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10kV電纜終端帶電作業(yè)仿真及試驗(yàn)研究

2014-08-08 00:59王建軍吳季浩蘇梓銘
電力建設(shè) 2014年2期
關(guān)鍵詞:截面積帶電作業(yè)暫態(tài)

王建軍,吳季浩,蘇梓銘

(1.上海市電力公司,上海市200122;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,武漢市 430074)

10kV電纜終端帶電作業(yè)仿真及試驗(yàn)研究

王建軍1,吳季浩1,蘇梓銘2

(1.上海市電力公司,上海市200122;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,武漢市 430074)

隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的加快,10 kV配網(wǎng)電纜線路不斷增加,電纜線路不停電檢修作業(yè)也亟待推廣。針對(duì)電纜終端帶電作業(yè)的危險(xiǎn)點(diǎn),對(duì)電纜終端作業(yè)過(guò)程進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真,對(duì)不同情況下投切空載電纜線路產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流和電弧能量進(jìn)行對(duì)比分析,提出了電纜終端作業(yè)過(guò)程中危險(xiǎn)點(diǎn)的控制方法和防護(hù)措施。

空載電纜;帶電作業(yè);電纜終端;電弧電流;過(guò)電壓

0 引 言

隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的加快,10 kV配網(wǎng)電纜線路不斷增加,據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的統(tǒng)計(jì),2011年公司系統(tǒng)城市配網(wǎng)的電纜化率接近40%,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的電纜化率甚至超過(guò)了80%,電纜線路在配網(wǎng)中所占的比重日益增高[1]。電纜線路在運(yùn)行過(guò)程中,電纜頭發(fā)熱、接地異常、外力破壞、環(huán)網(wǎng)柜銹蝕等故障經(jīng)常發(fā)生,由于電纜線路在地下運(yùn)行,使得電纜線路,特別是未形成環(huán)網(wǎng)的電纜線路以及電纜支線的檢修、搶修工作存在停電時(shí)間長(zhǎng)、范圍大等問(wèn)題,影響了配網(wǎng)的供電可靠性。

電纜線路的不停電作業(yè),是為了達(dá)到用戶不停電或少停電的目的,采用帶電作業(yè)、旁路作業(yè)等多種作業(yè)方式對(duì)電纜線路設(shè)備進(jìn)行檢修的作業(yè)[2]。在作業(yè)過(guò)程中帶電操作電纜終端可能產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流既是電纜不停電作業(yè)中的危險(xiǎn)點(diǎn),又是相關(guān)作業(yè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的制定依據(jù)[3]。因此,研究電纜終端操作的電磁暫態(tài)過(guò)程,并根據(jù)研究成果對(duì)作業(yè)危險(xiǎn)點(diǎn)采取控制措施,對(duì)于保證電纜不停電作業(yè)的安全開(kāi)展具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文在建立10 kV電纜不停電作業(yè)過(guò)程ATP-EMTP模型的基礎(chǔ)上[4-5],對(duì)電纜終端作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了電磁暫態(tài)仿真,對(duì)不同情況下投切空載電纜線路產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流進(jìn)行對(duì)比分析,提出了電纜終端作業(yè)過(guò)程中危險(xiǎn)點(diǎn)的控制方法。

1 電纜終端作業(yè)過(guò)程

1.1 帶電斷接空載電纜連接引線作業(yè)

帶電斷接空載電纜連接引線的基本原理是,當(dāng)某條未形成環(huán)網(wǎng)的電纜線路(或電纜支線)故障檢修或例行維護(hù)時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)快速開(kāi)斷該條電纜線路與10 kV架空線路連接引線,將需檢修電纜線路退出運(yùn)行,而不影響架空線路上其他用戶。待電纜線路故障恢復(fù)后,快速閉合電纜線路與10 kV架空線路連接引線,將檢修完畢的電纜線路投入運(yùn)行,而不影響架空線路上其他用戶[6-7]。

斷電纜引線作業(yè)前,10 kV架空線路處于正常運(yùn)行的帶電狀態(tài),電纜線路一端與架空線路連接,另一端與其他設(shè)備及負(fù)荷斷開(kāi),即電纜線路處于空載狀態(tài);接電纜引線作業(yè)前,10 kV架空線路處于正常運(yùn)行的帶電狀態(tài),電纜線路試驗(yàn)合格,對(duì)側(cè)電纜終端連接完好,接地已拆除,并與負(fù)荷設(shè)備斷開(kāi)。帶電斷接空載電纜連接引線現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

