随桥电缆-架空混合线路的电缆护套过电压特性仿真分析

裘立峰,杜振东,周文俊,徐星,陈向荣

(1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司,杭州 310000;2.浙江大学 电气工程学院 浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室,杭州 310027)

0 引 言

随着“全球能源互联网”战略的提出以及海洋能源工程的迅猛发展,跨海输电系统的建设已成为我国未来电力系统发展的重点[1]。随桥电缆-架空混合线路相比于海底电缆-架空混合线路具有更高的经济性和运行维护可靠性,已成为跨海输电系统的优先选择。由于随桥电缆线路和架空线的电气参数存在较大差异,暂态故障下随桥电缆-架空混合线路的过电压现象比纯架空线或纯电缆线路更加复杂,危及电缆绝缘,严重时甚至造成输电线路的永久性故障[2]。因此,有必要对随桥电缆-架空混合线路的过电压特性开展研究。

目前,针对电缆-架空混合线路的过电压特性,国内外开展了广泛的研究。文献[3]针对高压直流输电系统,对陆缆-架空混合线路中的雷电暂态过电压进行了研究,确定了电缆的最大雷电冲击耐受水平。文献[4]重点研究了雷电故障下陆缆-架空混合线路中的绝缘子闪络性能,基于快速前端模型对其进行了仿真。文献[5]基于统计分析方法,研究了陆缆-架空混合线路在不同系统参数下的合闸过电压特性。文献[6]基于模域回路理论,研究了配网电缆-架空线混合线路中不同线路拓扑下重合闸过电压幅值和主导频率的变化规律。文献[7]以多端柔性直流输电系统中的电缆-架空混合线路为研究对象,仿真计算了电缆的雷电冲击过电压耐受值,提出了电缆系统的避雷器配置方案。文献[8]针对500 kV海南联网工程,对架空线遭受雷击时海底电缆的过电压水平进行了计算分析,确定了海底电缆的雷电耐受电压值。文献[9]针对舟山500 kV联网工程的海缆-架空混合输电线路,分析了电缆两端和中间接地体的建模问题,并计算了海缆外护套上的暂态过电压分布。但是,上述研究主要针对陆缆和海缆的混合线路,而对于随桥电缆-架空混合线路的相关研究还较少,亟需开展相关的研究工作。

文中以浙江舟岱大桥220 kV随桥电缆工程为研究对象,分析了大桥钢平台的建模问题,基于PSCAD/EMTDC暂态仿真软件建立了随桥电缆-架空混合线路的仿真模型,对雷击故障和操作故障下随桥电缆金属护套的过电压特性进行了仿真分析。

1 随桥电缆输电系统仿真模型建立

1.1 输电系统结构和线路参数

文中以目前正在建设的浙江舟岱大桥220 kV随桥电缆工程为研究对象,输电系统的结构如图1所示。其中,舟山变电站和鱼东变电站之间通过双回电缆-架空混合线路进行电能传输。混合线路两侧的架空线路段长为20 km,采用6分裂LGJ-400/35钢芯铝绞线,架空线路杆塔为猫头型结构。电缆与架空线路连接处采用Y10W-200/520型号的避雷器,电缆护层保护器采用BHQ-10/600型保护器。

图1 输电系统结构

电缆-架空混合线路的中间随桥电缆段长为16 347 m,选用127/220 kV-YJLW03型电缆,其结构如图2所示。电缆敷设于大桥的钢平台之上,每回三相电缆之间采取水平布置,各相电缆之间的距离为0.35 m。

图2 随桥电缆结构

为了抑制电缆接地电流对大桥钢管桩结构的腐蚀作用,大桥建设管理单位规定随桥接地装置只能在大桥钻孔灌注桩位置或者大桥登陆位置引下接地。结合舟岱大桥的分段结构,随桥电缆拟采用的接地方式如图3所示：南侧登陆段、南通航孔桥段和北通航孔桥段电缆金属护套采取单端接地;北侧登陆段电缆金属护套采取两段单端接地;4 970 m中间混凝土箱梁段首尾685 m段采用护套单端接地,中部电缆护套采用两段交叉互联接地,一个交叉互联单元为600 m;主通航孔桥段电缆护套采用一段交叉互联接地,一个交叉互联单元为543 m;6 580 m中间混凝土箱梁段首尾590 m段采用护套单端接地,中部电缆护套采用三段交叉互联接地,一个交叉互联单元为600 m;大桥的钢平台作为回流导体。

