摘要：本文分析了高压电缆金属套接地电流偏大的主要原因，提出在交叉互联或直接接地串接抑制器可有效限流，也能保证系统正常运行。结合实际线路，建立混合敷设方式下多回路电缆电路模型，通过仿真为抑制器设计提供理论依据。结合科尧铝五线设计抑制器参数和现场改造接地箱。抑制器经第三方短路电流冲击验证试验，设计产品在两条110 kV线路试用，测试结果表明增加抑制器可有效限制护层环流在运行电流2％以下。王珂，郭剑(广西电网公司南宁供电局，南宁530031)
关键词：高压电缆；护层环流；抑制器；工艺设计引言
高压电缆以其占地少、敷设方便、人身安全保障、供电可靠性高、维护工作量少等优点在高压输变电网络中得到了广泛应用。为满足高压电缆现行规程GB 50217--20074电力工程电缆设计规范》规定，长距离高压单芯电缆线路需满足金属护层的正常感应电势(E。)不超过限制值(球300 V)，国内外广泛采取交叉互联接地方式。通常高压电缆采用混合敷设方式。除了电缆敷设于隧道外，在其它一般敷设方式下接头需装设工井中，而工井的位置选择往往受地理环境制约，很难保证每一交叉互联单元内3区段电缆长度均等，因而运行中电缆金属套会出现环流；当3个区段不等长显著时，该单元环流值将很大。此外临近回路的干扰也是引起环流的主要原因。过大的环流将会使电缆金属护层电能损耗加大，不仅增加长年运行的经济成本，还会降低电缆载流量，或引起过热而使绝缘老化加速等，因此必须考虑应对金属套环流问题。
图1为某地区一电缆系统线路示意图，中间交叉互联，两端直接接地。含有A、B、c三相，一端为户外终端，另一端为GIS，共有L1、L2和L3三段。
图2为线路每段电缆长度和接地电流值，从图l中可以看出，三段电缆长度不等，最长411 m，最短358 m，最大护层环流98．3 A，而运行电流290A，占运行电流的34％。为解决图1线路电缆护层环流过大的问题，采用图3方式对线路进行改造，由原来三小段交叉互联两端接地方式改为一端接地和另一端经避雷保护器接地。该线路改造后接地电流小于5 A，电缆护层保护器对地感应电压小于50 V，满足高压电缆设计规范要求。
然而，改造后的线路却出现了保护器爆裂的问题H。通过计算分析，找到护层避雷保护器损坏原因。由高压电缆护层过电压计算公式可知，当高压电缆一个交叉互联大段采用一端直接接地另一端通过避雷保护器接地时，在该段电缆所在电网发生系统单相接地故障瞬间，该段电缆外护套感应电压约10．03～14．56 kV，远大于通流容量对应电压6．93 kV，流经保护器的电流(半峰值持续时间约4．～5．7 ms)约为通流容量的4．2～11．6倍，故在电网发生单相短路故障瞬间易引起护层避雷保护器烧毁问题。
1．2国外接地电流抑制方法
英国和韩国研究在高压电缆一大段交叉互联内串接扼流圈，以减小该交叉互联大段电缆外护套接地环流，通过实际应用，效果明显。韩国有2回154 kV高压单芯充油电缆，线路全长6323 1"11，包含6个交叉互联大段，也存在个别交叉互联大段中的3个小段长度相差较大，最大接地电流近100A。采用电感值为2．65 mH的扼流圈，串接在交叉互联回路内。根据电磁暂态过程利用交流暂态分析软件，建立电缆线路分布参数模型，通过计算可知在交叉互联回路内串接扼流圈可减小该段电缆护层接地环流约为85％。
2建立电路模型仿真分析抑制器参数
详细记录某线路电缆参数信息，包括每一小段电缆长度、敷设方式、每个交叉互联和直接接地电缆护层环流、每小段感应电压，以及线路负荷电流。由现场收集的电缆参数信息，建立电路模型。
仿真计算每一段电缆护层接地环流情况，和实际测试结果进行对比，验证电路模型的正确性，从理论上验证了引起电缆环流大的原因。仿真计算结果表明在一大段交叉互联大段的交叉互联处加装环流抑制器，或在一大段交叉互联大段的直接接地处加装环流抑制器，两种接线方式如图4所示(直接接地的中间接头必须如图4(b)的绝缘接头)，两种方式都能有效抑制电缆护层环流过大的问题。通过仿真也可得出如下结论：在回路加装抑制器的电感感抗)越大，对电缆护层环流抑制效果越好，抑制器上产生的电压降也越大。由仿真计算可知，环流抑制器的电感值约为10 mH时，饱和电压在50～80 V，就能很好抑制高压电缆交叉互联回路过大的接地环流。在交叉互联回路加装环流抑制器后，当该电网系统发生单相接地故障时，环流抑制器两端电压不大于3．6 kV，只要在环流抑制器上安装避雷保护器就可防止抑制器损坏。
3高压电缆环流抑制器设计
3．1环流抑制器设计原则
在电缆直接接地处，加装环流抑制器，如图5所示。采用特殊磁芯设计的环流抑制器，具有良好的非线性特征，在电网系统正常运行时能有效抑制电缆产生过大的护层环流，而在电网系统发生单相短路故障瞬间，该环流抑制器呈现饱和特征，等效阻抗几乎为零，不会影响并改变系统短路电流的大小和流向，不影响系统继电保护装置动作并快速切除。
