回路间距对电力电缆短路电动力的影响分析

发布时间：2024-05-14 浏览次数：993

为有效降低短路电动力对电缆和金具的损害，科学合理地确定电缆的回路间距，本文采用电磁耦合有限元法对高压大截面电缆短路电动力进行数值计算和分析。文中建立单、双回路下水平敷设和品型敷设的电缆三相短路电磁耦合有限元模型，计算并分析了短路电动力在时间和空间上的变化；分析得到了双回路水平和品型敷设下三相短路电动力最大值随回路间距变化的方程。结果表明，双回路短路电动力与回路间距满足特定函数关系，且存在一个电动力变化斜率的拐点，可根据该拐点确定回路间距。文中研究可为电缆短路电动力理论研究和工程设计施工提供理论和技术支撑。

一、引言

随着近年来电力线缆的输送电压等级越来越高，输电容量越来越大，高压大截面电缆在电力系统中得到了广泛的应用。在隧道中，高压大截面电缆一般采用蛇形敷设，以降低电缆热胀冷缩量，有效缓解电缆的机械效应带来的危害。电缆三相之间采用水平或品型排列方式，水平敷设电缆之间有一定相间距，有利于热量的散发；品型敷设电缆的三相紧靠在一起，有利于降低金属护套上的感应电压。随着隧道内敷设的电缆回路数不断增加，各相产生的电磁场彼此相互影响，使得电缆的电动力分析变得更为复杂。电缆系统中常见的短路故障有三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路。三相短路故障造成的后果比其他类型更为严重，短路电流可达正常工作电流的十倍以上。通电导体处在交变电磁场中，受到巨大的电动力，电缆将在交变电动力作用下产生振动。若电缆及附件的机械强度不足，可能会导致缆体、接头以及夹具产生较大的机械应力，严重时将摧毁整条输电线路，因此准确分析计算高压大截面电缆的电动力可以为电缆敷设和金具设计提供理论依据，以避免故障的发生。

二、电缆模型的建立

高压大截面电缆通常采用水平和品型两种敷设方式，一条电缆隧道中可以包含双回路、三回路等多种回路。文中以图1所示ZC-YJLW02型交流330kV交联聚乙烯绝缘电缆为研究对象，该电缆导体的标称截面为2500mm²。

图1 电缆结构

电缆运行过程中受到的短路电动力是短路电流下导体在磁场中产生的，电缆的其他层结构对电动力数值结果影响很小，因此将厚度较小的导体屏蔽、绝缘屏蔽合并到性能相近的交联聚乙烯(XLPE)绝缘层，最终建立具有五层结构的电缆电磁有限元模型，其分别为铜导体层、XLPE绝缘层、缓冲阻水层、铝护套层以及外护套层。结合西安某段高压大截面电缆在隧道中实际敷设情况，设置电缆的跨距为6m，电缆轴向为垂直蛇形结构，波峰到波谷的距离为0.26m，建立的三相水平和品型电缆模型如图2所示。电缆电磁计算所用材料参数见表1。

图2 水平和品型敷设电缆模型

表1 电缆电磁材料参数

短路电流流经导体时，会在空间中产生电磁场，考虑到矢量磁位在空间中的衰减，在电缆周围设置足够的计算域，以保证短路电动力计算的准确性。计算域的材料为空气，设置计算域外边界处矢量磁位为0(第一类边界条件)，电缆端面与计算域交界处边界设为磁绝缘。短路电动力求解为瞬态电磁特性分析，设置求解终止时间为60ms，即包含3个周波，步长为0.4ms。在交变电流下，须考虑导体集肤效应对电动力计算的影响。为了保证计算的速度和准确性，采用软件自适应剖分和手工设定剖分尺寸相结合的方式，对电缆剖分较密的网格，对计算域剖分相对稀疏的网格，如图3所示。

图3 电缆水平和品型敷设时网格的划分

三、结论

本文采用电磁耦合有限元法建立了水平和品型敷设高压大截面电缆的电动力模型，分析了三相短路下两种敷设方式的电磁分布和短路电动力特点，重点分析了回路间距对双回路电缆短路电动力的影响，得出如下结论：

(一) 三相短路发生后，在电缆径向空间维度上，导体表面处磁场强度最大，向外逐渐衰减，在时间维度上，磁场成振荡衰减，在时空图上体现为重复出现的马鞍形曲面；在电缆轴向上，磁场强度不变。电缆所受的短路电动力随时间呈周期性变化，周期与工频周期近似成倍数关系，短路电动力峰值随着周期的增加逐步衰减。水平和品型敷设电缆短路电动力最大值分别出现在B相和A相。

(二) 在双回路水平敷设电缆中，电动力与回路间距成指数关系，随着回路间距的增加，电动力先是急剧下降，随后趋于平缓，可以找到一个拐点，该点可作为回路间距折中值的参考；对于双回路品型敷设电缆的电动力与回路间距的变化，用同样方法也可找到拐点。针对ZC-YJLW02型交流330kV交联聚乙烯绝缘电缆，综合考虑短路电动力和隧道利用率，建议水平敷设双回路间距不小于800mm，品型敷设双回路间距不小于600mm。