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高壓電纜環流抑制器設計及應用

電纜環流監測裝置 2019-12-31 技術論文 595 ℃ 0 評論

摘要:本文分析了高壓電纜金屬套接地電流偏大的主要原因,提出在交叉互聯或直接接地串接抑制器可有效限流,也能保證系統正常運行。結合實際線路,建立混合敷設方式下多回路電纜電路模型,通過仿真為抑制器設計提供理論依據。結合科堯鋁五線設計抑制器參數和現場改造接地箱。抑制器經第三方短路電流沖擊驗證試驗,設計產品在兩條110 kV線路試用,測試結果表明增加抑制器可有效限制護層環流在運行電流2%以下。王珂,郭劍(廣西電網公司南寧供電局,南寧530031)
關鍵詞:高壓電纜;護層環流;抑制器;工藝設計引言
高壓電纜以其占地少、敷設方便、人身安全保障、供電可靠性高、維護工作量少等優點在高壓輸變電網絡中得到了廣泛應用。為滿足高壓電纜現行規程GB 50217--20074電力工程電纜設計規范》規定,長距離高壓單芯電纜線路需滿足金屬護層的正常感應電勢(E。)不超過限制值(球300 V),國內外廣泛采取交叉互聯接地方式。通常高壓電纜采用混合敷設方式。除了電纜敷設于隧道外,在其它一般敷設方式下接頭需裝設工井中,而工井的位置選擇往往受地理環境制約,很難保證每一交叉互聯單元內3區段電纜長度均等,因而運行中電纜金屬套會出現環流;當3個區段不等長顯著時,該單元環流值將很大。此外臨近回路的干擾也是引起環流的主要原因。過大的環流將會使電纜金屬護層電能損耗加大,不僅增加長年運行的經濟成本,還會降低電纜載流量,或引起過熱而使絕緣老化加速等,因此必須考慮應對金屬套環流問題。

