一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法及系统与流程

1.本发明涉及高压电力电缆技术领域，更具体地，涉及一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法及系统。


背景技术：

2.随着城市的快速发展，建成区域由城区中心不断向外延伸，110kv及以上架空线路入地需求激增。110kv及以上电缆皆为单芯形式，根据长期的运行经验，接地系统的缺陷会演变为电缆故障，造成不可估量的损失，因此，电缆接地系统越来越受到业界关注，而接地形式的选取和接地环流的检测，也成为110kv及以上电缆设计和运维中的重要工作。
3.现有技术中，在电缆工程设计过程中，当电缆较短，或者在完成交叉互联后的电缆剩余长度不足以再完成一个交叉互联段时，通常采用金属护层单点接地的形式。目前，《gb 50217-2018电力工程电缆设计规范》和《dl/t 5221-2016城市电力电缆线路设计技术规定》中规定，交流系统110kv及以上单芯电缆金属套单点直接接地时，应沿电缆邻近设置平行回流线。回流线的工作原理为：金属护层单点接地的电缆线路在单相短路故障时，短路电流以大地为回路，护层感应电压很高，当感应电压超出护层耐受值时，便会引发击穿。增加回流线后，短路电流通过回流线分流，降低了护层感应电压。回流线降低故障感应电压的效果在理论上是显而易见的，而在工程设计、实施过程中，回流线的设置也是的必选项。然而，回流线只有在故障情况下发挥作用，在系统正常运行时，回流线并无作用，还额外增加了系统损耗，且由于回流线两端接地，不与高压部分直接连接，在实际运行过程中也经常被盗。
4.现有技术1(cn206650184u)“一种单芯电缆护层接地结构”，三相单芯电缆中每根单芯电缆的保护套一端直接接地，另一端连接保护结构后接地，其中，保护结构包括并联的避雷器和电抗器。现有技术1中，电缆线路正常工作状态时，电缆金属护层无环流；当线路出现雷电过电压、操作过电压时，电压超过避雷针阀值时，避雷器导通，电流泄入大地；电抗器的电抗值根据工程的实际情况设定，当电缆线路出现非对称接地故障时，饱和电抗器趋于饱和，电抗值减小，电抗器呈现导通状态，使得故障电流能迅速泄入大地，起到保护电缆外护层绝缘的作用，而此时避雷器不导通。现有技术1取消了回流线的设置，避免了系统损耗和被盗现象，但是每根电缆均需要增加保护设备，加大了工程投入、建设占地以及施工难度。
5.此外，现有技术1给出的接地方式，当电缆线路出现非对称接地故障时，由于没有回流线，使得故障电流全部通过大地通流，如图1所示，故障相金属护层的感应电压u
sa
为：
[0006][0007]
式中，r为接地电阻；rg为单位长度大地电阻，该值极小对感应电压影响不大；l为故障点到接地点距离对应的电缆长度；d为地中电流穿透深度；rs为电缆金属护层半径；id为单相接地故障电流。
[0008]
非故障的两相金属护层感应电压u
sb
和u
sc
分别为：
[0009][0010][0011]
式中，s为单芯电缆之间的距离。
[0012]
通过比较式(4)至(6)可知，故障相感应电压u
sa
最高，而与故障相平行的电缆上，感应电压随电缆间距离的增大而减少，即u
sc
《u
sb
。
[0013]
考虑城市电缆通道的设计结构，可见现有技术1这样的单芯电缆接地方式，虽然取消了回流线，但是无法降低故障相金属护层的感应电压，而且非故障相金属护层感应电压也较高，这对于电缆的安全运行带来极大的隐患。现有技术1中，在正常工况下，电抗器呈现阻性，但由于工频为50hz，导致经电抗器入地的电流仍然存在一定数值，使得护层环流数值仍然较大且不可忽视，此时护层中的感应电压可能会大于电缆金属护层绝缘耐受强度；此外，在过电压工况下，电抗器如果导通，由于电抗器为非理想电感，仍有一定数值的电阻存在，若导通大电流，可能会造成电抗器爆炸，若增大电抗器选型，则会导致设备体积庞大，难以在接地箱中安装。
