載電纜線路可以等效于容性負荷的合閘操作，其主要考慮的因素包括：電纜長度、電纜截面積、合閘相角等。作業(yè)中需要考慮的主要安全控制因素包括：(1)電纜線路對地電壓峰值；(2)流經(jīng)電纜線路電流峰值；(3)流經(jīng)電纜線路電流穩(wěn)態(tài)峰值(穩(wěn)態(tài)電容電流峰值)。

開斷空載電纜線路可以等效于容性負荷的分閘操作，其主要考慮的因素包括：電纜長度、電纜截面積、開斷方式(電弧重燃次數(shù))等。作業(yè)中需要考慮的主要安全控制因素包括：(1)電纜線路對地電壓峰值；(2)流經(jīng)電纜線路電流峰值；(3)仿真開關(guān)的能量(電弧的能量)[8]。

2 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真建模

根據(jù)10 kV配網(wǎng)等值參數(shù)計算及搭建電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)模型。

2.1 電源等值參數(shù)

以某110 kV火電廠為仿真實例，其主接線簡圖如圖2所示，該火電廠裝有3臺機組和2臺主變，由一回線路與110 kV變電所相連接。

圖2 110 kV火電廠主接線簡圖

從110 kV母線側(cè)看去，火電廠的等值阻抗為0.232 Ω。

2.2 110 kV變電站參數(shù)

該變電站是一個110 kV降壓變電所，主要接受110 kV的功率，通過主變向10 kV及35 kV線路輸送。變電站中有2臺25 MVA的主變壓器，其具體型號、參數(shù)如表1所示。

表1110kV變電站主變參數(shù)

Tab.1Maintransformerparametersof110kVsubstation

2.3 架空線路參數(shù)

根據(jù)調(diào)研情況，35 kV線路有4回出線，配網(wǎng)10 kV線路有8回出線。所使用的10 kV架空線以鋁芯輕型交聯(lián)聚乙烯薄絕緣架空電纜JKLYJ-70為主，其長度為6 km。導(dǎo)線呈三角方式布置，水泥桿高度10 m，兩邊線距地8 m，中線距地8.7 m，兩邊線相互距離1.8 m，與中線距離1.15 m，檔距120 m，土壤電阻率取100 Ω·m。

2.4 末端負荷等值參數(shù)

根據(jù)負荷功率因素0.85及10，35 kV用戶負荷參數(shù)，歸算獲得每回10 kV線路末端所帶負荷為P=0.799 6 MW，S=0.940 7 MVA，Q=0.495 5 Mvar；每回35 kV線路末端所帶負荷為P=4.613 8 MW，S=5.427 9 MVA，Q=2.86 Mvar；

2.5 電纜參數(shù)

入地電纜參數(shù)如表2所示。

表210kV電纜參數(shù)

Tab.210kVcableparameters

3 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真計算

創(chuàng)建仿真模型如圖3所示。模型中，入地電纜型號為YJV22-10-3×300，電纜長度分別選取200，500，1 000，3 000 m進行仿真。

圖3 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真模型

前提條件：開關(guān)關(guān)合時均選擇合閘相角為90°進行合閘(最嚴重情況)，開關(guān)斷開時考慮重燃。

3.1 空載電纜長度影響

改變電纜長度，利用刀閘開關(guān)直接開斷與閉合電纜線路，同時測量電容器電壓及電流值等相關(guān)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果中，電纜線路的電壓、電流幅值如表3所示，波形如圖4所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知：

(1)電纜線路閉合時，線路的穩(wěn)態(tài)電容電流值隨線路的長度增大而增大。

(2)電纜線路閉合時，當(dāng)線路長度不大時，穩(wěn)態(tài)電容電流亦不大，而合閘瞬間，暫態(tài)電流峰值很大，可達到數(shù)百A，而且暫態(tài)電流峰值與電纜線路的長度沒有關(guān)系。

(3)從過電壓水平來看，在閉合線路時，存在一定的操作過電壓，這是由于線路投入前電壓為0，而投入后電壓陡升至系統(tǒng)運行電壓，因而會出現(xiàn)暫態(tài)過電壓。由表3可知，暫態(tài)過電壓值最大時達系統(tǒng)相電壓峰值的1.88倍。

(4)電纜線路單相閉合時，暫態(tài)電流的振蕩周期和流過開關(guān)的能量值均隨電纜長度的增大而增加。

(5)電纜線路開斷時，若開斷前電流不大，開斷過程中沒有出現(xiàn)電弧重燃現(xiàn)象，則開斷后電纜電流減小為0，電壓維持開斷前系統(tǒng)的瞬態(tài)電壓值；開斷過程中不會出現(xiàn)過電壓和過電流。

