超长控制电缆分布电容影响工程实例分析

超长控制电缆分布电容影响工程实例分析

李论涛穆峰磊丁赞成单强

(1.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司新疆乌鲁木齐830002；2.国网新疆电力公司建设部新疆乌鲁木齐830002)

摘要：通过对新疆某换流站扩建工程跳闸回路采用超长控制电缆进行分布电容影响分析，并结合工程实际进行理论计算、仿真计算验证、现场实测分布电容和现场直流接地试验，采取防止长电缆分布电容影响的措施后，跳闸回路采用800米长控制电缆后保护不会误动。

关键词：长控制电缆；分布电容；影响

1问题的提出

新疆某换流站扩建工程因为突破原有规划建设且受场地限制，使用长控制电缆难以避免，其中保护跳500kV侧断路器回路控制电缆敷设长度约800米。目前设计规程针对长电缆尚未有明确规定，经验值一般将电缆的长度控制在400～500米左右，若使用单根约800米长的控制电缆可能会因为分布电容的影响造成该回路误动或不可靠。

2反措条文规定及执行情况

国家电网生〔2012〕352号关于印发《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中条文15.7.16规定：对经长电缆跳闸的回路，应采取防止长电缆分布电容影响和防止出口继电器误动的措施。

由于长电缆有较大的分布电容，从而使得干扰信号较容易通过长电缆窜入保护装置，严重时可导致保护装置不正确动作。在现代保护装置中通常对外部侵入的干扰有一定的防护措施，而对于出口继电器，则通常采用加大继电器动作功率或延长动作时间的方法抵御外部干扰。

执行情况：(1)本工程断路器保护所有涉及直接跳闸的重要回路均采用动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器，并满足其动作功率大于5W的要求。对于在直流系统发生接地、交流混入直流以及存在较强空间电磁场的情况下引入干扰信号，采用动作电压在一定范围之内、动作功率较大的重动继电器可有效提高抗干扰能力，防止继电器误动。(2)针对本工程800米长电缆(ZRB-KYJVP2/22-450/750-4×2.5)的分布电容进行实测，并利用MATLAB仿真软件进行了仿真计算和验证，仿真计算综合电容值与实测综合电容非常接近，实测800米长电缆电容值为78.5nF。

3长电缆分布电容实测及仿真校核

由于国家标准GB/T9330.3中对控制电缆没有要求电缆厂家提供电容值，因此，通过现场实测对长电缆分布电容的影响进行分析。

(1)分布电容测试

电缆足够长以后芯线对屏蔽、芯线对芯线的分布电容都不能忽略，它们的分布电容大小是由它们在空间的相互距离、极板(导线表面)的大小及它们之间的介质决定的。因此,可以按它们的空间布置假设有如下电容组成，用C0代表1根芯线对屏蔽的分布电容，用C1代表两相邻芯线之间的分布电容，用C2代表两不相邻芯线之间的分布电容。由此，可以得到4芯电缆等效分布电容结构见图3.1。

图3.1四芯电缆等效分布电容结构图

总电容测试方法1:用施加工频电压U(100V),测试流入测量点的电流I，计算总分布容抗X总=U/I。按C总=1/2πfX总=1/2π50X总=I/314U。

总电容测试方法2:直接用高精度电容表在测量点直接测取。

1)芯线对屏蔽层分布总电容C总的测试。

此项记录结果：U=100V；I=0.0023A，计算得C总=73.25nF。利用高精度电容表实测C总=78.5nF。

2)芯线对屏蔽层分布电容C0的测试。

此项记录结果：U=100V；I0=0.0071A，计算得C0=C0总/4=56.53nF。利用高精度电容表实测C0=57.5nF。

3)相邻芯线间分布电容C1测试。

此项记录结果：U=100V；I1=0.0049A，计算得C1=(C1总-2C0)/4=10.74nF，其中C0为2)节的计算结果。利用高精度电容表实测C1=10.1nF。

4)不相邻芯线间分布电容C2测试。

此项记录结果：U=100V；I2=0.0044A，计算得C2=(C2总-2C0-2C1)/2=2.73nF，其中C0、C1为前面的结果。利用高精度电容表实测C2=2.05nF。

将以上试验数据列于表3.1。

(2)仿真校核

1)为了验证等效电路有效性及测试方法的可行性,利用上述实测数据进行了仿真校核,仿真软件MATLAB。依据等效电路建立仿真四芯控制电缆等效电路模型。

2)仿真校核项目依据表3.2的测试项目,即芯线对屏蔽层、相邻芯之间及不相邻芯之间施加100V交流50Hz电压,读取回路电流,计算仿真综合电容。仿真电压100V,电流为2.42mA,计算仿真综合电容,中芯对屏蔽及中芯对外芯施加100V交流50Hz电压,读取的电流及计算仿真电容列于表3.3。

图4.1电气回路图

(1)TJR继电器为电压继电器，最小动作电压为60.5V，对应的启动电流为0.082A。Cx的放电电压需大于60.5V，启动动作时间在5ms至10ms之间，才能让TJR继电器具备启动条件。

(2)从上述电路图中可以看出TJR继电器两端电压变化是个二阶电压响应的过程。

由于C+、C-难于理论计算，为了简化分析过程，假设接地时，C+、C-导通，即由开关代替，来分析此电路。实际回路为图4.2所示的二阶阻尼放电回路，计算实际放电时间和继电器上的电压，计算结果见表4.2。