1—10 kV架空線路;2—消弧開(kāi)關(guān)T接處;3—電纜T接處;4—10 kV帶電作業(yè)用消弧開(kāi)關(guān);5—電纜引線;6—10 kV電纜線路;7—10 kV負(fù)荷開(kāi)關(guān)(或環(huán)網(wǎng)柜);8—10 kV用戶(變壓器)

圖1帶電斷接空載電纜連接引線現(xiàn)場(chǎng)

Fig.1Chargeddisconnectingofconnectionleadsfornon-loadcable

1.2 作業(yè)過(guò)程影響因素

閉合空載電纜線路可以等效于容性負(fù)荷的合閘操作,其主要考慮的因素包括:電纜長(zhǎng)度、電纜截面積、合閘相角等。作業(yè)中需要考慮的主要安全控制因素包括:(1)電纜線路對(duì)地電壓峰值;(2)流經(jīng)電纜線路電流峰值;(3)流經(jīng)電纜線路電流穩(wěn)態(tài)峰值(穩(wěn)態(tài)電容電流峰值)。

開(kāi)斷空載電纜線路可以等效于容性負(fù)荷的分閘操作,其主要考慮的因素包括:電纜長(zhǎng)度、電纜截面積、開(kāi)斷方式(電弧重燃次數(shù))等。作業(yè)中需要考慮的主要安全控制因素包括:(1)電纜線路對(duì)地電壓峰值;(2)流經(jīng)電纜線路電流峰值;(3)仿真開(kāi)關(guān)的能量(電弧的能量)[8]。

2 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真建模

根據(jù)10 kV配網(wǎng)等值參數(shù)計(jì)算及搭建電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)模型。

2.1 電源等值參數(shù)

以某110 kV火電廠為仿真實(shí)例,其主接線簡(jiǎn)圖如圖2所示,該火電廠裝有3臺(tái)機(jī)組和2臺(tái)主變,由一回線路與110 kV變電所相連接。

圖2 110 kV火電廠主接線簡(jiǎn)圖

從110 kV母線側(cè)看去,火電廠的等值阻抗為0.232 Ω。

2.2 110 kV變電站參數(shù)

該變電站是一個(gè)110 kV降壓變電所,主要接受110 kV的功率,通過(guò)主變向10 kV及35 kV線路輸送。變電站中有2臺(tái)25 MVA的主變壓器,其具體型號(hào)、參數(shù)如表1所示。

表1110kV變電站主變參數(shù)

Tab.1Maintransformerparametersof110kVsubstation

2.3 架空線路參數(shù)

根據(jù)調(diào)研情況,35 kV線路有4回出線,配網(wǎng)10 kV線路有8回出線。所使用的10 kV架空線以鋁芯輕型交聯(lián)聚乙烯薄絕緣架空電纜JKLYJ-70為主,其長(zhǎng)度為6 km。導(dǎo)線呈三角方式布置,水泥桿高度10 m,兩邊線距地8 m,中線距地8.7 m,兩邊線相互距離1.8 m,與中線距離1.15 m,檔距120 m,土壤電阻率取100 Ω·m。

2.4 末端負(fù)荷等值參數(shù)

根據(jù)負(fù)荷功率因素0.85及10,35 kV用戶負(fù)荷參數(shù),歸算獲得每回10 kV線路末端所帶負(fù)荷為P=0.799 6 MW,S=0.940 7 MVA,Q=0.495 5 Mvar;每回35 kV線路末端所帶負(fù)荷為P=4.613 8 MW,S=5.427 9 MVA,Q=2.86 Mvar;

2.5 電纜參數(shù)

入地電纜參數(shù)如表2所示。

表210kV電纜參數(shù)

Tab.210kVcableparameters

3 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真計(jì)算

創(chuàng)建仿真模型如圖3所示。模型中,入地電纜型號(hào)為YJV22-10-3×300,電纜長(zhǎng)度分別選取200,500,1 000,3 000 m進(jìn)行仿真。