 圖1為某地區一電纜系統線路示意圖,中間交叉互聯,兩端直接接地。含有A、B、c三相,一端為戶外終端,另一端為GIS,共有L1、L2和L3三段。
圖2為線路每段電纜長度和接地電流值,從圖l中可以看出,三段電纜長度不等,最長411 m,最短358 m,最大護層環流98.3 A,而運行電流290A,占運行電流的34%。為解決圖1線路電纜護層環流過大的問題,采用圖3方式對線路進行改造,由原來三小段交叉互聯兩端接地方式改為一端接地和另一端經避雷保護器接地。該線路改造后接地電流小于5 A,電纜護層保護器對地感應電壓小于50 V,滿足高壓電纜設計規范要求。
然而,改造后的線路卻出現了保護器爆裂的問題H。通過計算分析,找到護層避雷保護器損壞原因。由高壓電纜護層過電壓計算公式可知,當高壓電纜一個交叉互聯大段采用一端直接接地另一端通過避雷保護器接地時,在該段電纜所在電網發生系統單相接地故障瞬間,該段電纜外護套感應電壓約10.03~14.56 kV,遠大于通流容量對應電壓6.93 kV,流經保護器的電流(半峰值持續時間約4.~5.7 ms)約為通流容量的4.2~11.6倍,故在電網發生單相短路故障瞬間易引起護層避雷保護器燒毀問題。
1.2國外接地電流抑制方法
英國和韓國研究在高壓電纜一大段交叉互聯內串接扼流圈,以減小該交叉互聯大段電纜外護套接地環流,通過實際應用,效果明顯。韓國有2回154 kV高壓單芯充油電纜,線路全長6323 1"11,包含6個交叉互聯大段,也存在個別交叉互聯大段中的3個小段長度相差較大,最大接地電流近100A。采用電感值為2.65 mH的扼流圈,串接在交叉互聯回路內。根據電磁暫態過程利用交流暫態分析軟件,建立電纜線路分布參數模型,通過計算可知在交叉互聯回路內串接扼流圈可減小該段電纜護層接地環流約為85%。
2建立電路模型仿真分析抑制器參數
詳細記錄某線路電纜參數信息,包括每一小段電纜長度、敷設方式、每個交叉互聯和直接接地電纜護層環流、每小段感應電壓,以及線路負荷電流。由現場收集的電纜參數信息,建立電路模型。
仿真計算每一段電纜護層接地環流情況,和實際測試結果進行對比,驗證電路模型的正確性,從理論上驗證了引起電纜環流大的原因。仿真計算結果表明在一大段交叉互聯大段的交叉互聯處加裝環流抑制器,或在一大段交叉互聯大段的直接接地處加裝環流抑制器,兩種接線方式如圖4所示(直接接地的中間接頭必須如圖4(b)的絕緣接頭),兩種方式都能有效抑制電纜護層環流過大的問題。通過仿真也可得出如下結論:在回路加裝抑制器的電感感抗)越大,對電纜護層環流抑制效果越好,抑制器上產生的電壓降也越大。由仿真計算可知,環流抑制器的電感值約為10 mH時,飽和電壓在50~80 V,就能很好抑制高壓電纜交叉互聯回路過大的接地環流。在交叉互聯回路加裝環流抑制器后,當該電網系統發生單相接地故障時,環流抑制器兩端電壓不大于3.6 kV,只要在環流抑制器上安裝避雷保護器就可防止抑制器損壞。
3高壓電纜環流抑制器設計
3.1環流抑制器設計原則
在電纜直接接地處,加裝環流抑制器,如圖5所示。采用特殊磁芯設計的環流抑制器,具有良好的非線性特征,在電網系統正常運行時能有效抑制電纜產生過大的護層環流,而在電網系統發生單相短路故障瞬間,該環流抑制器呈現飽和特征,等效阻抗幾乎為零,不會影響并改變系統短路電流的大小和流向,不影響系統繼電保護裝置動作并快速切除。
依據變壓器設計理論,根據電纜發生短路時的電流峰值以及規程GB 50217--2007規定的金屬套交流電壓值,設計環流抑制器。設計的抑制器能多次承受數十千安短路電流不損壞,可重復使用;飽和電壓小于數百伏,抑制過大的環流;具有防潮功能。抑制器設計要點:(1)根據抑制器容量設計磁芯尺寸和結構,采用R型結構,磁芯截面不小于3000 1'11.11'12,磁芯高度為300 mm,寬度為100 mE,磁芯采用合金材料,相對導磁率在5000—7000之間。
(2)根據磁芯骨架尺寸和導體,計算抑制器電感量。電感量約為50 mH。根據抑制器電感量,優化導體匝數和導體截面積,能承受大電流,且在規定時間不會過熱損壞。導體截面積為60—80 mm2。導體匝數為30~40匝。(3)抑制器整體浸漆,避免抑制器導體受潮,提高匝間絕緣。(4)抑制器外殼絕緣材料灌注,避免抑制器受潮,提高絕緣性能。
3.2環流抑制器參數設計
根據在線環流監測數據顯示,需要對科堯鋁五線和瑯東凌線加裝環流抑制器限制過大的護層環流。以科堯鋁五線l≠}工井到3≠}工井的電纜系統參數設計環流抑制器參數。
科堯鋁五線每段電纜長度如下:ll=600m,厶=561 m,f3=400 m;IF(最大負荷電流)=440A。
科堯鋁五線電纜護層自感抗:Zs=0.239×(,,+針h)/lOOO=O.373 Q。
科堯鋁五線實測接地電阻R=3.0 Q,土壤電阻匙如.06Q。
改造前科堯鋁五線總阻抗Zx=(3.0+0.06)+jo.373=3.1 Q。
科堯鋁五線加裝環流抑制電抗器后,需限制護層環流不大于設計運行電流的2%,即440x0.02=8.8 A,根據護層感應電壓計算公式可得,科堯鋁五線最高感應電勢Es=39.8 V(600 m),可計算增加環流抑制器的回路總阻抗Z=39.8/8.8=4.523 Q。而z_Zx+五,計算環流抑制器的電感值L=9.4 mH。
采用特殊磁芯材料設計環流抑制器,根據抑制器飽和電壓U=60 V計算電感參數。而飽和電壓己,222xNxB?!罙,其中A,=3200 mm2(磁芯材料截面積),選取環流抑制器磁感應強度B為1.4 T,計算該環流抑制器由瀘,vL/,,計算飽和電流/,--1.0A,可見抑制器飽和電流過小不能滿足要求,需要改進鐵芯排列工藝。最后設計環流抑制器線圈匝數N=40匝,三=8 mH,線圈導體截面積選用140 mm2多股銅線,保證環流抑制器能多次承受數十千安短路電流而不損壞。
3.3環流抑制器工藝設計
考慮加工生產方便,抑制器設計結構如圖6。①為合金磁芯材料,R型結構,采用不銹鋼帶⑨扣緊,同時把抑制器安裝底座⑦和磁芯抱緊。導體兩端引出通過連接銅排②。為方便拆卸,銅排另一端采用帶螺紋柱子連接,如⑨和⑥。在繞導體⑤時,每層用絕緣紙④繞好固定。抑制器整體浸漆,烘干,提高匝間絕緣且防潮。
3.4短路電流沖擊試驗通過第3方檢測單位對環流抑制器施加20 kA
工頻10個周波短路電流試驗。試驗證明,抑制器能反復承受短路大電流的沖擊試驗。圖7為工頻短路電流波形圖。
4工程應用
環流抑制接地箱使用不銹鋼材質殼體,可以長期在戶外使用,兩側帶有百葉窗,有助于散熱。接地箱防護等級為IP33。對110 kV瑯東凌線和科堯鋁五線改造后環流情況見表1?,槚|凌線改造后環流情況見表2。
表1 科堯鋁五線1群接地箱改造前后環流數據(單位:A)從表l可以看出,改造后科堯鋁五線環流不大于運行電流的0.27%,從表2可以看出,改造后瑯東凌線環流不大于運行電流的0.56%,超過預期效果?,槚|凌線l群接地箱2013改造成智能接地箱,此次設計的接地箱既能安裝環流抑制器又能安裝智能監測設備。因此,改造后的接地箱既有環流抑制功能,又保留原來智能多狀態在線監測功能。
5結論
過大的環流會影響電纜系統的正常運行,嚴重時會造成安全事故,必須采取措施加以抑制。在交叉互聯箱或者直接接地箱增加抑制器,增加專門設計的抑制器后,既能有效抑制過大的護層環流,又能在電網系統發生單相短路故障時不影響繼電保護裝置動作并快速切除。專門設計的抑制器能多次承受數十千安短路電流,不損壞,可重復使用;具有防潮功能,滿足惡劣環境下使用。通過在110 kV科堯鋁五線和瑯東凌線的應用,專門設計的抑制器可有效抑制電纜護層環流小于運行電流的2%,超過預期效果?,槚|凌線1群接地箱改造后既有環流抑制功能,又保留原來智能多狀態在線監測功能,為日后高壓電纜狀態監測和接地電流抑制提供新思路。

本文標簽:環流監測環流監測技術規范

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