图3 随桥电缆接地示意图

1.2 钢平台模型

大桥钢平台的结构如图4所示。

图4 钢平台结构

由于电磁感应效应主要集中于纵向的平行导体之间,故可忽略横向导体的影响,大桥钢平台可以等效为11根与电缆平行的接地扁钢,其横截面为50 mm×5 mm的矩形,各接地扁钢之间的距离为0.2 m。根据泄露电流沿扁钢横截面均匀分布,文献[10]借助平均电位法得到扁钢的等值半径计算公式如下：

(1)

式中R为扁钢的等值半径,单位为m;a为扁钢横截面矩形长边的长度,单位为m;e为自然对数的底数。

根据式(1),大桥钢平台可以等效为11根半径为11 mm的圆钢。最终形成的随桥电缆系统结构如图5所示。其中,电缆位于钢平台上方0.25 m处,钢平台位于大地上方20 m处。

图5 随桥电缆系统结构

1.3 雷电流模型

目前被广泛使用的雷电流模型为双指数模型,其表达式简单,易于计算,但模型中的关键参数没有明确的物理意义。而雷电流的Heidler模型包含峰值电流和波头波尾时间等多个参数,物理意义明确,能更加准确的反映雷电流的特征[11]。文中采用Hodler模型模拟雷电流。雷电流大小满足：

(2)

式中Im为峰值电流,单位为kA;τ1为波头时间常数,单位为μs;τ2为波尾时间常数,单位为μs;k为波峰修正系数。

据统计,输电线路遭受的雷击中负极性雷约占75%～90%,故文中仿真模型采用负极性雷电流。按照我国防雷设计标准,τ1取为2.6 μs,τ2取为50 μs。

1.4 绝缘子和杆塔模型

根据我国现行规程,绝缘子发生闪络时两端电压峰值为U50%。仿真模型中采用相交法模拟绝缘子闪络现象,即绝缘子两端的电压曲线与其伏秒特性曲线的交点为闪络点。绝缘子的伏秒特性曲线由IEEE提出的式(3)得到：

(3)

式中t为闪络时间,单位为μs;Lin为绝缘子有效长度,单位为m。

目前通常采用集中电感、单波阻抗和多波阻抗三种模型模拟架空线路杆塔内雷电波的传播特性[11]。其中,集中电感模型简单,便于计算,但忽略了杆塔的波过程;单波阻抗模型的计算精度较高,但没有考虑横担支柱的影响;而多波阻抗模型则能够全面真实的反映波在杆塔中的传播情况。文中采用Hara无损多波阻抗模型,其结构如图6所示。

图6 杆塔的多波阻抗模型

2 随桥电缆金属护套雷击过电压仿真分析

随桥电缆-架空线输电系统中,雷电虽然无法直接击中随桥电缆,但当架空线路遭受雷击时,雷电波便会经由架空线路传播至随桥电缆。由于架空线路和随桥电缆之间的波阻抗差异,雷电波会发生复杂的折反射现象并在电缆金属护套中形成严重的过电压,危及电缆绝缘和设备安全。本节基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立舟岱大桥220 kV随桥电缆-架空线输电模型,对反击雷和绕击雷两种情况下的随桥电缆金属护套雷击过电压进行仿真分析。

2.1 反击雷过电压

当雷击架空线路杆塔时,由于杆塔存在阻抗,雷电流经由杆塔入地会导致横担电位急剧攀升,使得绝缘子两端电压超过其绝缘耐受强度并造成击穿,最终形成雷电反击过电压。根据国家相关标准《绝缘配合第2部分：使用导则》,仿真模型中反击雷的电流幅值取为-180 kA,反击雷的波阻抗取为300 Ω,在随桥电缆的首端和末端各建立5个杆塔模型,杆塔之间的档距为400 m。架空线路杆塔的接地电阻为15 Ω时,不同故障距离下随桥电缆金属护套的反击过电压分布如图7所示,其中图7(a)为雷击于随桥电缆首端架空线路杆塔的仿真结果,图7(b)为雷击于随桥电缆末端架空线路杆塔的仿真结果。

图7 不同故障距离下护套的反击雷过电压

由图7(a)可以得到,雷击于随桥电缆首端的架空线路杆塔时,随桥电缆金属护套的反击雷过电压幅值随故障距离减小呈现升高的趋势,在故障距离为400 m时护套的反击雷过电压幅值最高;故障距离为2 000 m、1 600 m和1 200 m时护套的反击雷过电压幅值相差不大,在故障距离为800 m和400 m时护套的反击雷过电压幅值才有较明显的上升;不同故障距离下,随桥电缆金属护套的反击雷过电压幅值在交叉互联接地处相差较大,在单端接地处相差较小;不同故障距离下,在雷电波入射端的随桥电缆金属护套反击雷过电压更严重,其幅值最高可以达到44.9 kV。由图7(b)可知,雷击于随桥电缆末端的架空线路杆塔时,随桥电缆金属护套的反击雷过电压分布规律与雷击于首端架空线路杆塔相似,但入射端的金属护套反击雷过电压幅值更低,最高可以达到26.4 kV。

