基于接地電流高壓電纜系統交叉互聯故障分析

陳朝暉

摘 要：隨著科學技術的發展，科技改變了人們生活的方方面面，也為整個電力系統帶來了翻天覆地的變化，尤其是在高壓電纜的應用中取得了飛速的發展。高壓電纜（110kV-220kV）金屬護套交叉互聯接地系統有很好的供電可靠性，對環境的適應力較好，以及擁有較好的美觀性，在供電系統中得到大量的應用。為了保護高壓電纜（110kV-220kV）金屬護套交叉互聯接地系統的絕緣安全，通常將金屬護套進行交叉互聯。所以，護套換相的成功進行，意義十分重大，有助于幫助整個系統能夠安全的運行。

關鍵詞：接地電流；高壓電纜；交叉互聯

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A

在電纜交叉互聯箱內將高壓電纜金屬護套進行交叉互聯，是降低高壓電纜金屬護套感應電壓的常用手段。但是因為在實際情況中，因為電纜鋪設的環境較為復雜，交叉互聯箱會受到外界因素的影響發生受潮、進水和外力破壞等多種情況，都會對高壓電纜的金屬護套造成破壞，出現交叉互聯故障，從而給系統運行埋下安全隱患。本文主要對110kV及以上 XLPE高壓電纜的交叉互聯故障進行系統的研究和分析，利用ATP-EMTP電磁暫態軟件，來進行建模操作和仿真操作，并且對在不同故障下接地電流的變化特點進行了詳細的分析，為之后的高壓電纜進行故障檢測工作提供一定的依據。

一、單芯電纜的特點

電纜線芯與金屬護套兩者的關系就猶如是一個空心變壓器。這其中，電纜線芯所代表的角色就是變壓器的一次側繞組，那么二次側繞組就是金屬護套。當我們在線芯中通入交變電流的時候，線芯的周圍就會相應的產生一個交變磁場，如果此時金屬護套正好處在磁場當中，那么就肯定會產生感應電壓，產生的感應電壓在形成回路的時候就會產生一定的感應電流，并且感應電流會流過金屬護套。

在高壓輸電電纜中，一般情況下，110kV及以上電壓等級采用的基本都是單芯結構。在低壓電纜中，對于35kV及以下的電壓等級，一般來說線纜都是采用三芯結構，并且這三根線芯還呈現出對稱排列的結構。在低壓電纜中，如果線芯中流過三相交流電時，并且是平衡的，那么在線芯周圍所產生的交變磁場基本上是沒有的，并且此時，護套上也不會產生三相感應電壓，而且護套上的感應電流非常的微弱。

在XLPE高壓電纜中，一般采用的都是單芯結構，它的線芯只有在流過單相交流電流，并且電流較大時，才會在線芯的周圍產生交變磁場。一般感應電壓的大少受到電纜的長度的影響，兩者是成正比關系的，電纜越長，電壓越大，反之，電纜越短，電壓越小。但是感應電壓太大的話就會擊穿高壓電纜的外絕緣。所以在輸電線路過長的時候，就要采取相應的保護措施保護線纜的外絕緣層。

二、產生接地電流的原理

根據以上所提到的，如果選用的高壓線路比較長，那么就可以采用金屬護套來進行交叉互聯，這樣就可以把整個的電纜線路通過人為的方法分成許多個大段，每一個大段又被分為3個平等的小段，在每個小段的連接處裝設接地保護器，再將每一個大段進行并聯，然后再接地。這樣就會使三相電纜對稱排列。理想狀態下，每個小段的金屬護套所產生的感應電流是相同的，這樣一來，大大降低了在大段金屬護套上產生的感應電流。在一些需要轉彎的特殊地段，因為三相電纜無法呈三角形排列，及時對護套進行交叉換位。因為在此過程中產生接地電流比較小，可以忽略不計，并不會對護套造成危害，所以也不會影響到整個高壓電纜的運行。

三、故障分析

1.兩交叉互聯箱接線方式不同

在每個大段電纜中都會有3個小電纜，在這3小段之間，當金屬護交叉換位的時候，因為不同的交叉互聯箱的換位方式是不一樣的，這就使得，在被換位的3個小段的金屬護套中，至少有兩端會產生的感應電流是一樣的方向，甚至還有可能出現三段感應電流的方向都是一樣的，這時，每一個小段的電流無法相互中和，就會導致換位失敗，從而產生較大的接地電流，在電纜金屬護套中將產生電能損耗，從而影響電纜線路輸送容量。

