基于接地电流高压电缆交叉互联故障分析

孙秀军钱志军

摘要：基于接地电流法对高压电缆交叉互联故障进行分析，区别于当前其它方式的故障检测方法，它不需要对电缆原有的接线结构进行任何的改动，利用高压电流传感器可以对高压电缆的接地电流进行长期的数据采集且不会对系统安全运行产生影响。在实际的测量中十分方便、准确。文中以单回路高压供电电缆为例，对交叉互联故障的原因和故障后接地电流的变化进行了研究，总结出不同故障下接地电流的特点，为高压电缆的故障判断提供依据。

关键词：高压电缆；交叉互联；接地电流；ATP-EMTP仿真

一、接地电流产生的机理

当高压电缆线路很长时，通常就会采用金属护套交叉互联，它将电缆线路人为的分成若干个大段（大于1000m），每一大段等分为三小段，每一小段之间装设绝缘接头，然后将这三小段电缆的金属护套在交叉互联箱内进行换位，在绝缘接头处装设一组接地保护器，同时将每一大段进行并联后接地。令三相电缆对称排列，在理想情况下，每小段金属护套产生的感应电流幅值相等，在相位上互差120°，三相基本平衡，这样就可以有效的中和掉大段金属护套上产生的感应电流。高压电缆实际铺设的过程中，尽量使三相电缆呈正三角形排列，但是在需要转弯地方和护套进行交叉互联换位时，都无法使电缆呈正三角排列，因此即使对护套进行了正确的交叉换位，也会有很小的接地电流的产生。由于接地电流很小，不会造成护套发热，破坏绝缘，因此不会对高压电缆的安全运行产生影响。电力电缆交叉互联结构如图1所示。

将高压电缆的交叉互联结构图进行简化，用电路图表示如图2所示。

图中Ua1、Ub1、Uc1分别为第一小段A、B、C三相金属护套上产生的感应电压，Ua2、Ub2、Uc2分别为第二小段金属护套上产生的感应电压，Ua3、Ub3、Uc3分别为第三小段金属护套上产生的感应电压，Z1、Z2、Z3分别为三小段金属护套的阻抗，I为负荷电流，Im为护套的接地电流，Xs为金属护套的感抗。

ρ为电力电缆金属护套所用金属的电阻率；A为金属护套的横截面积；α为金属护套的温度系数；θ为护套工作温度；η为金属护套温度相对于导体温度的比率，一般可取（0．7～0．8）；I为电力电缆的线芯电流，单位为A；S为电缆中心间的距离，单位为m；rs为护套平均半径，单位m；f为工频，单位为Hz。通过一系列的运算就可求得电缆护套的接地电流Im的值。

二、故障分析

由于高压电缆铺设的环境十分复杂，造成产生护套交叉互联故障的原因是多样的。

2.1两交叉互联箱接线方式不一致一个大段电缆内的三小段金属护套在进行交叉换位时，由于两个交叉互联箱的换位方式不一致，使被换位的三小段金属护套中有两端甚至是三段护套上产生的感应电流方向一致，每一小段的感应电流无法相互中和，导致换位失败产生较大的接地电流。

2.2电缆接头的绝缘隔板被击穿

当电缆接头的绝缘隔板由于雷击或者过电压被击穿时，就会造成护套两端直接连接，本应三段进行的交叉互联变成了两段的交叉互联，失去了换位的作用，造成接地电流增大。

2.3护层保护器被击穿

单芯电缆护层保护器是防止单芯电缆外护层在冲击过电压作用下损坏的一种金属氧化物避雷器，保护器在正常情况下是绝缘的。但当电缆受到强雷击过电压时就可能造成护套保护器被击穿，一旦护套保护器被击穿就相当于护套直接接地，交叉互联的三小段就出现一段感应电流丢失的情况，致使交叉互联失败。

2.4交叉互联箱进水

由于交叉互联箱所处的环境非常复杂，所以在雨季交叉互联箱进水的情况时有发生，在一些地势较低的地方甚至出现交叉互联箱被水完全淹没的情况，一旦出现交叉互联箱被水完全淹没，就相当于电缆的金属护套两端完全接地，会产生相当大的接地电流。

2.5未知的外力破坏情况

护套交叉互联箱，通常设置在地面以上，时常会受到一些未知外力破坏，一旦交叉互联箱受到破坏，整个系统的交叉互联结构将会受到严重的威胁。从产生故障原因中可以得出电缆的交叉互联故障可以分为交叉互联接线错误故障、单相接地故障、两相接地故障和三相接地故障。根据接地电流产生的机理对上述几种交叉互联故障进行理论分析，可以得出在发生上述故障时，接地电流理论上的变化趋势，如表1所示。

