一种应用在工程中基于矢量和的感应电压和环流简化计算研究.docx

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一种应用在工程中基于矢量和的感应电压和环流简化计算研究

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王哲元

0.引言

交叉互联方案在电网110kV及以上电缆工程中应用较为普遍，但城市轨道交通由于其变电所间距较小，且电流较小，变电所间连接电缆普遍采用两端接地方式。随着城市轨道交通向郊区、甚至城市间发展，站间距越来越大。而双端接地带来环流及过高的感应电势无法忽视，因此交叉互联接地方案则渐渐受到重视。

交叉互联方案理论上最优的分段长度为一个交叉互联段三段电缆等分，如此则使得环流及感应电压无限趋近与零。但是由于实际应用工程中配盘、施工等原因往往无法完全等分，还需根据无法等分情况核算感应电势及环流。以往验算需要利用对称分量合成法或者采用软件进行，但轨道交通中以往由于涉及交叉互联较少，并未有相关计算软件，而对称分量合成法较为繁琐，不适用于工程运用，因此提出了适用于工程应用的验算方式。

1.感应电压与环流计算

工程规范规程中对电缆接地的规定：

《GB50217-2008电力工程电缆设计标准》4.1.11中对交流单芯电力电缆金属套允许感应电势规定为：未采取能有效防止人员任意接触金属套的安全措施时，不得大于50V，其他情况不得大于300V。考虑轨道交通中运营人员相对繁杂，且有许多非电力专业运营人员沿着电缆路径检修维护。为保证运营人员安全，建议一般感应电势按照不大于50V。

电力工程电缆设计标准中对交流单芯电力电缆接地方式分为：单端接地，两端直接接地和交叉互联接地三种方式。其中单端接地适用于较短的线路，线路较长或输送容量较小的35kV以上电缆可采取两端接地方式（目前国内城市轨道交通大多采用此接地方式），交叉互联接地适用于大长区间或输送容量较大的线路。

根据南方电网公司《电力设备预防性试验规程》，金属护层感应环流不超过线芯工作电流的10%。建议长区间轨道交通环流控制宜按该标准要求执行。

基于矢量和的感应电势及环流计算

规范中对交流系统单芯电缆金属套正常感应电势计算做了如下规定：

电缆金属套上任一点非直接接地处的正常感应电势公式：

计算出各相电势后，利用CAD工具，采用矢量和可计算出三段不等分情况下感应电压。

计算结果如上图所示，工程中为了简化运算，我们可认为三相电压夹角为120o。通过矢量运算可看出三段交叉互联后感应电势有一定抵消，由于三段不等长使得交叉互联后仍存在一定电势差。

环流等于感应电势差/回路阻抗，回路阻抗包括接地电阻，金属护套阻抗以及金属护套交叉互聯时连接阻抗，电缆电容电流忽略不计。

[1]关于护套单位长度电阻和电抗计算如下：

金属护套单位长度电阻为：

式中：金属护套材料的电阻率;金属护套截面积;为金属护套材料的温度系数;为导体工作温度，为金属护套的温度相对于导体温度的比率，一般可取0.7～0.8。

金属护套单位长度电抗为：

2.具体工程案例分析

以某轨道工程一段区间电缆为例，某工程区间电缆最大运行电流300A，电缆截面为300mm2，电缆按品字形敷设，敷设后电缆间中心距为0.6m，金属套平均半径为0.3m，该段区间电缆长度为9.9km。

根据以上条件可算得每公里感应电压为13.066V，可得一个交叉互联单元最大长度为11.48km。该区间可用一个交叉互联单元满足接地要求。根据实际敷设情况，每段长度分别为3.2km、3km及3.7km。

根据矢量图，可知交叉互联后感应电势差为：8.16V。

查表可得，铜材料金属套电阻率为1.678×10-8Ω.m，电阻温度系数为0.00393，导体工作温度90℃。根据上节提及公式，可算得金属护套阻抗大小为：7.15×10-3+j6.94×10-3Ω/km。该段区间阻抗为：0.07+j0.067Ω。回路阻抗大小为：0.57+j0.067Ω（接地电阻设为0.5Ω）。环流大小可算得为：14.21A，占比4.7%，满足10%环流大小要求。因此该交叉互联方案满足要求。

3.结论

本文从工程角度总结并优化了交叉互联方案计算，具体为通过矢量图算出感应电势差，而后通过环流计算模型算出交叉互联后的环流值。该运算方法较矩阵方程算法较为简单，符合工程运用需求。下阶段可根据工程中实际测得数据，逐步优化运算模型。

[1]黄宏新，何建，罗进圣，陈小林，成永红。高压XLPE电缆金属护套环流的计算分析?浙江电力，2008年;第3期

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-全文完-