(6)電纜線路開斷過程中，可能會由于觸頭間絕緣耐壓水平較低而發(fā)生重燃，當(dāng)線路開斷時發(fā)生重燃，線路上會有很高幅值的暫態(tài)電流和暫態(tài)電壓。

表3電纜長度對終端作業(yè)電壓、電流的影響

Tab.3Influenceofcablelengthonvoltageandcurrentincableterminalworking

圖4 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真波形(長度1 000 m，截面積300 mm2)

(7)電纜線路開斷過程中，當(dāng)線路開斷時發(fā)生重燃時，流過開關(guān)的能量值隨線路長度的增大而增大；由于重燃時間較短，重燃時產(chǎn)生的能量比閉合電纜時所產(chǎn)生的能量少。

3.2 空載電纜截面積影響

根據(jù)分析，不同截面積電纜的阻抗值不同，對地電容值也不相同，空載投切時所產(chǎn)生的過電壓、過電流及流過投切開關(guān)的能量也可能不同。以240 mm2和300 mm2的電纜為例，仿真分析不同截面積對空載電纜投切的影響，仿真計算結(jié)果如表4所示，仿真波形如圖4所示。

表4電纜截面積對終端作業(yè)電壓電流的影響

Tab.4Influenceofcablesectionalareaonvoltageandcurrentincableterminalworking

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，電纜的截面積越大，則電纜的穩(wěn)態(tài)電容電流越大，這是因為電纜的對地電容隨電纜截面積的增大而增大，并且單相閉合時的暫態(tài)電流也隨電纜截面積的增大而增大。同時，電纜截面積越大，暫態(tài)電流振蕩周期的增大導(dǎo)致閉合過程中流過開關(guān)的能量也越大。

4 空載電纜投切試驗

4.1 試驗布置

選擇10 kV電纜線路為試驗線段(出線電纜型號YJV22-10-3×300，長度0.97 km)，進行空載電纜線路的搭接與開斷試驗。試驗前，已將線路末端負荷轉(zhuǎn)移為空載狀態(tài)，首先對系統(tǒng)的電容電流進行測量，測量得到電容電流的峰值為1.15 A，系統(tǒng)電壓峰值為8.16 kV，計算得到線路對地電容為0.40 μF?，F(xiàn)場試驗接線如圖5所示。

圖5 電纜終端作業(yè)現(xiàn)場試驗接線圖

4.2 試驗內(nèi)容

在線路空載運行狀態(tài)下，用鉗形表測量各相穩(wěn)態(tài)時電容電流值。針對10 kV電纜線路進行拆接線試驗，依次斷開線路的A、B、C相和依次搭接A、B、C相，記錄作業(yè)過程中的電壓、電流數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場試驗要求，按以下步驟執(zhí)行：

(1)將電纜線路轉(zhuǎn)檢修，用電容表測量電纜線路空載下的電纜電容量；

(2)在線路上安裝分壓器、電流互感器及負荷開關(guān)，并安裝好相關(guān)的設(shè)備及地線，并將測量引線接至測量裝置；

(3)恢復(fù)線路至運行工況，用鉗形表及波形記錄儀測量線路各相穩(wěn)態(tài)電容電流；

(4)操作人員做好安全措施，站在絕緣斗臂車中，在調(diào)度許可下，按次序操作負荷開關(guān)，進行帶電拆接電纜線路的三相，同時，用波形記錄儀測錄拆接線路三相電纜時的波形；

(5)操作完畢后，線路轉(zhuǎn)檢修，拆接試驗設(shè)備，恢復(fù)原線路。

4.3 試驗數(shù)據(jù)及分析

依次開斷A相、B相、C相和閉合A相、B相、C相時的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5帶電拆接電纜線路試驗數(shù)據(jù)

Tab.5Testdataofcablelinechargeddisconnecting

從過電壓角度來看：無論相線是否帶電，開斷線路某相時，線路各相基本都無過電壓產(chǎn)生，暫態(tài)過程非常短；而當(dāng)閉合線路某相時，閉合相會產(chǎn)生一定的過電壓，最大過電壓倍數(shù)為1.76倍，出現(xiàn)在A相帶電，B、C相不帶電，B相閉合時；閉合某相時，有時會在已帶電的相產(chǎn)生過電壓，非帶電相電壓幾乎無變化，如當(dāng)A帶電，B、C不帶電，B閉合時， A 相的過電壓倍數(shù)為1.10，C相無過電壓；過電壓倍數(shù)變化范圍較大，主要因人工隨意性操作造成，與開斷與閉合時刻的電源相位角有關(guān)。

