电位差接地网工频短路时最大允许地电位升的确定

接地网工频短路时最大允许地电位升的确定

The Ascertainment of Limited GPR of Grounding Net DuringFrequency Short-Circuit

CUI Shao-qing

Huainan Power Supply Company Huainan Anhui 232001,China

:In order to make the substation system safety operation thepotential difference between the core wire and shielding lay is calculatedby the use of the method in the equivalent circuit.The intrinsic relevancebetween the potential difference and GPRis discovered by studying thepotential difference  the current and proportionalrelationship.The ratio of the potential difference and ground potential riseis lower than forty percent The conclusion is that the limited groundpotential rise can be increased to 5000 V.

接地系统的安全性包括两方面内容一是确保地电位升 注入接地系统的短路电流及雷电等暂态电流在接地系统上产生的相对于无穷远的零电位点的电压 小于允许值 以确保发变电站设备主要指二次电缆和二次设备的安全 1-3  二是确保接触电压和跨步电压满足人身安全的要求。另外由于设备外壳都与地网相联高的地电位升加在设备外壳上会产生反击事故 危及设备安全。还有可能因反击使得二次设备的绝缘遭到破坏 高压窜入控制室 轻则导致监测或控制设备发生误动或拒动 重则破坏监测设备而扩大事故带来巨大的经济损失和社会影响。

因此对接地系统的安全性包括安全性指标及其限值、改善接地系统安全性的措施等 开展系统的研究 对确保发变电站安全稳定运行具有重要的意义4 。

1芯皮电位差的求解

1.1 分布参数方程的建立

单项单芯二次电缆是由芯线R 、金属管状屏蔽层D 、金属管状护层M 、外界媒质E 以及各同心圆柱导体之间F—DD-MM-E的绝缘介质层组成。为了便于和同轴电缆的电磁场分析建立联系将这一系统看成三个回路 见图1 。回路一由导芯和屏蔽层组成 回路二由屏蔽层和护层组成回路三由护层与大地组成并且分别具有回路电流i1i2和i3 。

图1中u i是指各局部回路中的压降和电流将其改成以大地为参考点的回路压降和各导体层中实际通过的电流 才适合线路方程的需要。设uR、 uD uM各表示电缆导芯、屏蔽层、护层的对地电压 iR、 iD、 iM?U鞅硎驹诘夹尽⑵帘尾恪11.厅、 阒型u?的电流。

沿电缆轴向回路压降在频域中的方程为 才

1.2 初值求解

在计算接有电缆的接地网参数时 通过戴维南等效原理[5] 先求无电缆连接时接地网的参数 再由此求得有电缆的接地网参数和电缆中的电压、 电流。

对于两端接地的电缆如果不考虑流经地网导体的电流通过电磁藕合对电缆的影响 则电流注入地网时 对于电缆来说接地系统相当于含有内

阻的电压源见图2  因而得到该电压源的电压和内阻之后 就可以将该电压源的电压和内阻加在电缆的屏蔽层上进一步分析电缆的响应。

图2接地系统在电缆两端的等效电路首先计算没有电缆时电缆的两个接地点之间的电位差 也即求得图2的V。然后设接地系统没有故障或雷电流流入在电缆的一个接地点向接地网注入单位电流 同时在电缆的另一个接地点从接地网抽出单位电流 计算电缆的两个接地点之间的电位差 由该电位差除以单位电流便可得到图2中的接地网等效阻抗。在得到接地系统的等效电压源及其内阻后 就可以计算出初值。

1.3 电位差解值

将初值代入式6 求出UR UD UM?6屹耍芯皮电位差为才

2芯皮电位差与地电位升的关系在求解初值时需要求解接地系统的等效电压源及其内阻 而它们要受到土壤电阻率地网边长地网导体间距短路电流大小 电流注入点的影响故这些因素也影响芯皮电位差二次电缆的长度埋深对二次电缆的分布参数造成影响故也影响着芯皮电位差。地网及变电站二次电缆的布置方式如图3所示。

图3二次电缆及接地网布置图

2.1各种因素对电位差的影响

1)土壤电阻率的影响。当改变故障电流注入点与电缆的距离时 电缆芯皮电位差与土壤电阻率的关系如图4所示。 在相同电缆布置和电流注入情况下 芯皮电位差随土壤电阻率的增加而微微增大。这是由于当土壤电阻率增大时 泄漏电流减小轴向电流略微增加的缘故。