圖3 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真模型

前提條件:開(kāi)關(guān)關(guān)合時(shí)均選擇合閘相角為90°進(jìn)行合閘(最嚴(yán)重情況),開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)考慮重燃。

3.1 空載電纜長(zhǎng)度影響

改變電纜長(zhǎng)度,利用刀閘開(kāi)關(guān)直接開(kāi)斷與閉合電纜線路,同時(shí)測(cè)量電容器電壓及電流值等相關(guān)數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果中,電纜線路的電壓、電流幅值如表3所示,波形如圖4所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知:

(1)電纜線路閉合時(shí),線路的穩(wěn)態(tài)電容電流值隨線路的長(zhǎng)度增大而增大。

(2)電纜線路閉合時(shí),當(dāng)線路長(zhǎng)度不大時(shí),穩(wěn)態(tài)電容電流亦不大,而合閘瞬間,暫態(tài)電流峰值很大,可達(dá)到數(shù)百A,而且暫態(tài)電流峰值與電纜線路的長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系。

(3)從過(guò)電壓水平來(lái)看,在閉合線路時(shí),存在一定的操作過(guò)電壓,這是由于線路投入前電壓為0,而投入后電壓陡升至系統(tǒng)運(yùn)行電壓,因而會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓。由表3可知,暫態(tài)過(guò)電壓值最大時(shí)達(dá)系統(tǒng)相電壓峰值的1.88倍。

(4)電纜線路單相閉合時(shí),暫態(tài)電流的振蕩周期和流過(guò)開(kāi)關(guān)的能量值均隨電纜長(zhǎng)度的增大而增加。

(5)電纜線路開(kāi)斷時(shí),若開(kāi)斷前電流不大,開(kāi)斷過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)電弧重燃現(xiàn)象,則開(kāi)斷后電纜電流減小為0,電壓維持開(kāi)斷前系統(tǒng)的瞬態(tài)電壓值;開(kāi)斷過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流。

(6)電纜線路開(kāi)斷過(guò)程中,可能會(huì)由于觸頭間絕緣耐壓水平較低而發(fā)生重燃,當(dāng)線路開(kāi)斷時(shí)發(fā)生重燃,線路上會(huì)有很高幅值的暫態(tài)電流和暫態(tài)電壓。

表3電纜長(zhǎng)度對(duì)終端作業(yè)電壓、電流的影響

Tab.3Influenceofcablelengthonvoltageandcurrentincableterminalworking

圖4 電纜終端作業(yè)電磁暫態(tài)仿真波形(長(zhǎng)度1 000 m,截面積300 mm2)

(7)電纜線路開(kāi)斷過(guò)程中,當(dāng)線路開(kāi)斷時(shí)發(fā)生重燃時(shí),流過(guò)開(kāi)關(guān)的能量值隨線路長(zhǎng)度的增大而增大;由于重燃時(shí)間較短,重燃時(shí)產(chǎn)生的能量比閉合電纜時(shí)所產(chǎn)生的能量少。

3.2 空載電纜截面積影響

根據(jù)分析,不同截面積電纜的阻抗值不同,對(duì)地電容值也不相同,空載投切時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流及流過(guò)投切開(kāi)關(guān)的能量也可能不同。以240 mm2和300 mm2的電纜為例,仿真分析不同截面積對(duì)空載電纜投切的影響,仿真計(jì)算結(jié)果如表4所示,仿真波形如圖4所示。

表4電纜截面積對(duì)終端作業(yè)電壓電流的影響

Tab.4Influenceofcablesectionalareaonvoltageandcurrentincableterminalworking

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知,電纜的截面積越大,則電纜的穩(wěn)態(tài)電容電流越大,這是因?yàn)殡娎|的對(duì)地電容隨電纜截面積的增大而增大,并且單相閉合時(shí)的暫態(tài)電流也隨電纜截面積的增大而增大。同時(shí),電纜截面積越大,暫態(tài)電流振蕩周期的增大導(dǎo)致閉合過(guò)程中流過(guò)開(kāi)關(guān)的能量也越大。