由試驗數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場電纜帶電作業(yè)中，由于斷路器滅弧性能較好，開斷空載電纜線路時，基本無過電壓出現(xiàn)；但是在搭接空載線路時，會出現(xiàn)一定的過電壓，試驗中得到的最大過電壓倍數(shù)為1.76。在使用的旁路電纜長度約為1 km時，使用旁路負荷開關(guān)斷開線路不會發(fā)生拉弧，且重燃次數(shù)少，燃弧時間短，但帶電斷接電纜線路時，會產(chǎn)生一定的過電壓，應(yīng)注意采取電弧防護措施。

圖6 電纜終端作業(yè)現(xiàn)場試驗波形圖

5 討 論

綜合仿真計算與試驗數(shù)據(jù)，進行討論如下：

(1)在對空載電纜終端進行連接和開斷操作時，電纜長度越長，截面積越大，其等效對地電容也越大，進行斷接操作時，過電壓和過電流的振蕩周期越長，流過投切開關(guān)的能量越高。

(2)開斷電纜終端時，若采用滅弧裝置進行操作，可以避免產(chǎn)生電弧重燃，以降低操作產(chǎn)生的分閘過電壓。

(3)當(dāng)電纜線路單芯(相)截面積不大于300 mm2,長度不大于3 km時[11]，作業(yè)過程中最大操作過電壓不大于2.8 pu，最大暫態(tài)電流的能量不超過98 J，斷接的最大單相的穩(wěn)態(tài)電容電流最大為5 A。

(4)現(xiàn)場電纜帶電作業(yè)中，由于采用滅弧裝置為發(fā)生重燃，開斷空載電纜線路時，基本無過電壓出現(xiàn)，在搭接空載線路時，會出現(xiàn)小于2.0 pu的過電壓和穩(wěn)態(tài)值小于5 A的電容電流，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果相吻合。

6 結(jié) 論

根據(jù)計算、試驗數(shù)據(jù)及討論分析，結(jié)合帶電作業(yè)安全防護、配電線路設(shè)備及作業(yè)工具的實際情況，可得出如下結(jié)論：

(1)從對作業(yè)人員的安全角度考慮，由于10 kV帶電作業(yè)考慮的最大操作過電壓為45 kV[9]，因此，帶電操作空載電纜終端作業(yè)過程中，對作業(yè)方式、絕緣工器具的要求按照常規(guī)10 kV配電線路帶電作業(yè)考慮即可。

(2)在帶電作業(yè)過程中，當(dāng)流過人體的暫態(tài)能量超過1.5 mJ時，作業(yè)人員就會感覺不舒服[10]。由于10 kV帶電作業(yè)人員離設(shè)備較近，而電纜斷接作業(yè)暫態(tài)能量較大，因此，采用封閉式的消弧開關(guān)進行搭接，更有利于作業(yè)人員的安全。

(3)考慮到我國目前大多數(shù)10 kV電纜截面積在300 mm2以下，T接電纜分支的長度也在3 km以下，此時對消弧開關(guān)的要求是分斷電容電流能力不小于5 A，目前國內(nèi)及國外的大部分帶電作業(yè)用消弧開關(guān)能夠滿足要求。從以上2方面綜合考慮，將斷接電纜的最大長度限定在3 km以內(nèi)。

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王建軍(1973)，本科，高級技師，主要從事配電線路帶電作業(yè)技術(shù)研究和技能培訓(xùn)工作；

吳季浩(1964)，本科，高級講師，主要從事配電帶電作業(yè)技術(shù)研究和培訓(xùn)管理工作；

蘇梓銘(1986)，碩士，工程師，主要從事輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)研究工作，E-mail：suziming@epri.sgcc.com.cn。

(編輯：劉文瑩)

SimulationandExperimentalReasearchonLiveWorkingTechnologyfor10kVCableTerminal

WANG Jianjun1, WU Jihao1, SU Ziming2

(1. Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200122, China;2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

With the expansion of urban power distribution scale and the rapid development of urban-rural integration process, the cable lines of 10 kV distribution network increase quickly, and the non-interruption check and maintenance on cable lines needs to be promoted urgently. According to the danger points of live working on cable terminals, the electromagnetic transient simulation was carried out for cable terminal working. Then, the overvoltage, over current and arc energy caused in non-load cable switching process under different conditions were comparatively analyzed. Finally, this paper proposes control methods and protective measures for the danger points of cable terminal working.

non-load cable; live working; cable terminal; arc current; overvoltage

國家電網(wǎng)公司科技項目(SG1025)。

TM 84

： A

： 1000-7229(2014)02-0041-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.008

2013- 08- 29

：2013- 10- 21