交叉互联高压电缆护层保护器...路两端护层电流相量差的影响_刘福源.pdf

第 49 卷 第 3 期：1244-1253 高电压技术 Vol.49,No.3:1244-1253 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220675 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 交叉互联高压电缆护层保护器故障对同回路两端护层电流相量差的影响 刘福源1，王 航1，夏湛然2，杨 斌2，杨 帅1，周承科3,4（1.湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心，武汉 430068；2.国网湖北电力公司武汉供电公司电缆运检室，武汉 430024；3.格拉斯哥卡里多尼亚大学工程与建筑环境学院，英国格拉斯哥G40BA；4.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072）摘 要：高压电缆护层保护器故障对同护层回路两端护层电流相量差的影响规律是制定护层接地故障判据的理论基础。为识别护层保护器故障，在器件级别构建了电容和非线性电阻并联的护层保护器故障等效电路，在系统级别构建了三相 9 段交叉互联电缆在护层保护器正常和故障时的数学物理模型，推导了护层保护器故障阻抗与同护层回路两端直接接地点护层电流相量差的传递函数。以 110 kV 电缆为仿真案例，结果表明：同回路两端护层电流相量差既可以区分正常和故障状态，又可以区分不同位置护层保护器金属性接地故障；护层电流相量差相角对金属性接地和低阻接地敏感，同回路首端和末端护层保护器发生 100 接地故障时，护层电流相量差相角偏差范围分别为17.924.9 和33.451.1；216 接地故障时护层电流相量差相角偏差范围分别为9.413.6 和12.417.5。护层电流相量差受电缆 3 小段不等长和相电流影响显著，受地阻抗和相电压波动影响不显著。关键词：高压电缆；护层电流；相量差；交叉互联；护层保护器故障；接地故障 Influence of the Sheath Voltage Limiter Fault on the Sheath Current Phasor Difference Between the Two Ends in the Same Sheath Loop in Cross-bonded HV Cables LIU Fuyuan1,WANG Hang1,XIA Zhanran2,YANG Bin2,YANG Shuai1,ZHOU Chengke3,4(1.Hubei Engineering Research Center for Safety Monitoring of New Energy and Power Grid Equipment,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Electrical Cable Operation and Maintain Branch of Wuhan Power Supply Company,State Grid Hubei Power Supply Company,Wuhan 430024,China;3.School of Engineering and Built Environment Glasgow Caledonian Uni-versity,Glasgow,G4 0BA,UK;4.School of Electrical Engineering and Automation,Wuhan University,Wuhan 430072,China)1 Abstract：The influence of sheath voltage limiter faults on sheath current phasor difference between the two ends in the same sheath loop of high voltage cables is the theoretical base of the fault diagnosis criteria.At device level,the equiva-lent circuit of sheath voltage limiter consists of a parallel capacitance and nonlinear resistance is modelled in this paper.At system level,a mathematical and physical model of cross-bounded cable system under normal and faulted condition is formulated,then the transfer function between the fault impedance of sheath voltage limiter and the phasor difference of the sheath current measured on the two solid grounding points in the same sheath loop is derived therefore.The results of the simulation on 110 kV cable system show that not the faulted sheath voltage limiter can be distinguished by the sheath current phasor difference under metallic grounding faults.Phase of the sheath current