CN108387770B - 一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法，将位于电缆沟内的长电缆分成多个小段，采用π形等效电路模型；长电缆首末端铠装层直接与地网相连，而电缆中间每一小段则通过电容与地网相连，每一小段电缆与无穷远地之间等效成一个对地支路，据此将接地网等效成多端口模型；本发明将接地网等效成多端口模型，与电缆模型相结合，通过解电路的方法计算二次电缆暂态过电压；本发明考虑了暂态到地电位不均匀对二次电缆的影响以及接地网在电缆两接地端之间的互阻抗，其计算方法简单，计算结果准确。

Description

一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法

技术领域

本发明涉及高电压技术领域，尤其涉及一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法。

背景技术

当变电站遭受雷击或发生短路故障时，在冲击电流作用下，接地网出现较大暂态地电位差。该电位差施加在二次电缆两端，进而可能在电缆芯线上产生较大的过电压，一方面容易造成电缆芯线、屏蔽层及铠装层之间的绝缘破坏，另一方面过电压侵入二次设备，对设备造成危害。随着电压等级的升高和电网容量的增加，变电站面积越来越大，相应接地网也不断扩大，而二次电缆越长，施加在二次电缆上的电位差也就越大，对二次设备的影响也随之增加。随着智能电网的迅速发展，智能设备大量应用，其过电压防护尤为重要。

雷电流注入接地网时，由于接地导体的纵向阻抗作用，电缆两端接地点的暂态地电位升不同；如图1所示，该地电位升作用于电缆两端，在电缆铠装及屏蔽层上产生暂态电流，这些暂态地电位升和电流通过互感和互容耦合在电缆芯线、屏蔽层、铠装层上产生电压分布，并且在芯线和屏蔽层之间以及芯线和电缆接地点之间形成电位差(称为芯皮电压和芯地电压)，前者会导致电缆绝缘击穿，后者会窜入电缆所连接的二次设备，影响其安全。因此，需要重点关注地电位差对二次电缆造成的影响。

现有的计算方法：

1、针对雷击对二次电缆的影响问题，有研究者研究了雷击地面或地面架构对附近直埋于土壤中的电缆的影响，提出了芯线感应电压的计算方法。由于电缆周围并不存在接地网，其与变电站内铺设的二次电缆模型情况有较大差异。

2、还有研究者研究了变电站开关操作对二次电缆的电磁骚扰的计算方法。其主要关注开关操作时由于空间电磁耦合在电缆上产生的干扰电压，没有考虑暂态下地电位不均匀对二次电缆的影响。暂态电流注入接地网时，接地网内可能出现高达数十千伏的网内地电位差，该电位差施加在二次电缆两端，会在电缆芯线与屏蔽层之间以及芯线与端部的“地”之间产生较高的电位差，威胁二次设备安全。

3、有研究者通过计算雷击时变电站内二次电缆两端的地电位差，通过时域有限差分法计算电缆芯线与地之间的过电压。但该方法电缆两端仅使用接地网的冲击阻抗简单等效接地网，没有考虑接地网在电缆两接地端之间的互阻抗。同时该方法针对的是单屏蔽电缆，而目前变电站普遍使用的是带铠装的双屏蔽电缆，即电缆屏蔽层之外还有一层铠装层，屏蔽层与铠装之间相互绝缘。由于铠装层一般由金属制成，对二次电缆过电压计算有较大影响。

4、有研究者利用CDESG与PSCAD结合的方法实现相关计算，但所使用的CDEGS与PSCAD为商业软件，软件价格高昂。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法，二次电缆过电压包括芯线与屏蔽层，芯线与地之间的过电压。

为实现上述目的，本发明提供一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法，包括：

步骤1、建立二次电缆与接地网的等效计算模型：

将位于电缆沟内的长电缆分成多个小段，采用π形等效电路模型；每一小段电缆内芯线与屏蔽层之间的等效电容为C₁，屏蔽层与铠装层之间的等效电容为C₂，铠装层对电缆沟壁等效电容为C₃；芯线、屏蔽层和铠装层的自阻抗分别为Zcc、Zss和Zaa，芯线与屏蔽层之间的转移阻抗为Zcs和Zsc，芯线与铠装层之间的转移阻抗为Zca和Zac，屏蔽层与铠装层之间的转移阻抗为Zsa和Zas；