土壤电阻率/Qm

1.C点注入 2.E点注入 3.D点注入

图4土壤电阻率与芯皮电位差的关系曲线

2)地网边长影响。地网的大小对芯皮电位差有着十分重要的影响。在相同电缆布置和电流注入情况下地网边长增大芯皮电位差呈非线性增大的趋势(见图5) 。地网边长越大在相同布置的情况下二次电缆接与电网上两点的开路电位的增长速度要远远的高于电缆的内阻抗的增长速度 此时屏蔽层电流随地网规模的增大而增加 屏蔽层电流越大对二次电缆的电磁干扰也就越大。故芯皮电位差也就越大。

地网边长/m

1.D点注入 2.C点注入 3.E点注入

图5地网边长与芯皮电位差的关系

3地网导体间距影响。 在相同电缆布置 电缆长度与接地网边长相等和电流注入情况下导体间距增大芯皮电位差几乎呈线性增大见图6 。地网导体的间距越大造成泄漏电流越小轴向电流越大 屏蔽层电流也就越大 因此芯皮电位差也越大。

地网间距/m

1-0m 2-5m 3- 10m

图6地网间距与芯皮电位差的关系

4电缆埋设深度的影响。在相同电缆布置和电流注入情况下改变电缆的埋设深度芯皮电位差几乎没有变化。改变电缆埋深时 对双端接地的二次电缆的皮电流影响很小 而电缆芯线的感应电位主要是由电缆皮电流确定的 而附近与二次电缆平行的导体流过的电流对电缆芯线电位影

响很小。 另外改变二次电缆的埋设深度对接地网导体流过的电流影响也很小。因此尽管由于地网导体与电缆相对位置改变了 但总体上电缆芯皮电位差变化很小。

5短路电流大小的影响。在相同电缆布置和电流注入点情况下注入电流大小与芯皮电位差近似成正比例关系 见图7 由于导体中的电流分布基本与注入电流成正比 因此电缆芯皮电位也近似与注入电流大小成正比。

I/kA

1.D点注入 2.C点注入 3.E点注入

图7注入点电流与芯皮电位差的关系

6 电流注入点的影响。在相同电缆布置和地网条件下随电流注入点远离电缆 电缆芯皮电位差逐渐减小 即当电流注入点为相邻的接地导体时 电位差达到最大值 见图

8 。

注入点与电缆的距离/m

1- 100Qm2-500Qm

图8注入点和电缆的间距与芯皮电位差的关系

7 在相同电缆布置和电流注入情况下 电缆长度增大芯皮电位差增大。当电流注入点距电缆接地点较远时 与电缆长度相比 芯皮电位差与电缆长度近似成线性关系 当电流注入点距电缆接地点较近时芯皮电位差与电缆长度成非线性关系。由于边界效应的存在

芯皮电位差增大并不与电缆长度成正比 见图9 。

电缆长度/m

1.C点注入 2.D点注入

图9电缆长度与芯皮电位差的关系

2.2芯皮电位差与地电位升的关系

通过分析可以发现 电缆埋深对电缆芯皮电位差和地电位升都没有影响 注入电流大小虽然对两者有影响 但两者与注入电流大小都是成正比例关系 因此注入电流大小对两者之间的关系也没有影响。 二次电缆的长度和电流注入点的选取只对电缆芯皮电位差有影响而对地电位升的影响是可忽略的。

地网导体间距的情况与电缆长度和电流注入点的情况有些类似尽管地网导体间距对电缆芯皮电位差和地电位升都有影响地网导体间距对电缆芯皮电位差的影响要远大于对地电位升的影响。因此地网边长和土壤电阻率两个因素则同时对电缆芯皮电位差和地电位升产生较大的影响。

当土壤电阻率和地网边长发生变化时通过程序计算所得芯皮电位差与地电位升的比例关系如表1所示。

表1电缆芯皮电位差占地电位升的比例%

3结语

按照传统思维二次电缆和二次设备只有2 kV的绝缘耐压 即芯皮电位差是2 kV时 当芯皮电位比例与地电位的比例为40时得出最大允许地电位升为2000  40 =5000V。本文研究的工频条件下的最大允许地电位升对于冲击条件下的最大允许地电位升有待进一步研究。此

前只考虑地电位升接触电压跨步电压对变电站接地系统安全的影响并没有考虑最大允许地电位升这个因素。按照最大允许地电位升为5000V设计接地网时可以节约成本 同时也可以降低二次设备保护装置的要求。 为了进一步研究本课题 计算芯皮电位差的电路模型有待改进 以便提高芯皮电位差的精度。