phasor difference is sensitive to metallic and low resistance grounding faults,whilst its the phasor deviation of the sheath current phasor difference be-tween 100 ohms grounding fault in left and right sheath voltage limiter and normal condition range from 17.924.9 or 33.451.1;and 9.424.9 or 9.424.9 under 216 ohms grounding fault.Besides,unequal length of minor sections and phase current fluctuation have significant influence on the sheath current phasor difference,and the grounding resistance and phase voltage fluctuation have insignificant impact on the sheath current phasor difference.Key words：HV cable;sheath current;phasor difference;cross-bonding;sheath voltage limiter faults;grounding fault 基金资助项目：湖北省电力公司科技项目(SGTYHT/21-JS-223)；湖北工业大学科研启动基金(HSQD2020020)。Project supported by Science and Technology Project of Hubei Power Supply Company(SGTYHT/21-JS-223),Initial Funding of Hubei University of Technol-ogy(HSQD2020020).刘福源，王 航，夏湛然，等：交叉互联高压电缆护层保护器故障对同回路两端护层电流相量差的影响 1245 0 引言 地下高压电缆不占用地面空间，供电可靠性不受天气影响，正逐步取代架空线成为我国 110/220 kV 城市电网主干1。标准建议超过 1.2 km 的高压电缆采用金属护层两端直接接地，中间经交叉互联接地箱接地方式抑制工频感应电压，交叉互联铜排与接地线之间安装护层保护器抑制雷电和内部过电压2-3。在服役过程中，因过电压、老化、劣化、受潮、产品质量等原因导致的护层保护器故障时有发生4-5。虽然，护层保护器故障不会直接引发单相接地故障，但可能会导致护层电流异常及过电压保护失效，从而威胁高压电缆本体及附件的安全运行6-7。目前，高压电缆护层保护器主要采用包裹硅橡胶圆柱型氧化锌阀片的组合绝缘，结构与低压避雷器类似。过去高压电缆护层保护器的研究主要关注过电压暂态响应7-9。英国国家电网针对 3 起 275 kV电缆护层保护器故障，仿真研究了在有无界面陷阱电荷时的暂态响应和能量吸收特性，研究认为陷阱电荷是导致护层保护器故障的主要因素之一7-8。文献9研究了大段长高压电缆护层保护器在单相接地和雷电过电压情况下的暂态特性，建立电缆长度和护层保护器吸收能量的关系。高压护层保护器故障与中低压避雷器类似，以沿面击穿和热失效两种故障模式为主，对地呈现低阻抗特征10-11。然而，现有研究没有关注高压电缆护层接地系统出现护层保护器故障后的稳态响应。高压电缆护层电流检测是发现护层低阻抗故障的有效手段12-15。2015 年，文献15分析了直接接地点护层接地电流判断护层接地系统故障的可行性，文章推断在护层对地故障阻抗低于 40 且负荷电流较大时，可以用单点护层电流幅值判断护层接地系统故障。2017 年，文献16采用高压电缆在线监测数据，将线路为 3 组，以护层电流有效值和护层电流与线芯电流的比值为故障特征量，引入特征量变化趋势辅助判断故障，提升了故障诊断的精度。2017 年，文献17提出以 12 个检测点的护层电流幅值、护层电流与线芯电流的比值为判据判断交叉互联高压电缆接地箱进水、接地箱环氧板击穿和护层开路故障的方法，在负荷电流较低或地阻抗较高时，护层电流中感应电流分量占比较低可能出现误判。2019 年，文献18将文献17所提出的检测方法推广到线芯换位高压电缆接地箱进水、接地箱环氧板击穿和护层开路故障诊断，但理论实质与文献17提出的方法一样，且国内的高压电缆一般采用护层交叉互联线芯不换位的连接方式。高压电缆护层接地故障的理论实质是对地出现低阻通道，打破了交叉互联利用三相护层感应电压叠加为零的平衡，增强了线芯与护层间的静电耦合和电磁耦合，导致护层电流上升19。然而，过去基于护层电流诊断护层接地故障的研究很少关注护层保护器故障，需要建立护层保护器故障阻抗与检测护层电流之间的关系。为厘清护层保护器故障对交叉互联高压电缆工频护层电流相量差的影响规律，本文测量了正常和故障的护层保护器阻抗，建立了典型交叉互联高压电缆等效电路，基于基尔霍夫定律推导了测量点护层电流相量差与护层保护器故障阻抗的传递函数，以 110 kV 电缆参数分析了护层保护器发生金属性和不同故障阻抗接地下，电缆小段长度、相电流、地阻抗、相电压波动下护层电流相量差的变化规律。1 高压电缆护层保护器等效电路模型 为获取护层保护器阻抗，本研究搜集了 3 支型号为 BHQ7/400 的 110 kV 电缆用护层保护器。图1(a)为正常的对照组护层保护器，图 1(b)、(c)分别为故障护层保护器 1、2，表面裂痕为沿面放电后形成的碳化通道。高压电缆护层保护器工频稳态时工作在小电流低电场下，可以等效为电容与非线性电阻并联20。图 1(d)为护层保护器的等效电路图，护层保护器等效阻抗 ZL为 LLL11jZCR=+(1)式中：RL为护层保护器等效电阻，；CL为等