表1理论上接地电流变化趋势

三、模型的建立与仿真分析

本模型选用的电缆是在实际应用中十分普遍的64/110kVYJLW03－Z型单芯电缆进行仿真的，该型号电缆线芯的横截面积是1000mm2，线芯近似外径为40.4mm，绝缘厚度为16mm，电缆的近似外径为101.3mm，电缆的总长为1200m，平均分为三小段，每一小段的线长为400m，电缆模型是选用ATP－EMPT仿真软件LCC中的Bergeron模型进行建立的。

Bergeron模型是目前国际上普遍采用的电缆仿真模型，它采用分布参数进行建模，利用特征线方法来计算波在线路的过程，利用梯形积分的方法来计算线路中的暂态过程，将分布参数的线路网络等值为电阻性暂态计算网络。而J－Marti模型虽也可用于电缆的仿真，但该模型在进行数值计算时存在不收敛的问题，因此采用Bergeron模型进行建模。

分别对1、2号交叉互联箱内可能发生故障时进行仿真，观察接地电流的变化情况。按照图1进行搭建电缆正常运行时的交叉互联的模型如图3所示。

对已建立的模型进行仿真，设置仿真总时长T=0.1s，仿真的步长Δt=10－6s，护套两端的接地电阻设为0.1Ω，其中LCC模块代表电缆的各种参数。运

行仿真软件得到系统正常运行时护套接地电流的仿真图，如图4所示。

从系统正常运行时的仿真图中可以看出，当系统的交叉互联没有受到破坏时，各个小段内产生的感应电流相互中和，护套中的接地电流很小，不会对整个系统的安全运行造成影响。设置故障发生的时间为0．04s，当系统1号交叉互联箱发生单相交联失败，系统接地电流的仿真结果，如图5所示，当1号交叉互联箱发生单相接地时，其它两相的交叉互联并没有受到破坏，因此其护套的接地电流在相位上并没有发生变化，只是幅值有稍微的增大，并不明显。但接地相护套的接地电流在幅值和相位上都发生了明显的变化。当系统1号箱发生两相交联失败时，系统的接地电流仿真结果，如图6所示。

当1号交叉互联箱发生两相接地故障时，从仿真图中可以看出，在0．04s发生故障时，发生接地故障的两相护套的接地电流变化非常明显，接地电流由正常运行时的最大3A左右增大到最大为18A左右，并且相位与正常运行时相比也发生了明显的变化，两接地相护套的接地电流在相位上相差了180°，而没有发生接地故障的相受到的影响并不大，护套的接地电流并无明显的变化。当1号箱发生三项交叉互联失败的时，系统护套接地电流的仿真结果，如图7所示。

由仿真图可以看出，当1号交叉互联箱在0．04s发生三相接地故障时，三相护套的交叉互联同时被破坏，三相护套的接地电流迅速增大，电流幅值的变化大于两相护套接地故障时电流幅值的变化。

由图6～图8对比可以看出，在发生三相护套接地故障时，三相护套的接地电流均发生了明显变化，与图6和图7中均存在电流变化很小的相不同。这是因为在发生三相护套接地故障时，系统中不存在完整的交叉互联结构。

通过对比各种故障时接地电流的变化情况，可以很容易的判断系统的交叉互联发生了什么类型的故障。当系统发生交叉接线错误时，系统护套接地电流的仿真结果，如图8所示。

当系统发生交叉互联接线错误的时候，它不同于护套的接地故障。在护套发生接地故障的时，某一小段护套的感应电流会因为接地，不会被叠加到最终要被检测的接地电流上。但当发生护套交叉互联接线错误时候，三小段护套产生的感应电流无法中和，每段护套产生的感应电流都会被叠加到被检测的接地电流上，因此护套的接地电流幅值比发生接地故障时幅值变化更为明显，电流幅值变化超过了三相接地故障时接地电流的变化。

交叉互联接线错误通常发生在新电缆安装时或老旧电缆改造时。对刚投入的电缆进行护套接地电流的检测，如果发现三相护套的接地电流都非常的大，就很有可能发生了护套交叉互联的接线错误。

从上述仿真结果可以看出，接地电流的变化趋势与理论分析得出的结论一致。对发生各种交叉互联故障时接地电流的特点进行分析，找出发生不同故障时，接地电流最为明显的特点，如表2所示。

四、结束语

由接地电流的计算公式可以得出，高压电缆护套接地电流的大小是受到线芯负荷电流大小影响的，故本文并没有对电缆护套交叉互联发生各种故障时的接地电流进行定量分析，而是利用ATP－EMPT仿真软件对各种故障进行仿真，通过观察各种故障发生时接地电流的不同变化趋势判断系统交叉互联发生故障的类型。为高压电缆故障的在线监测、新电缆的架设后的验收以及老旧电缆的改造提供技术依据。

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