长电缆首末端铠装层直接与地网相连，而电缆中间每一小段则通过电容C₃与地网相连，每一小段电缆与无穷远地之间等效成一个对地支路，据此将接地网等效成多端口模型；在对地支路中，雷电流在接地网各对地支路形成的地电位分别为U₁至U_n，各对地支路的接地电阻分别为Z₁至Z_n，各对地支路的等效互阻抗分别为Z_M1至Z_Mn；

步骤2、在频域下根据电磁场理论计算电缆模型中的各参数，包括Zcc、Zss、Zaa、Zcs、Zsc、Zca、Zac、Zsa、Zas、C₁和C₂；根据有限元方法计算C₃；

步骤3、在频域下使用矩量法及电路理论的方法计算接地网等效模型中的各参数，包括U₁至U_n、Z₁至Z_n和Z_M1至Z_Mn；

步骤4、根据电缆首、末端接入的负载以及屏蔽层的接地方式确定电缆首端芯线与屏蔽层之间接入的电阻Z_T1、电缆首端屏蔽层与铠装层之间接入的电阻Z_T2、电缆末端芯线与屏蔽层之间接入的电阻Z_W1和电缆末端屏蔽层与铠装层之间接入的电阻Z_W2；

步骤5、使用节点电压法，在频域下计算电缆两端芯线与屏蔽层，芯线与地之间的电压，得到频域下的结果；

步骤6、根据冲击电流波形，使用快速傅立叶变换将频域下的计算结果反算至时域下。

作为本发明的进一步改进，二次电缆过电压包括芯线与屏蔽层之间的过电压和芯线与地之间的过电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将接地网等效成多端口模型，与电缆模型相结合，通过解电路的方法计算二次电缆暂态过电压；本发明考虑了暂态到地电位不均匀对二次电缆的影响以及接地网在电缆两接地端之间的互阻抗，其计算方法简单，计算结果准确。

附图说明

图1为雷电对变电站内二次电缆影响示意图；

图2为本发明一种实施例公开的二次电缆与接地网的等效计算模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明提供一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法，二次电缆过电压包括芯线与屏蔽层之间的过电压和芯线与地之间的过电压；计算方法包括：

步骤1、建立二次电缆与接地网的等效计算模型，等效计算模型图如图2所示；其中：

为了考虑地电位分布的影响，将位于电缆沟内的长电缆分为多个小段电缆，采用π形等效电路模型，在每一段内C₁为芯线与屏蔽层之间的等效电容，C₂为屏蔽层与铠装层之间的等效电容，C₃为铠装层对电缆沟壁等效电容；Zcc、Zss和Zaa分别为每一小段芯线、屏蔽层和铠装层的自阻抗；芯线与屏蔽层之间的转移阻抗为Zcs和Zsc，其意义为在屏蔽层(或芯线)上流过电流时芯线(或屏蔽层)上的感应电压。同理，芯线与铠装层之间的转移阻抗为Zca和Zac，屏蔽层与铠装层之间的转移阻抗为Zsa和Zas，图2中用电流控制的电压源表示各转移阻抗。

长电缆的首末端铠装层直接与地网相连，而长电缆中间每一小段则通过电容C₃与地网相连。电缆在每一小段电缆的首末端往地中看，每一小段电缆与无穷远地之间可以等效成一个对地支路，据此可将接地网等效成多端口模型。图2对地支路中，U₁至U_n为由于雷电流在接地网各处形成的地电位，即二次电缆未接入地网时由于雷电流注入在各个对地支路上产生的开路电压。Z₁至Z_n为各处的接地电阻，表示对地支路的入地电流在本支路上产生的地电位升。Z_M1至Z_Mn为接地网等效互阻抗，表示各接地支路入地电流在其他对地支路上形成的地电位升。由于互阻抗的意义为一个对地支路流过电流在另一对地支路上产生的电位，故在图2中用流控电压源表示。由于对地支路较多，无法将互阻抗全部画出，图2中每个对地支路上的受控电压源为多个受控源的串联叠加。