[0014]
因此，需要高压电力电缆单相护层双端直接接地的方式进行研究，通过取消回流线达到兼顾工程建设成本和施工等诸多因素的同时，还需要以保证非故障相安全运行为更加重要的目标。


技术实现要素：

[0015]
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法及系统，将中间相的两端直接接地，其余两相仍采用一端直接接地、一端保护接地的方式，即将中间相的金属护层作为回流线，不仅节约了回流线和保护器的设备成本，避免了回流线被偷盗的风险；特别是，当两端直接接地的中间相发生故障时，故障相护层感应电压显著降低；而当非两端直接接地的任一相发生故障时，故障相护层感应电压略有降低；本发明提出的接地方式更加适合于平行敷设的电缆回路。
[0016]
本发明采用如下的技术方案。
[0017]
一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法，其中高压电力电缆是三相单芯电缆，将其中一相单芯电缆护层的两端均直接接地；另外两相单芯电缆护层的一端直接接地，另一端连接保护装置后接地；
[0018]
电缆线路出现非对称接地故障时，当故障相单芯电缆护层的一端直接接地、另一端连接保护装置，则接地故障电流一部分以大地为回路，另一部分以两端均直接接地的单芯电缆护层为回路，各相单芯电缆护层中的感应电压不大于电缆金属护层绝缘耐受强度；
[0019]
电缆线路出现非对称接地故障时，当故障相单芯电缆护层的两端均直接接地，故障电流以大地为回路，各相单芯电缆护层中的感应电压不大于电缆金属护层绝缘耐受强度。
[0020]
一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法，包括：
[0021]
步骤1，采集高压电力电缆的工程参数；
[0022]
步骤2，根据工程参数，分别建立高压电力电缆的各相护层接地模型，护层接地模
型包括：护层单端直接接地模型，护层双端直接接地模型；其中，各护层接地模型中均不设置单独的回流线；
[0023]
步骤3，在高压电力电缆正常工作情况下，分别对各相护层接地模型中的护层电流进行仿真计算；利用护层电流和护层感应电压限值，计算护层中的能量损耗限值；
[0024]
步骤4，当高压电力电缆中任一相发生接地故障时，分别对各相护层接地模型的感应电压进行仿真计算；
[0025]
步骤5，当高压电力电缆中任一相发生接地故障时，结合保护动作时限，分别对各相护层接地模型进行热稳定校验；根据热稳定校验结果，确定高压电力电缆护层接地方式。
[0026]
优选地，步骤1中，工程参数包括：电压等级，电缆型号，电缆长度，接地电阻，金属护层半径，金属护层厚度，电缆间距，保护动作时限。
[0027]
优选地，步骤2中，护层单端直接接地模型中，单芯电缆护层的一端直接接地，另一端连接保护装置后接地；
[0028]
护层双端直接接地模型中，单芯电缆护层的两端均直接接地；
[0029]
利用各相护层接地模型构建的高压电力电缆护层接地模型包括：一相采用护层双端直接接地模型，另外两相采用护层单端直接接地模型。
[0030]
优选地，高压电力电缆护层接地模型中，三相单芯电缆采用平行敷设方式时，中间相采用护层双端直接接地模型。
[0031]
优选地，步骤3包括：
[0032]
步骤3.1，在高压电力电缆正常工作情况下，护层单端直接接地模型中不存在护层电流，护层双端直接接地模型中的护层电流满足如下关系式：
[0033][0034]
式中，
[0035]isheath
为双端直接接地模型中的护层电流，
[0036]
为行业标准规定护层感应电压限制，取值为不超过50v，
[0037]rg1
为第一接地电阻，第一接地电阻的阻值由护层第一接地端所在的接地点的土壤电阻率决定，
[0038]rg2
为第二接地电阻，第二接地电阻的阻值由护层第二接地端所在的接地点的土壤电阻率决定，
[0039]rp
为护层电阻，护层电阻的阻值由护层材质的导电率、护层截面积、电缆长度决定；