2.電纜接頭的絕緣隔板被擊穿

因為內外界因素的影響，電纜接頭的絕緣隔板會被擊穿，從而使得護套兩端的一小斷直接連接在一起，導致本來應該是三段進行交叉互聯，變成了兩端的交叉互聯，使的無法進行換位作用，所以產生了較多的接地電流。

3.護層保護被擊穿

單芯電纜護層電壓限制器是一種金屬氧化物避雷器，它可以防止電芯電纜的外部護層在沖擊時被電壓損壞。保護器通常情況下是絕緣的，但是如果電纜遭到強雷擊時，保護套就有可能被擊穿，一旦保護套損壞，交叉互聯的三段就會失去一段感應電流，導致交互聯失敗。

4.交叉互聯箱進水

交叉互聯想通常是暴露在外的，受到外界因素的影響可能性很大，如果在下雨天，導致交叉互聯箱被水淹或者進水的情況，那么電纜的金屬護套會通過水流，使的兩端完全接地，此時產生的接地電流非常大。

5.外界破壞因素

暴露在外的交叉互聯箱，不僅會受到自然因素的影響，也會受到一些外界未知力量的破壞，一旦破壞了交叉互聯后，就會影響整個系統，造成極大的安全隱患。

四、建立模型并進行仿真分析

本次試驗模型選擇的是應用比較廣泛的單芯電纜，本次試驗電纜長度為1200m，將其平均分成3個400m的小段，并且使用Bergeron模型來建立。它在建模時使用的是分布參數方法，并且利用了特征線的方法來計算波在線路的過程；再利用梯形積分，來計算線路中的暫態過程。

實驗開始后，分別模擬了在兩個交叉互聯箱內所有可能發生的故障情況，并且對電流的變化進行觀察，搭建了一個交叉互聯模型，來模擬電纜正常運行，如圖1所示。

對已經建立的模型進行仿真，運行仿真軟件，得到以下所示的護套接地電流仿真圖，如圖2所示。

從系統正常運行時的仿真圖可以看出，當系統的交叉互聯穩定運行時，感應電流相互中和，沒有影響。

當一號交叉互聯箱發生單接地時，護套的接地電流在相位上變化不大，只是增大了某些幅值。但是接地箱護套的接地電流變化較大，在幅值和相位上都有很大變化。如圖3和圖4所示。

由仿真圖可以看到，發生故障時，兩相護套的接地電流變化十分明顯，相位和正常運行時候的相位相比也有明顯的不同。當系統出現交叉互聯錯誤時，和護套出現接地故障是不一樣的。但是護套交叉互聯發生連線錯誤時，不能中和每個小段上產生的感應電流，就會被疊加到最終被檢測的接地電流上，所以導致護套的電流幅度增高。

同理，對2號交叉互聯箱進行各種故障的仿真。2號箱在發生交叉互聯箱故障時，和一號箱一樣，電流變化發生了一樣的趨勢，并且也發生了相同的接地電流變化，只是兩者在具體的數值上有些許的不同，如圖5所示。

從上述仿真實驗得出的結果來看，接地電流的實際變化和我們進行的理論分析的結果是相同的，通過分析不同的故障發生時接地電流的特點，發現在發生不同故障時，接地電流也表現出不同的明顯特征，見表1。

結語

隨著中國城鎮化建設的浪潮，高壓電纜在城市建設中的應用越來越廣泛，為保護XLPE高壓電纜絕緣安全，通常采用將金屬護套進行交叉互聯，因此，護套換相成功對系統的穩定安全運行有積極意義。本文提出了基于高壓電纜（110kV-220kV）金屬護套交叉互聯接地系統交叉互聯故障分析，設計了一套故障分析仿真模型，它不需要改動原有的電纜，只要利用高壓電流傳感器就可以，并且還能使系統正常的運行。通過建立一套仿真模型，不斷的進行仿真模擬，觀察在發生不同的故障時，接地電流有什么不一樣的變化，根據不同的變化來分析故障所屬的類型。希望可以為以后的高雅電纜的故障檢測提供一種新的方法和依據，也希望可以幫助我國電網更好地建設，促進我國經濟更好更快的發展。

參考文獻

[1]柴玉華，鞏彥江，楊剛，等.基于高壓電纜（110kV～220kV）金屬護套交叉互聯接地系統交叉互聯故障分析[J].電測與儀表，2016，53（1）：96-100，116.

[2]張鍇.高壓交聯聚乙烯電纜接地電流機理與故障分析[D].天津大學，2011.endprint