首端的Z_T1及Z_T2表示电缆首端芯线与屏蔽层，屏蔽层与铠装层之间接入的电阻；末端的Z_W1及Z_W2表示电缆末端芯线与屏蔽层，屏蔽层与铠装层之间接入的电阻。

步骤2、在频域下根据电磁场理论计算电缆模型中的各参数，包括上述步骤1所定义的Zcc、Zss、Zaa、Zcs、Zsc、Zca、Zac、Zsa、Zas、C₁和C₂；根据有限元方法计算C₃；根据电磁场理论计算电缆模型中的各参数以及根据有限元方法计算C₃为现有常规的计算方法，故在此不对其计算过程做详细阐述。

步骤3、在频域下使用矩量法及电路理论的方法计算接地网等效模型中的各参数，包括上述步骤1所定义的U₁至U_n、Z₁至Z_n和Z_M1至Z_Mn；使用矩量法及电路理论的方法计算接地网等效模型中的各参数为现有常规的计算方法，故在此不对其计算过程做详细阐述。

步骤4、根据电缆首、末端接入的负载以及屏蔽层的接地方式确定上述步骤1所定义的Z_T1、Z_T2、Z_W1和Z_W2；

步骤5、使用节点电压法，在频域下计算电缆两端芯线与屏蔽层，芯线与地之间的电压，得到频域下的结果；节点电压法为现有常规的计算方法，故在此不对其计算过程做详细阐述。

步骤6、根据冲击电流波形，使用快速傅立叶变换将频域下的计算结果反算至时域下。

本发明将接地网等效成多端口模型，与电缆模型相结合，通过解电路的方法计算二次电缆暂态过电压；本发明考虑了暂态到地电位不均匀对二次电缆的影响以及接地网在电缆两接地端之间的互阻抗，其计算方法简单，计算结果准确。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法，其特征在于，包括：

步骤1、建立二次电缆与接地网的等效计算模型：

将位于电缆沟内的长电缆分成多个小段，采用π形等效电路模型；每一小段电缆内芯线与屏蔽层之间的等效电容为C₁，屏蔽层与铠装层之间的等效电容为C₂，铠装层对电缆沟壁等效电容为C₃；芯线、屏蔽层和铠装层的自阻抗分别为Zcc、Zss和Zaa，芯线与屏蔽层之间的转移阻抗为Zcs和Zsc，芯线与铠装层之间的转移阻抗为Zca和Zac，屏蔽层与铠装层之间的转移阻抗为Zsa和Zas；

长电缆首末端铠装层直接与地网相连，而电缆中间每一小段则通过等效电容C₃与地网相连，每一小段电缆与无穷远地之间等效成一个对地支路，据此将接地网等效成多端口模型；在对地支路中，雷电流在接地网各对地支路形成的地电位分别为U₁至U_n，各对地支路的接地电阻分别为Z₁至Z_n，各对地支路的等效互阻抗分别为Z_M1至Z_Mn；

步骤2、在频域下根据电磁场理论计算电缆模型中的各参数，包括Zcc、Zss、Zaa、Zcs、Zsc、Zca、Zac、Zsa、Zas、C₁和C₂；根据有限元方法计算等效电容C₃；

步骤3、在频域下使用矩量法及电路理论的方法计算接地网等效模型中的各参数，包括U₁至U_n、Z₁至Z_n和Z_M1至Z_Mn；

步骤4、根据电缆首、末端接入的负载以及屏蔽层的接地方式确定电缆首端芯线与屏蔽层之间接入的电阻Z_T1、电缆首端屏蔽层与铠装层之间接入的电阻Z_T2、电缆末端芯线与屏蔽层之间接入的电阻Z_W1和电缆末端屏蔽层与铠装层之间接入的电阻Z_W2；

步骤5、使用节点电压法，在频域下计算电缆两端芯线与屏蔽层，芯线与地之间的电压，得到频域下的结果；

步骤6、根据冲击电流波形，使用快速傅立叶变换将频域下的计算结果反算至时域下。

2.如权利要求1所述的冲击暂态过程中变电站内二次电缆过电压的计算方法，其特征在于，二次电缆过电压包括芯线与屏蔽层之间的过电压和芯线与地之间的过电压。

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