[0040]
其中，各接地端所在的接地点包括：变电站内，终端杆塔处，电缆沿线的工井内；
[0041]
步骤3.2，护层电流导致的护层中能量损耗限值，满足如下关系式：
[0042][0043]
式中，为护层电流导致的护层中能量损耗限值。
[0044]
优选地，步骤4包括：
[0045]
步骤4.1，当故障相的护层采用单端直接接地，一个非故障相的护层采用单端直接接地，另一个非故障相的护层采用双端直接接地时，故障电流一部分以大地为回路，另一部
分以两端均直接接地的单芯电缆护层为回路，则故障相护层上的感应电压满足如下关系式：
[0046][0047]
式中，
[0048]
id为单相接地故障电流，
[0049]zaa
为故障相电缆护层和故障相电缆芯以大地为故障电流回路时的互阻抗，
[0050]zpa
为故障相电缆护层和两端均直接接地的单芯电缆护层以大地为回路时的互阻抗，
[0051]
r1为电源端接地电阻，
[0052]
r2为故障处过渡电阻，
[0053]
rg为大地电阻，由土壤电阻率决定；
[0054]
步骤4.2，当故障相的护层采用双端直接接地，两个非故障相的护层均采用单端直接接地，故障电流以大地为回路，则故障相护层上的感应电压满足如下关系式：
[0055][0056]
式中，
[0057]zpp
为两端均直接接地的电缆护层的自阻抗。
[0058]
优选地，步骤4中，
[0059]zaa
满足如下关系式：
[0060][0061]zpa
满足如下关系式：
[0062][0063]zpp
满足如下关系式：
[0064][0065]
上述式中，
[0066]
l为故障点到接地点距离对应的电缆长度，
[0067]
d为地中电流穿透深度，
[0068]
da为两端均直接接地的单芯电缆护层与故障相护层的间距，
[0069]rs
为电缆金属护层半径，
[0070]rp
为护层电阻。
[0071]
优选地，步骤5包括：
[0072]
步骤5.1，根据接地故障主保护时限确定的短路持续时间t，设计考虑系统电源供给短路过流i，以如下关系式计算双端直接接地相护层发热量q：
[0073]
q＝i2·
t
……
(1)
[0074]
步骤5.2，根据电缆型号和电缆规格计算热稳定校验系数c，满足如下关系式：
[0075][0076][0077]
式中，
[0078]
j为热功当量系数，
[0079]
q为电缆导体的单位体积热容量，
[0080]
θm为短路作用时间内电缆导体允许的最高温度，
[0081]
θ
p
为短路发生前电缆导体最高工作温度，
[0082]
α为20℃时电缆导体的电阻温度系数，
[0083]
ρ为20℃时电缆导体的电阻系数，
[0084]
k为缆芯导体的交流电阻与直流电阻比值，
[0085]
s为金属护层有效截面，
[0086]
η为计入包含电缆导体填充物热容影响的校正系数；
[0087]
步骤5.3，联立公式(1)至(3)，对短路故障下，双端直接接地相金属护层温升进行核算；
[0088]
步骤5.4，将护层温升的核算结果，与电缆外护层可承受温度进行比较，若双端直接接地相金属护层温升小于外护层可承受温度，则可采用该种接地方式；否则，对接地方式进行调整后，重复步骤5.1至5.3。
[0089]
优选地，步骤5.2中，对于短路持续时间的整定过程包括：
[0090]
步骤5.2.1，采集接地故障主保护中零序阻抗保护的各段保护动作时限以及零序过流保护的各段保护动作时限；
[0091]
步骤5.2.2，以四段零序过流保护动作且三段零序阻抗保护未动作之间的时间为短路持续时间。
[0092]
一种高压电力电缆单相护层双端直接接地系统，所述系统包括：第一接地装置和第二接地装置，三相单芯电缆的一端均通过第一接地装置接地，三相单芯电缆的另一端均通过第二接地装置接地；
[0093]
三相单芯电缆的一端通过第一接地装置实现三相均直接接地；
[0094]
三相单芯电缆的另一端通过第二接地装置实现，其中一相单芯电缆护层的直接接地；另外两相单芯电缆护层连接保护装置后接地。