图4.2二阶阻尼放电回路

从以上计算结果可以看出，800米长电缆分布电容Cx的影响，在不考虑直流系统电容、对地电阻的情况下，考虑极端情况，此分布电容放电时间在0.07514ms时，继电器上的电压为60.516V；在0.08303ms时，继电器上的电压为56.836V，小于保护的5ms至10ms的启动时间和启动电压。在4.15ms时，继电器上的电压已降到5.046x10-13，接近于零值，即不会发生误动的情况。

4.2现场联调及试验

1)现场联调情况

现场调试人员对联络变压器保护出口跳闸回路进行了现场联调，在联调过程中，启动联络变压器保护动作出口跳500kV断路器30余次，断路器均正确动作并返回断路器位置。

2)现场试验情况

现场选择从本期扩建的A继电器室联络变压器保护柜至前期已建的B继电器室断路器保护柜控制电缆，长度800米，规格型号：ZRB-KYJVP2/22-0.45kV/0.75kV-4×2.5，操作A继电器室联络变压器保护柜保护出口，500kV断路器正常分合，验证跳闸回路接线正确，断路器可正确跳闸。

试验一：将保护出口的正极用短接线与接地铜牌短接，B小室试验人员观察TJR继电器有无出口信号，重复上述过程54次，均未发现TJR继电器动作，用万用表测试跳闸回路负极与地之间电压为直流-108.5V。

试验二：将保护出口的负极用短接线与接地铜牌短接，B小室试验人员观察TJR继电器有无出口信号，重复上述过程54次，均未发现TJR继电器动作，用万用表测试跳闸回路正极与地之间电压为直流+108.6V。

试验三：为了进一步验证长电缆分布电容对控制回路可能产生的影响，现场将2根从A继电器室至B继电器室长度为800米的跳闸电缆用其中3芯线短接成1根跳闸电缆(回路长度为2400米)重复进行上述试验一、试验二超过100次，经现场观察，均未出现TJR继电器出口动作现象。

4.3对地交流电源串入直流正、负母线侧

现场安装调试工作已基本完成，该站交流为AC220V，如模拟对地交流电源串入直流正、负母线侧，可能损坏相关设备及元器件,只要加在TJR继电器线圈上的电压值高于继电器的最低启动值60.5V并且超过TJR继电器的动作时间，继电器就会动作，如图4.4阴影部分所示，长电缆分布电容影响并不是引起TJR继电器误动作的决定因素，加在直流正、负母线侧的交流输入才是TJR继电器动作的决定因素。

图4.4继电器动作时间关系图

4.4交流混入直流

交流混入直流一般情况不会发生，因为设计和施工时已考虑将交直流电缆分开且分层分区布置。除非工作人员误将交流电串入直流系统时继电器通过控制电缆的分布电容构成回路产生电容电流导致误动。

5误动产生的原因及防范措施

在直流系统受到某些干扰时，如发生直流接地或交流电源串入到直流回路时，可能导致一些动作值较低的灵敏保护继电器发生误动作，误动作取决于三个因素，即电缆对地分布电容值的大小、继电器的动作值大小及外界干扰因素。其防范措施主要从三个方面考虑:减小二次电缆的分布电容、选用动作值较高的继电器以及尽量避免外界因素对直流系统产生干扰。一般情况下，在二次电缆长度确定的情况下要改变电缆对地分布电容值的大小是比较困难的。另一个最有效的防范措施就是提高继电器的动作功率。为防止保护装置误动作的发生，需在保护装置跳闸出口回路加装大功率继电器，十八项反措中也明确要求“所有涉及直接跳闸的重要回路应采用动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器，并要求其动作功率不低于5W。”本工程分相操作箱JFZ-22F永跳继电器TJR参数满足反措要求。

6防范措施及结论

(1)防止长电缆分布电容影响的措施主要有：第一，合理优化电缆路径，尽可能将二次电缆的长度控制在一定长度范围内。第二，在保护装置跳闸出口回路加装大功率继电器(大于5W)，防止保护装置误动作的发生。第三,直流控制电压均采用110V，采用直流110V具有提高操作电源系统可靠性和供电质量，减少中间继电器线圈断线和直流系统接地故障，降低干扰电压的幅值，从而提高运行安全性等优点。第四，严格按照反措要求做好控制电缆屏蔽层两端可靠接地等抗干扰相关措施。

(2)为防止交流串入直流系统，可采取以下加强绝缘措施：1)将交直流电缆分开且分层分区布置，防止电缆绝缘破坏后交流直接混入直流；2)将强、弱电电缆之间进行隔离；3)端子排列时在交直流回路之间采用一个空端子进行隔离，并在接线端子排中间加绝缘隔板；4)在绝缘线芯套黄蜡管等。

(3)设计方案联络变保护500kV侧跳闸回路电缆敷设长度约800米，控制电缆长度不可改变，现行规程规范和反措上对长控制电缆具体长度值也没有明确界定。但长控制电缆的分布电容的影响不容忽视，本工程结合现场情况对该回路长控制电缆分布电容进行了实测和仿真验证，并进行了现场直流系统接地试验，理论计算与现场实测、现场联调及现场试验情况相符。

综上，根据分析计算和现场试验结果可知，考虑到长控制电缆分布电容的影响，保护不会误动。

参考文献

[1]孟恒信,张悦,朱良肄,杨峥．保护用控制电缆分布电容参数测试方法研究．山西电力，2008年8月第4期(总第148期).

作者简介

李论涛(1981—)，男，陕西周至人，学士，高级工程师，主要从事变电工程设计研究与管理工作。