安全设计中电缆的选择 杭州自动化院专家提出电缆线路配置电流速断保护的最大临界长度

杭州自动化技术研究院的研究人员张健在2022年第4期《电气技术》上撰文，采用PSCAD仿真软件，对多种截面的长电缆线路空载合闸过程进行仿真分析，找出电缆线路空载合闸电流与电缆长度的关系，并仿真分析空载合闸电流的衰减过程。

作者根据继电保护整定的基本原理，确定常用电缆线路配置电流速断保护的最大临界长度，给出长电缆线路保护配置的建议。根据10kV断路器、负荷开关等设备开断容性电流的能力，分析不同截面的电缆线路对应的长度，以及现有补偿方案的不足，当线路超过该长度时，需要对断路器或隔离手车等设备提出特殊订货要求。

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随着电力电缆制造水平的不断提高，对于具有大量馈线的10kV等级配电网，电力电缆逐渐取代架空线路成为主要的馈电方式。然而，电力电缆单位长度电容值较大，通常为同截面架空线的10倍以上。

离变电所较远的山区村庄、度假村及高速铁路等供电线路都普遍较长，达到20km以上，线路的充电功率大，电缆线路的分、合闸暂态过程比架空线更为复杂，其容性无功补偿、中性点接地方式及继电保护整定原则均与架空线路或短电缆线路存在差异，需要进行详细研究。

目前国内外专家学者对10kV长电缆线路的研究往往集中于合闸过电压及其与线路型式、长度的关系，以及相应的设备选型策略，但未对长电缆线路的合闸电流及其规律，以及合闸电流对继电保护配置的影响进行分析。

本文采用PSCAD仿真软件，建立在实际工程中应用较广的几种截面的10kV空载长电缆线路暂态过程的仿真模型，对长电缆线路的合闸电流、空载电容电流、末端短路电流等进行计算，提出电力电缆长度的约束条件，以及相应的电缆线路配置选型设计方案，为电缆线路设计及断路器选型、继电保护整定值设置提供参考。

图1

本文以某10kV馈电线路为例，基于PSCAD仿真软件，研究电缆参数、线路长度与合闸电流的关系。根据图1所示的等效电路，建立3×95mm2电缆不同长度下的合闸仿真模型，仿真得到合闸电流与线路长度关系如图2所示。

图2

线路长度为5km时合闸电流波形如图3所示，由图3可以得出，合闸电流在到达峰值后会迅速衰减，在20ms内达到稳态。随电缆截面增大，波阻抗降低，最大合闸电流增加。

图3

以3×95mm2电力电缆线路为例，最大短路电流Ikmax为线路末端发生两相短路时的短路电流，其与线路长度的关系如图4所示。由图4可知，线路最大短路电流随长度增加而减小，与合闸电流趋势相反。

图4

以3×95mm2电力电缆线路为例，线路长度为54km时的空载线路电流波形如图5所示。由图5可知，3×95mm2电缆线路长度达到54km时，空载电流有效值为25A。

图5

本文在电缆基本分布参数基础上，利用PSCAD仿真软件，对10kV长电缆线路空载合闸过程展开分析，得到如下结论：

1）3×95mm2电缆长度小于5km时，线路空载合闸电流与长度基本成正比例关系，长度大于5km以后，合闸电流基本不再增加。

2）合闸电流与电缆波阻抗相关，电缆截面越大，波阻抗越小，合闸电流越大。

3）电缆线路存在电流速断保护的临界长度，当电缆线路长度大于该临界长度后，建议线路配置电流差动保护。

4）电缆长度超过25A空载容性电流对应长度时，需要对断路器提出特殊要求。

本文编自2022年第4期《电气技术》，论文作者为张健，1962年生，高级工程师，主要从事输配电网设备设计制造及运行研究工作。本课题得到了“国网浙江省电力有限公司科技项目”的支持。

张健. 10kV长电缆空载线路合闸过程分析与应对策略[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 87-91. ZHANG Jian. Analysis and countermeasures of closing process of 10kV no-load long cable line. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 87-91.