[0095]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：本发明提出的接地方式，降低了故障工况下电缆护层感应电压，减少了回流线及一只保护器的使用，降低了工程建设成本及回流线布置时间。
附图说明
[0096]
图1是现有技术1中的接地方式下的等效电路图；
[0097]
图2是本发明一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法的步骤框图；
[0098]
图3是本发明一实施例中高压电力电缆单相护层双端直接接地系统的示意图；
[0099]
图3中附图标记说明如下：
[0100]
1a-高压电力电缆a相；1b-高压电力电缆b相；1c-高压电力电缆c相；
[0101]
2-高压电力电缆a相另一端保护装置；3-高压电力电缆c相另一端保护装置。
具体实施方式
[0102]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0103]
一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法，其中高压电力电缆是三相单芯电缆，将其中一相单芯电缆护层的两端均直接接地；另外两相单芯电缆护层的一端直接接地，另一端连接保护装置后接地；
[0104]
电缆线路出现非对称接地故障时，当故障相单芯电缆护层的一端直接接地、另一端连接保护装置，则接地故障电流一部分以大地为回路，另一部分以两端均直接接地的单芯电缆护层为回路，各相单芯电缆护层中的感应电压不大于电缆金属护层绝缘耐受强度；
[0105]
电缆线路出现非对称接地故障时，当故障相单芯电缆护层的两端均直接接地，故障电流以大地为回路，各相单芯电缆护层中的感应电压不大于电缆金属护层绝缘耐受强度。
[0106]
根据q/gdw 11316—2014《电力电缆线路试验规程》规定，电缆外护套应能承受直流电压10kv而不击穿，即电缆金属护层绝缘耐受强度为10kv。
[0107]
如图2，一种高压电力电缆单相护层双端直接接地方法，包括步骤1至6。
[0108]
步骤1，采集高压电力电缆的工程参数。
[0109]
具体地，步骤1中，工程参数包括：电压等级，电缆型号，电缆长度，接地电阻，金属护层半径，金属护层厚度，电缆间距，保护动作时限。
[0110]
步骤2，根据工程参数，分别建立高压电力电缆的各相护层接地模型，护层接地模型包括：护层单端直接接地模型，护层双端直接接地模型；其中，各护层接地模型中均不设置单独的回流线。
[0111]
具体地，步骤2中，护层单端直接接地模型中，单芯电缆护层的一端直接接地，另一端连接保护装置后接地；
[0112]
护层双端直接接地模型中，单芯电缆护层的两端均直接接地；
[0113]
利用各相护层接地模型构建的高压电力电缆护层接地模型包括：一相采用护层双端直接接地模型，另外两相采用护层单端直接接地模型。
[0114]
具体地，高压电力电缆护层接地模型中，三相单芯电缆采用平行敷设方式时，中间相采用护层双端直接接地模型。
[0115]
步骤3，在高压电力电缆正常工作情况下，分别对各相护层接地模型中的护层电流进行仿真计算；利用护层电流和护层感应电压限值，计算护层中的能量损耗限值。
[0116]
具体地，步骤3包括：
[0117]
步骤3.1，在高压电力电缆正常工作情况下，护层单端直接接地模型中不存在护层电流，护层双端直接接地模型中的护层电流满足如下关系式：
[0118][0119]
式中，
[0120]isheath
为双端直接接地模型中的护层电流，
[0121]
为行业标准规定护层感应电压限制，取值为不超过50v，
[0122]rg1
为第一接地电阻，第一接地电阻的阻值由护层第一接地端所在的接地点的土壤电阻率决定，
[0123]rg2
为第二接地电阻，第二接地电阻的阻值由护层第二接地端所在的接地点的土壤电阻率决定，
[0124]rp