依据变压器设计理论，根据电缆发生短路时的电流峰值以及规程GB 50217--2007规定的金属套交流电压值，设计环流抑制器。设计的抑制器能多次承受数十千安短路电流不损坏，可重复使用；饱和电压小于数百伏，抑制过大的环流；具有防潮功能。抑制器设计要点：(1)根据抑制器容量设计磁芯尺寸和结构，采用R型结构，磁芯截面不小于3000 1'11．11'12，磁芯高度为300 mm，宽度为100 mE，磁芯采用合金材料，相对导磁率在5000—7000之间。
(2)根据磁芯骨架尺寸和导体，计算抑制器电感量。电感量约为50 mH。根据抑制器电感量，优化导体匝数和导体截面积，能承受大电流，且在规定时间不会过热损坏。导体截面积为60—80 mm2。导体匝数为30～40匝。(3)抑制器整体浸漆，避免抑制器导体受潮，提高匝间绝缘。(4)抑制器外壳绝缘材料灌注，避免抑制器受潮，提高绝缘性能。
3．2环流抑制器参数设计
根据在线环流监测数据显示，需要对科尧铝五线和琅东凌线加装环流抑制器限制过大的护层环流。以科尧铝五线l≠}工井到3≠}工井的电缆系统参数设计环流抑制器参数。
科尧铝五线每段电缆长度如下：ll=600m，厶=561 m，f3=400 m；IF(最大负荷电流)=440A。
科尧铝五线电缆护层自感抗：Zs=0．239×(，，+针h)／lOOO=O．373 Q。
科尧铝五线实测接地电阻R=3．0 Q，土壤电阻匙如．06Q。
改造前科尧铝五线总阻抗Zx=(3．0+0．06)+jo．373=3．1 Q。
科尧铝五线加装环流抑制电抗器后，需限制护层环流不大于设计运行电流的2％，即440x0．02=8．8 A，根据护层感应电压计算公式可得，科尧铝五线最高感应电势Es=39．8 V(600 m)，可计算增加环流抑制器的回路总阻抗Z=39．8／8．8=4．523 Q。而z_Zx+五，计算环流抑制器的电感值L=9．4 mH。
采用特殊磁芯材料设计环流抑制器，根据抑制器饱和电压U=60 V计算电感参数。而饱和电压己，222xNxB。×A，其中A,=3200 mm2(磁芯材料截面积)，选取环流抑制器磁感应强度B为1．4 T，计算该环流抑制器由泸,vL／,，计算饱和电流／,--1．0A，可见抑制器饱和电流过小不能满足要求，需要改进铁芯排列工艺。最后设计环流抑制器线圈匝数N=40匝，三=8 mH，线圈导体截面积选用140 mm2多股铜线，保证环流抑制器能多次承受数十千安短路电流而不损坏。
3．3环流抑制器工艺设计
考虑加工生产方便，抑制器设计结构如图6。①为合金磁芯材料，R型结构，采用不锈钢带⑨扣紧，同时把抑制器安装底座⑦和磁芯抱紧。导体两端引出通过连接铜排②。为方便拆卸，铜排另一端采用带螺纹柱子连接，如⑨和⑥。在绕导体⑤时，每层用绝缘纸④绕好固定。抑制器整体浸漆，烘干，提高匝间绝缘且防潮。
3．4短路电流冲击试验通过第3方检测单位对环流抑制器施加20 kA
工频10个周波短路电流试验。试验证明，抑制器能反复承受短路大电流的冲击试验。图7为工频短路电流波形图。
4工程应用
环流抑制接地箱使用不锈钢材质壳体，可以长期在户外使用，两侧带有百叶窗，有助于散热。接地箱防护等级为IP33。对110 kV琅东凌线和科尧铝五线改造后环流情况见表1。琅东凌线改造后环流情况见表2。
表1 科尧铝五线1群接地箱改造前后环流数据(单位：A)从表l可以看出，改造后科尧铝五线环流不大于运行电流的0．27％，从表2可以看出，改造后琅东凌线环流不大于运行电流的0．56％，超过预期效果。琅东凌线l群接地箱2013改造成智能接地箱，此次设计的接地箱既能安装环流抑制器又能安装智能监测设备。因此，改造后的接地箱既有环流抑制功能，又保留原来智能多状态在线监测功能。
5结论
过大的环流会影响电缆系统的正常运行，严重时会造成安全事故，必须采取措施加以抑制。在交叉互联箱或者直接接地箱增加抑制器，增加专门设计的抑制器后，既能有效抑制过大的护层环流，又能在电网系统发生单相短路故障时不影响继电保护装置动作并快速切除。专门设计的抑制器能多次承受数十千安短路电流，不损坏，可重复使用；具有防潮功能，满足恶劣环境下使用。通过在110 kV科尧铝五线和琅东凌线的应用，专门设计的抑制器可有效抑制电缆护层环流小于运行电流的2％，超过预期效果。琅东凌线1群接地箱改造后既有环流抑制功能，又保留原来智能多状态在线监测功能，为日后高压电缆状态监测和接地电流抑制提供新思路。
版权说明：如非注明，本站文章均为 无源无线测温|局部放电监测|马达保护器|除湿装置-四川桂丰源科技 原创，转载请注明出处和附带本文链接。