4 空載電纜投切試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)布置

選擇10 kV電纜線路為試驗(yàn)線段(出線電纜型號(hào)YJV22-10-3×300,長(zhǎng)度0.97 km),進(jìn)行空載電纜線路的搭接與開(kāi)斷試驗(yàn)。試驗(yàn)前,已將線路末端負(fù)荷轉(zhuǎn)移為空載狀態(tài),首先對(duì)系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量得到電容電流的峰值為1.15 A,系統(tǒng)電壓峰值為8.16 kV,計(jì)算得到線路對(duì)地電容為0.40 μF?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線如圖5所示。

圖5 電纜終端作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線圖

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容

在線路空載運(yùn)行狀態(tài)下,用鉗形表測(cè)量各相穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電流值。針對(duì)10 kV電纜線路進(jìn)行拆接線試驗(yàn),依次斷開(kāi)線路的A、B、C相和依次搭接A、B、C相,記錄作業(yè)過(guò)程中的電壓、電流數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求,按以下步驟執(zhí)行:

(1)將電纜線路轉(zhuǎn)檢修,用電容表測(cè)量電纜線路空載下的電纜電容量;

(2)在線路上安裝分壓器、電流互感器及負(fù)荷開(kāi)關(guān),并安裝好相關(guān)的設(shè)備及地線,并將測(cè)量引線接至測(cè)量裝置;

(3)恢復(fù)線路至運(yùn)行工況,用鉗形表及波形記錄儀測(cè)量線路各相穩(wěn)態(tài)電容電流;

(4)操作人員做好安全措施,站在絕緣斗臂車中,在調(diào)度許可下,按次序操作負(fù)荷開(kāi)關(guān),進(jìn)行帶電拆接電纜線路的三相,同時(shí),用波形記錄儀測(cè)錄拆接線路三相電纜時(shí)的波形;

(5)操作完畢后,線路轉(zhuǎn)檢修,拆接試驗(yàn)設(shè)備,恢復(fù)原線路。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

依次開(kāi)斷A相、B相、C相和閉合A相、B相、C相時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5帶電拆接電纜線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.5Testdataofcablelinechargeddisconnecting

從過(guò)電壓角度來(lái)看:無(wú)論相線是否帶電,開(kāi)斷線路某相時(shí),線路各相基本都無(wú)過(guò)電壓產(chǎn)生,暫態(tài)過(guò)程非常短;而當(dāng)閉合線路某相時(shí),閉合相會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)電壓,最大過(guò)電壓倍數(shù)為1.76倍,出現(xiàn)在A相帶電,B、C相不帶電,B相閉合時(shí);閉合某相時(shí),有時(shí)會(huì)在已帶電的相產(chǎn)生過(guò)電壓,非帶電相電壓幾乎無(wú)變化,如當(dāng)A帶電,B、C不帶電,B閉合時(shí), A 相的過(guò)電壓倍數(shù)為1.10,C相無(wú)過(guò)電壓;過(guò)電壓倍數(shù)變化范圍較大,主要因人工隨意性操作造成,與開(kāi)斷與閉合時(shí)刻的電源相位角有關(guān)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,現(xiàn)場(chǎng)電纜帶電作業(yè)中,由于斷路器滅弧性能較好,開(kāi)斷空載電纜線路時(shí),基本無(wú)過(guò)電壓出現(xiàn);但是在搭接空載線路時(shí),會(huì)出現(xiàn)一定的過(guò)電壓,試驗(yàn)中得到的最大過(guò)電壓倍數(shù)為1.76。在使用的旁路電纜長(zhǎng)度約為1 km時(shí),使用旁路負(fù)荷開(kāi)關(guān)斷開(kāi)線路不會(huì)發(fā)生拉弧,且重燃次數(shù)少,燃弧時(shí)間短,但帶電斷接電纜線路時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)電壓,應(yīng)注意采取電弧防護(hù)措施。

圖6 電纜終端作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形圖

5 討 論

綜合仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行討論如下:

(1)在對(duì)空載電纜終端進(jìn)行連接和開(kāi)斷操作時(shí),電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),截面積越大,其等效對(duì)地電容也越大,進(jìn)行斷接操作時(shí),過(guò)電壓和過(guò)電流的振蕩周期越長(zhǎng),流過(guò)投切開(kāi)關(guān)的能量越高。