为护层电阻，护层电阻的阻值由护层材质的导电率、护层截面积、电缆长度决定；
[0125]
其中，各接地端所在的接地点包括：变电站内，终端杆塔处，电缆沿线的工井内；
[0126]
在被限制在50v的情况下，第一接地端在变电站内或终端杆塔处，则r
g1
小于1ω，第二接地端在电缆沿线的工井内，环境较差，r
g2
在4ω以内，据此估算，护层电流i
sheath
应在10a左右。
[0127]
步骤3.2，护层电流导致的护层中能量损耗限值，满足如下关系式：
[0128][0129]
式中，为护层电流导致的护层中能量损耗限值。
[0130]
步骤4，当高压电力电缆中任一相发生接地故障时，分别对各相护层接地模型的感应电压进行仿真计算。
[0131]
具体地，步骤4包括：
[0132]
步骤4.1，当故障相的护层采用单端直接接地，一个非故障相的护层采用单端直接接地，另一个非故障相的护层采用双端直接接地时，故障电流一部分以大地为回路，另一部分以两端均直接接地的单芯电缆护层为回路，则故障相护层上的感应电压满足如下关系式：
[0133][0134]
式中，
[0135]
id为单相接地故障电流，
[0136]zaa
为故障相电缆护层和故障相电缆芯以大地为故障电流回路时的互阻抗，
[0137]zpa
为故障相电缆护层和两端均直接接地的单芯电缆护层以大地为回路时的互阻抗，
[0138]
r1为电源端接地电阻，
[0139]
r2为故障处过渡电阻，
[0140]
rg为大地电阻，由土壤电阻率决定；
[0141]
步骤4.2，当故障相的护层采用双端直接接地，两个非故障相的护层均采用单端直接接地，故障电流以大地为回路，则故障相护层上的感应电压满足如下关系式：
[0142][0143]
式中，
[0144]zpp
为两端均直接接地的电缆护层的自阻抗。
[0145]
当双端接地相发生故障时，本文提出的接地方式对故障相护层感应电压的降低效果优于“三七开”方式布置回流线时的降压效果；而当非双端接地相发生故障时，本文提出的接地方式对故障相护层感应电压的降低效果劣于“三七开”方式布置回流线时的降压效果；对于平行敷设的电缆回路，应在中间相进行双端接地并进行感应电压的计算。
[0146]
具体地，步骤4中，
[0147]zaa
满足如下关系式：
[0148][0149]zpa
满足如下关系式：
[0150][0151]zpp
满足如下关系式：
[0152][0153]
上述式中，
[0154]
l为故障点到接地点距离对应的电缆长度，
[0155]
d为地中电流穿透深度，
[0156]
da为两端均直接接地的单芯电缆护层与故障相护层的间距，
[0157]rs
为电缆金属护层半径，
[0158]rp
为护层电阻。
[0159]
本发明优选实施例中，在pscad中搭建电缆及接地系统模型，其中电缆采用频变模型，电压等级110kv，长度500米。对于故障情况，于电缆线路400米处a相设置过渡电阻为5ω的单相接地故障，故障触发时刻为1s，持续时间0.5s。三相一端直接接地、一端保护接地方式下，a相发生接地故障后的护层感应电压，有效值为4.05kv；单相双端接地系统中，a相发生接地故障后的护层感应电压，有效值为2.65kv，感应电压降低35％，能够显著降低故障感应电压。
[0160]
步骤5，当高压电力电缆中任一相发生接地故障时，结合保护动作时限，分别对各相护层接地模型进行热稳定校验；根据热稳定校验结果，确定高压电力电缆护层接地方式。
[0161]
根据ieee std 635-2003标准，金属护层必须能够承受短路电流幅值和持续时间，且保证金属护层内侧缓冲层、外侧护层不被损坏。此外，由于双端接地相铝护层中流过故障电流，需要对该相铝护层进行热稳定校验。本发明优选实施例中，热稳定校验根据《电力工程电缆设计规范》gb/t50217开展：
[0162]
具体地，步骤5包括：
[0163]
步骤5.1，根据接地故障主保护时限确定的短路持续时间t，设计考虑系统电源供
给短路过流i，以如下关系式计算双端直接接地相护层发热量q：