雷击于随桥电缆末端的架空线路杆塔,故障距离为2 000 m时,不同杆塔接地电阻下的随桥电缆金属护套的反击雷过电压分布如图8所示。从图8可以得到,随桥电缆金属护套的反击雷过电压幅值随杆塔的接地电阻的增大呈现升高的趋势,在杆塔的接地电阻为15 Ω时护套的反击雷过电压幅值最高;不同杆塔接地电阻下,随桥电缆的首端和末端的护套反击雷过电压差异较大,在随桥电缆的中部护套反击雷过电压差异较小;不同杆塔接地电阻下,在雷电波入射端的随桥电缆金属护套反击雷过电压更严重,其幅值最高可以达到17.7 kV。

图8 不同杆塔接地电阻下护套的反击雷过电压

2.2 绕击雷过电压

雷电流除了击中杆塔造成反击雷过电压之外,也会绕过避雷线直击输电导线,最终形成绕击雷过电压。仿真模型中绕击雷的电流幅值取为-30 kA,绕击雷的波阻抗取为800 Ω,在随桥电缆的首端和末端各建立5个杆塔模型,杆塔之间的档距为400 m。架空线路杆塔的接地电阻为15 Ω时,不同故障距离下随桥电缆金属护套的绕击雷过电压分布如图9所示,其中图9(a)为雷击于随桥电缆首端架空线路的仿真结果,图9(b)为雷击于随桥电缆末端架空线路的仿真结果。

图9 不同故障距离下护套的绕击雷过电压

由图9(a)可以得到,雷击于随桥电缆首端的架空线路时,随桥电缆金属护套的绕击雷过电压幅值随故障距离减小呈现升高的趋势,在故障距离为400 m时护套的绕击雷过电压幅值最高;故障距离为2 000 m、1 600 m、1 200 m和800 m时护套的绕击雷过电压幅值相差不大,故障距离为400 m时护套的绕击雷过电压幅值才有较明显的上升;不同故障距离下,在雷电波入射端的随桥电缆金属护套绕击雷过电压更严重,其幅值最高可以达到46.4 kV。由图9(b)可知,雷击于随桥电缆末端的架空线路时,随桥电缆金属护套的绕击雷过电压分布规律与雷击于首端架空线路相似,但入射端的金属护套绕击雷过电压幅值稍低,最高可以达到38.5 kV。

雷击于随桥电缆末端的架空线路,故障距离为2 000 m时,不同杆塔接地电阻下的随桥电缆金属护套的绕击雷过电压分布如图10所示。从图10可以得到,随桥电缆金属护套的绕击雷过电压幅值随杆塔的接地电阻的增大呈现升高的趋势,在杆塔的接地电阻为15 Ω时护套的绕击雷过电压幅值最高;不同杆塔接地电阻下,在雷电波入射端的随桥电缆金属护套绕击雷过电压更严重,其幅值最高可以达到13.0 kV。

图10 不同杆塔接地电阻下护套的绕击雷过电压

3 随桥电缆金属护套操作过电压仿真分析

随桥电缆-架空线输电系统中,当故障或操作使得系统的运行状况发生变化时,电感元件与电容元件之间的电磁能量转换会引发振荡性的过渡过程并在系统内部形成操作过电压。本节基于舟岱大桥220 kV随桥电缆-架空线输电系统模型,对单相接地故障和非全相操作故障两种情况下的随桥电缆金属护套操作过电压进行仿真分析。

3.1 单相接地过电压

架空线路单向接地故障是最常见的故障,在发生单向接地故障时,架空线路产生的过电压波侵入电缆线路并发生折反射,最终导致电缆护套中产生较高过电压。仿真模型中,在架空线路的A相设置单相接地故障。接地相角为90° 时,不同接地故障距离下随桥电缆金属护套的单相接地过电压分布如图11所示,其中图11(a)为单相接地故障发生于随桥电缆首端架空线路的仿真结果,图11(b)为单相接地故障发生于随桥电缆末端架空线路的仿真结果。

图11 不同故障距离下护套的单相接地过电压

由图11(a)可知,单相接地故障发生于随桥电缆首端的架空线路时,随桥电缆金属护套的单相接地过电压幅值随接地故障距离的减小呈现升高的趋势,在接地故障距离为20 km时护套的单相接地过电压幅值最高;不同接地故障距离下,电缆金属护套的单相接地过电压峰值总是出现在交叉互联接头处,最高可以达到13.5 kV。由图11(b)可知,单相接地故障发生于随桥电缆末端的架空线路时,随桥电缆金属护套的单相接地过电压分布规律与单相接地故障发生于首端架空线路相似,但交叉互联接头处的金属护套单相接地过电压幅值更高,最高可以达到15.9 kV。