(2)開(kāi)斷電纜終端時(shí),若采用滅弧裝置進(jìn)行操作,可以避免產(chǎn)生電弧重燃,以降低操作產(chǎn)生的分閘過(guò)電壓。

(3)當(dāng)電纜線路單芯(相)截面積不大于300 mm2,長(zhǎng)度不大于3 km時(shí)[11],作業(yè)過(guò)程中最大操作過(guò)電壓不大于2.8 pu,最大暫態(tài)電流的能量不超過(guò)98 J,斷接的最大單相的穩(wěn)態(tài)電容電流最大為5 A。

(4)現(xiàn)場(chǎng)電纜帶電作業(yè)中,由于采用滅弧裝置為發(fā)生重燃,開(kāi)斷空載電纜線路時(shí),基本無(wú)過(guò)電壓出現(xiàn),在搭接空載線路時(shí),會(huì)出現(xiàn)小于2.0 pu的過(guò)電壓和穩(wěn)態(tài)值小于5 A的電容電流,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果相吻合。

6 結(jié) 論

根據(jù)計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及討論分析,結(jié)合帶電作業(yè)安全防護(hù)、配電線路設(shè)備及作業(yè)工具的實(shí)際情況,可得出如下結(jié)論:

(1)從對(duì)作業(yè)人員的安全角度考慮,由于10 kV帶電作業(yè)考慮的最大操作過(guò)電壓為45 kV[9],因此,帶電操作空載電纜終端作業(yè)過(guò)程中,對(duì)作業(yè)方式、絕緣工器具的要求按照常規(guī)10 kV配電線路帶電作業(yè)考慮即可。

(2)在帶電作業(yè)過(guò)程中,當(dāng)流過(guò)人體的暫態(tài)能量超過(guò)1.5 mJ時(shí),作業(yè)人員就會(huì)感覺(jué)不舒服[10]。由于10 kV帶電作業(yè)人員離設(shè)備較近,而電纜斷接作業(yè)暫態(tài)能量較大,因此,采用封閉式的消弧開(kāi)關(guān)進(jìn)行搭接,更有利于作業(yè)人員的安全。

(3)考慮到我國(guó)目前大多數(shù)10 kV電纜截面積在300 mm2以下,T接電纜分支的長(zhǎng)度也在3 km以下,此時(shí)對(duì)消弧開(kāi)關(guān)的要求是分?jǐn)嚯娙蓦娏髂芰Σ恍∮? A,目前國(guó)內(nèi)及國(guó)外的大部分帶電作業(yè)用消弧開(kāi)關(guān)能夠滿足要求。從以上2方面綜合考慮,將斷接電纜的最大長(zhǎng)度限定在3 km以內(nèi)。

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[11]方善鈞. 35 kV及以下防水交聯(lián)電纜設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其應(yīng)用[J]. 電力建設(shè),1998(11):25-27.

王建軍(1973),本科,高級(jí)技師,主要從事配電線路帶電作業(yè)技術(shù)研究和技能培訓(xùn)工作;

吳季浩(1964),本科,高級(jí)講師,主要從事配電帶電作業(yè)技術(shù)研究和培訓(xùn)管理工作;

蘇梓銘(1986),碩士,工程師,主要從事輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)研究工作,E-mail:suziming@epri.sgcc.com.cn。

(編輯:劉文瑩)

SimulationandExperimentalReasearchonLiveWorkingTechnologyfor10kVCableTerminal

WANG Jianjun1, WU Jihao1, SU Ziming2

(1. Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200122, China;2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

With the expansion of urban power distribution scale and the rapid development of urban-rural integration process, the cable lines of 10 kV distribution network increase quickly, and the non-interruption check and maintenance on cable lines needs to be promoted urgently. According to the danger points of live working on cable terminals, the electromagnetic transient simulation was carried out for cable terminal working. Then, the overvoltage, over current and arc energy caused in non-load cable switching process under different conditions were comparatively analyzed. Finally, this paper proposes control methods and protective measures for the danger points of cable terminal working.

non-load cable; live working; cable terminal; arc current; overvoltage

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SG1025)。

TM 84

: A

: 1000-7229(2014)02-0041-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.008

2013- 08- 29

:2013- 10- 21

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