张玉佳
（国网北京市电力公司电力科学研究院，北京100075）
摘 要：高压电缆金属屏蔽层绝缘损坏、发生接地故障等均会形成两点或多点接地从而产生感应环流，研究环流大小可以指导电缆的运行维护。根据实际运行的电缆线路，取线路参数，建立仿真计算模型，通过仿真计算，分析故障相与非故障相环流情况，模拟电缆在三角形及三相对称情况下感应环流的大小，验证故障相的数量与感应环流大小的对应关系以及故障距离与感应环流的关系，为判别故障类型提供依据。仿真结果表明，故障相越多，感应环流越大；环流的大小与故障距离成正比。
关键词： 高压电缆；多点接地；感应环流；接地故障
0 引言
高压电缆外屏蔽层单点可靠接地是电缆安全运行的重要保证。高压电缆芯线在外屏蔽层产生感应电压，通常情况下，电缆外屏蔽层运行时一端接地，但是由于电缆在安装、运行后可能造成外绝缘损伤，形成多点接地，导致环流增大，将造成很大的电能损耗，也对设备的安全稳定运行产生较大的影响，对运行人员人身安全造成威胁。本文主要研究电缆外屏蔽层发生多点接地的故障时环流的大小及对电缆安全稳定运行的影响。
1 ATP软件简介
ATP全称是Alternative Transient Program-EMTP，它是目前国际上计算电磁暂态现象以及电机原理应用最广泛的数字仿真软件之一。ATP提供许多模型，包括变压器、避雷器、电力电缆等，它可以模拟任意结构复杂的电力网络。ATP的基本原理是根据元件的不同特性，建立相应的代数方程，常微分方程和偏微分方程，形成节点导纳矩阵。采用优化节点编号技术和稀疏矩阵算法，以节点电压为未知量，利用矩阵三角分解求解，最后求得各支路的电流、电压和所消耗的功率、能量。用此数字程序可以仿真任意结构的复杂网络，分析控制系统、电力电子设备以及非线性元器件（如电弧和电晕）。ATP仿真计算允许对称或不对称的干扰，如故障、雷电浪涌、各种各样的开关操作，包括交换阀，还支持相量网络的频率响应的计算。
模型的建立
选用的电缆为导体直径18.4 mm，绝缘厚度20.0 mm，电缆外径75 mm，长度500 m，敷于地下1 ｍ，三根电缆呈正三角形紧密排列铺设，采用工频110 kV三相交流电源，系统功率因数为0.95，金属屏蔽层单端接地方式，经保护器接地的一端在仿真时可作为开路处理，电缆模型用ATP-Draw中专门建立电缆模型的ATP-LCC软件建立，在ATP中建立的模型如图1。
3 三相电缆金属护套多点接地仿真计算
3.1 三相电缆首端接地、末端开路情况下发生一点故障接地
仿真条件及仿真结果列于表1。为便于分析比较，在仿真结果中引入了“环流比(％)”，即环流与芯线工作电流的百分比值。
首端接地环流比与故障距离的关系曲线如图2所示。
由图2可见，首端直接接地时，环流比大小与故障点距首端接地点的距离基本成正比。
3.2 三相电缆首端接地、末端开路情况下发生三点故障接地
假设三个故障点距离已知，L1=L2=L3=150 m，此种情况的电缆示意图如图3所示。
设L1=L2=L3=150 m，其仿真条件及仿真结果列于表2。
表2中故障类型“ABC”系指A相a点故障接地、B相b点故障接地、C相c点故障接地。
从表2中的27种不同的故障情况不难发现，故障接地线电流值有较强的规律性，重点研究实际可测的IA0、IB0、IC0，按幅值从小到大简化为①～⑨类，列于表3中。
当三相电缆正常运行，即护套没有故障点接地时，接地线上仍有电流，IA0、IB0、IC0幅值均为2.8 A，此时虽有感应电势但没有感应电流，可知各相护套上的电容电流幅值为2.8 A。
4 结论
通过仿真计算，模拟不同类型的故障得出以下结论：(1)只有故障相才有感应电流，正常相护套与大地没有形成通路，只有电容电流；(2)正三角形排列，三相对称性决定各相地位等价；(3)从①到⑨，总的来说，故障相越多，环流值越大；(4)观察⑨，当故障ABC、CAB、BCA发生，单独分析A相，发现其单点故障的故障距离依次为150 m、300 m、450 m，A相环流依次为4.9 A、7.4 A、8.7 A，仍然与故障距离正相关；(5)通过接地线上三相电流幅值可将故障区分为①到⑨类，每类中的三种情形又可通过分析单相故障的故障距离来区分，为故障类型判别提供帮助。
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