单相接地故障发生于随桥电缆末端的架空线路,接地故障距离为10 km时,不同接地相角下随桥电缆护套的单相接地过电压分布如图12所示。由图12可知,随桥电缆护套的单相接地过电压幅值随接地相角的增大呈现升高的趋势,在接地相角为90° 时电缆护套的单相接地过电压幅值最高,最高达到15.9 kV。这是因为接地相角为90° 时,线路相电压由峰值降为零所产生的电压振荡波最严重。

图12 不同接地相角下护套的单相接地过电压

单相接地故障分别发生于随桥电缆首端和末端,接地电阻为0.1 Ω时,随桥电缆金属护套的单相接地过电压分布如图13所示。由图13可知,单相接地故障发生于电缆首端和末端时,电缆金属护套的单相接地过电压随距离的变化趋势基本一致,在交叉互联接头处过电压幅值较高,在单端接地处过电压幅值较低;与电缆末端故障的护套过电压相比,单相接地故障发生于电缆首端的护套过电压幅值更高,最大值可以达到13.6 kV。

图13 不同接地点下护套的单相接地过电压

单相接地故障分别发生于随桥电缆末端时,不同接地电阻下随桥电缆金属护套的单相接地过电压分布如图14所示。

图14 不同接地电阻下护套的单相接地过电压

由图14可知,随桥电缆金属护套的单相接地过电压幅值随接地电阻的增大呈现升高的趋势;电缆金属护套的单相接地过电压峰值总是出现在交叉互联接头处,最高可以达到15.1 kV。

3.2 非全相操作过电压

输电系统三相线路非全相运行时,系统的对称性被打破,线路电压电流的不平衡导致非全相操作过电压的产生。仿真模型中,在架空线路的A相设置断线故障。不同断线故障距离下随桥电缆金属护套的非全相操作过电压分布如图15所示,其中图15(a)为断线故障发生于随桥电缆首端架空线路的仿真结果,图15(b)为断线故障发生于随桥电缆末端架空线路的仿真结果。

图15 不同故障距离下护套的单相断线过电压

由图15(a)可知,断线故障发生于随桥电缆首端的架空线路时,断线故障距离对随桥电缆金属护套的非全相操作过电压幅值影响不大;不同断线故障距离下,电缆金属护套的单相接地过电压峰值总是出现在交叉互联接头处,最高可以达到12.3 kV。由图15(b)可知,断线故障发生于随桥电缆末端的架空线路时,护套的非全相操作过电压分布规律与故障发生于首端架空线路相似,但交叉互联接头处的金属护套单相接地过电压幅值更高,最高可以达到14.2 kV。

断线故障发生于随桥电缆首端架空线路,故障距离为10 km时,单相断线和双相断线故障下随桥电缆金属护套的非全相操作过电压分布如图16所示。

图16 护套的单相和两相断线过电压

由图16可知,相同故障距离下,相比于单相断线故障而言,两相断线故障导致的非全相操作过电压更加严重,其幅值最高可以达到14.1 kV;两种故障情况下护套非全相操作过电压差异主要集中在电缆交叉互联接地段,最大差值达到3.1 kV。

4 结束语

文中以浙江舟岱大桥220 kV随桥电缆工程为研究对象,基于PSCAD/EMTDC暂态仿真软件建立了随桥电缆-架空混合线路的仿真模型,对雷击故障和操作故障下随桥电缆金属护套的过电压特性进行了仿真分析,得到的结论如下：

(1)雷击故障下,电缆护套的过电压幅值随故障距离的减小而增大,随杆塔接地电阻的增大而增大;雷击电缆首端架空线路时,电缆护套的过电压更严重,其幅值最高可以达到46.4 kV;

(2)单相接地发生于架空线路时,电缆护套的过电压幅值随故障距离的减小而增大,接地相角为90° 时护套的过电压最严重,且峰值总出现在电缆交叉互联接地处,最高可以达到15.9 kV;单相接地发生于电缆线路时,护套的过电压幅值随接地电阻的增大而增大,电缆首端发生单相接地,护套的过电压更严重;

(3)非全相操作故障下,电缆护套的过电压幅值受故障距离的影响不大,单相断线发生于电缆末端时护套的过电压更严重,其幅值最高可以达到14.2 kV;两相断线故障的护套过电压比单相断线故障的护套过电压更严重,其差值最高可以达到3.1 kV。