[0164]
q＝i2·
t
……
(1)
[0165]
步骤5.2，根据电缆型号和电缆规格计算热稳定校验系数c，满足如下关系式：
[0166][0167][0168]
式中，
[0169]
j为热功当量系数，可取值为j＝1；
[0170]
q为电缆导体的单位体积热容量，铝芯电缆取2.48；
[0171]
θm为短路作用时间内电缆导体允许的最高温度；
[0172]
θ
p
为短路发生前电缆导体最高工作温度；
[0173]
α为20℃时电缆导体的电阻温度系数，铝芯电缆为0.00403；
[0174]
ρ为20℃时电缆导体的电阻系数，铝芯电缆为0.031
×
10-4
；
[0175]
k为缆芯导体的交流电阻与直流电阻比值，取值为1.010；
[0176]
s为金属护层有效截面，
[0177]
η为计入包含电缆导体填充物热容影响的校正系数，对于110kv线路，可取值为η＝1；
[0178]
步骤5.3，联立式(1)至(3)，对短路故障下，双端直接接地相金属护层温升进行核算；
[0179]
步骤5.4，将护层温升的核算结果，与电缆外护层可承受温度进行比较，若双端直接接地相金属护层温升小于外护层可承受温度，则可采用该种接地方式；否则，对接地方式进行调整后，重复步骤5.1至5.3。
[0180]
优选地，步骤5.2中，对于短路持续时间的整定过程包括：
[0181]
步骤5.2.1，采集接地故障主保护中零序阻抗保护的各段保护动作时限以及零序过流保护的各段保护动作时限；
[0182]
步骤5.2.2，以四段零序过流保护动作且三段零序阻抗保护未动作之间的时间为短路持续时间。
[0183]
本发明优选实施例中，考虑到110kv线路接地故障主保护为零序阻抗保护和零序过流保护：零序阻抗保护的后备三段保护动作时限为2s；零序过流保护的后备四段的动作时限为0.9s。考虑到若是四段零序过流保护在0.9s时未动作，而是三段零序阻抗保护在2.0s动作，则说明故障过渡电阻较高，短路过流较小，此时铝护层必然能够承受故障过流引起的发热，故本文进行热稳定校验时，将故障持续时间设定在四段零序过流保护动作时限，即：短路过流有效值设定为40ka，持续时间1.0s：则式(1)满足如下关系式：
[0184]
q＝i2·
t＝1.6
×
109j
……
(7)
[0185]
以某110千伏700mm2电缆为例，铝护层内径42.7mm，外径44.9mm，则铝护层截面积为605mm2。联立式(1)和式(3)可知，铝护层在1s的故障持续时间中，温度可由40℃升高为106℃，由于铝护层外层聚乙烯护层软化温度在125℃-135℃，故不会在1s的故障持续中损
坏。
[0186]
如图3，一种高压电力电缆单相护层双端直接接地系统，其中高压电力电缆是包括高压电力电缆a相1a、高压电力电缆b相1b、高压电力电缆c相1c；所述系统包括：第一接地装置和第二接地装置，三相单芯电缆的一端均通过第一接地装置接地，三相单芯电缆的另一端均通过第二接地装置接地；
[0187]
三相单芯电缆的一端通过第一接地装置实现三相均直接接地。
[0188]
三相单芯电缆的另一端通过第二接地装置实现，其中一相单芯电缆护层直接接地；另外两相单芯电缆护层连接保护装置后接地。第二接地装置包括：高压电力电缆a相另一端保护装置2、高压电力电缆c相另一端保护装置3。
[0189]
本发明优选实施例中选择将中间相两端直接接地，其余两相仍采用一端直接接地、一端保护接地的方式，即将中间相的金属护层作为回流线，不仅节约了回流线和保护器的设备成本，更避免了回流线被偷盗的风险，一段600米左右的电缆，若配备等长240mm2铜芯回流线，其工程上预算大概在10万元-20万元之间，因此本发明提出的接地方式具有更为明显的经济优势。
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本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。