(国网太原供电公司 山西太原 030012)
摘要：近年来，我国城市电网规模逐渐扩大，占用了大量土地，架空线的成本也不断增加，同时架空线还影响城市美观。为节约线路用地成本，在城区大量采用地下电缆方式供电。然而，城市电力电缆过电压导致绝缘损坏的故障逐年增多，对线路巡检人员及城市居民的人身、财产安全构成威胁，因此迫切需要研究电力电缆的暂态过电压。高压线路过电压及其影响因素的研究成果大多集中于高压架空输电线路和海底电缆线路方面，有关城市地下电缆线路的过电压研究却较少。本文以某地区投运的２２０ｋＶ高压电缆为计算对象，基于ＡＴＰ／ＥＭＴＰ软件建立过电压分布计算模型，通过与现场测试数据对比分析，验证模型的正确性。为研究２２０ｋＶ高压电缆合闸过电压故障，建立电缆芯线和屏蔽层的分段模型，以计算合闸空载线路的过电压。在此基础上，分析不同接地方式、不同合闸相角和不同残余电位水平对合闸过电压的影响及机理，并根据分析结果提出抑制合闸过电压的措施。
关键词：操作过电压；电力电缆；护层过电压
引言
随着国民经济的发展，电网规模不断扩大，电力传输技术也不断地进步，而可供利用的线路走廊资源非常有限，城市用地成本的不断提高。电力电缆占地空间小、综合供电可靠性高、能够避免环境的影响以及美化城市环境。高压电缆逐渐替代架空线路成为城市区域电力能源输送的主要通道。目前，220kV电缆线路在北京、上海、天津、杭州等地已有较多应用。因此，电力电缆作为承载高压电流的主要载体，是电力系统输变电环节中的重要电力设备，直接影响到电网的安全性和可靠性。
1电缆结构
当电缆线路长度在1km以上时，一般将电缆均匀分割成3段或3的倍数段，采用金属护套交叉互联的接地方式，每500m设置一个交叉互联接地点。电缆全线敷设于电力隧道及电缆夹层内。
2220 kV电力电缆线路合闸操作过电压分析
2.1电缆过电压抑制措施
基于以上分析可知，在合闸情况下，线路残余电位对电缆过电压影响显著，电缆接头作为线路的薄弱环节，易受到损坏。为此，在进行合闸前，将线路两端的接地开关闭合，以降低空载线路的残余电位，同时尽量使合闸相角接近９０°，以降低合闸过电压水平。
2.2电缆结构对工频过电压的影响
产生工频过电压的主要原因是空载线路的电容效应、不对称接地故障、发电机突然甩负荷等，因此本文在计算电缆工频过电压时只计算空载线路的电容效应、不对称接地故障及带故障甩负荷引起的工频过电压。以电缆长度为10km为例，探讨了电缆排列方式对线路工频过电压的影响。电缆工频过电压与电缆排列方式之间的关系电缆水平排列比垂直排列、三角排列时的工频过电压略低，但总体来看排列方式对电缆的工频过电压的影响不大，且线路的过电压水平均可控制在1．4p．u．以内，不会对线路的绝缘以及电气设备的正常运行造成危害。
2.3合闸过程
在甲变侧进行了1相次单合II线路操作。甲变投入空载II线路后，线路末端稳态电压为228kV，线路稳态充电电流约为56A。实测线路末端暂态电压波形。电流过冲系数是指涌流峰值与稳态空载电流峰值之比。根据过电压规程，计算过电压倍数时，操作过电压计算以p.u.来表示，即以系统最高额定运行相电压峰值为基准，对于220kV系统，1p.u.=206.55kV。在甲变空充II线路过程中，开关合闸瞬间甲变II线开关B相首先发生预击穿并熄弧。电弧持续0.7ms，电压振荡频率约7.58kHz。然后经过1.3ms后开关三相同时合闸到位，这一过程中B相末端在预击穿时出现的暂态过电压峰值较大，达到1.37p.u.(282.97kV)，A、C相在B相预击穿时同时存在感应电压引起的低幅振荡，其幅值远小于B相；三相同时合闸到位时产生的过电压倍数较小，最大为A相1.30p.u.(268.52kV)，电压振荡频率约8.3kHz。
由于B相出现了预击穿现象，过电压倍数最高，因此以B相为例开展暂态过程分析。提取从波形中提取振荡信号见图4。振荡幅值为15.5kV。振荡幅值衰减至2%时间为10ms(4τ)，即振荡时间常数τ约为2.5ms，衰减速度较快。合闸过程中，三相涌流的电流过冲系数相差不大，其中B相在预击穿时出现电流信号，持续0.7ms，此时的电流过冲系数最大约11.47倍，三相充电电流基本正常。
2.4电缆过电压抑制措施
基于以上分析可知，在合闸情况下，线路残余电位对电缆过电压影响显著，电缆接头作为线路的薄弱环节，易受到损坏。为此，在进行合闸前，将线路两端的接地开关闭合，以降低空载线路的残余电位，同时尽量使合闸相角接近９０°，以降低合闸过电压水平。
2.5线路长度对工频过电压的影响
电缆排列方式固定为三角排列，系统阻抗为远景规划下的0．3Ω、18．5mH，针对不同长度的长电缆，进行了工频过电压的仿真计算，考察线路长度对电缆工频过电压的影响，故分别取线路长度分别为10km、20km、30km、34km以及40km进行计算。其中分别对容升效应、带故障甩负荷、单相接地故障等三种工况进行计算，并对结果进行了分析。
2.6仿真与实测波形对比
合闸过电压的影响因素主要包括合闸相角、线路残余电位、母线投运的出线数。考虑合闸试验时的实际工况：1)实际甲变220kV侧出线。操作甲变侧断路器对II线充电时，I线投入运行。2)实际II线残余电压。电力电缆一般不设重合闸，且合闸操作前由于接线需要，II线已改检修状态，可以认为空载线路上无残余电位。3)实际甲侧断路器合闸相角。依据合闸时的实测波形，断路器在完全合上前B相存在2ms的预击穿过程，预击穿在B相达峰值时发生，设置预击穿模块模拟这一现象。
2.7电缆结构对操作过电压的影响
电力系统中可引起操作过电压的情况有很多种，对于110kV电缆线路，不进行单相重合闸，故本文只对合空载线路产生的操作过电压进行计算。在计算合闸过电压时，本文考虑了三相开关的不同期性，采用统计开关对合闸进行了200次统计计算，并在此基础上计算了2%统计过电压。一般来说，在计算合闸过电压时计算工况仅考虑残余电压为0的情况，但在某些特殊工况下，如变电站检修，电缆线路分闸后线路段未接地的情况下再进行合闸操作，电缆线路上有可能存在残余电压，因此本文在计算时分别计算了残余电压最严重－1．0p．u．和残余电压为0的两种情况。
结语
本文基于ＡＴＰ／ＥＭＴＰ软件建立了２２０ｋＶ高压电缆过电压的仿真计算模型，分析了合闸过电压的影响因素，并结合实际现场故障工况，提出了抑制合闸过电压的措施。主要结论如下：电缆屏蔽层分段单端接地方式下的屏蔽层过电压值大于同一位置处交联接地方式的屏蔽层过电压值，对于较长电缆线路，交联接地方式更合适；合闸相角越接近９０°，对应的芯线过电压值越小，因此在进行合闸操作时应尽量使合闸相角接近９０°；残余电位对电缆芯线的合闸过电压影响显著，残余电位越高，线路最大合闸过电压越大，在合闸前降低残余电位能有效降低过电压水平；电缆线路合闸时，末端过电压水平明显高于首端，需对电缆末端进行有效保护配置，以降低过电压水平。
参考文献:
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