随着高压电力电缆逐步取代电力架空线，在城市配电网中占据越来越大的比重，如何解决因城市施工改造引起的高压电缆不对称敷设，从而导致电缆末端护层感应电压过大的问题成了一项重要任务。国网宜兴供电公司对高压电缆护层感应电压进行理论分析及仿真建模，提出一种基于电感补偿的方法，不仅能够抑制线路末端不平衡电压，减小护层感应电流，提高电能质量，同时还大大缩减补偿电压的成本。现场测量结果验证了所提方法的有效性。
研究背景随着城市化进程的加快，城市供电线路入地已成为共识。截至2022年，全国110 kV及以上大截面电缆回路长度达4.6万公里，江苏省电缆长度已超过6000公里，占比全国第一，并以每年超过10%的速度快速增长。江苏现有输电电缆中，大截面电缆占比51%，是城市供电系统的“主动脉”。然而，部分地区由于城市建设的原因，需将已敷电力电缆的长度进行改造，改造后的电缆往往会出现金属护层感应电压升高的问题。当电压过大时会造成外护套被击穿，破坏绝缘性，导致电能损失，严重时还可能危及人身安全。因此需要对非等距离敷设的电缆采取措施限制护层电压。论文解决的问题及意义本工作的研究内容如下：（1）研究单芯电缆护层感应电压影响因素，在此基础上提出基于电感补偿原理的护层感应电压限制方法；（2）建立不对称分段敷设方式下的单芯电缆护层感应电压仿真模型，模拟不同工况下电感补偿前后电缆护层感应电压大小；（3）制作电感补偿实物，通过现场实测验证理论，仿真正确性，为电缆改造施工提供参考服务。论文方法及创新点1、理论分析如图1所示为电缆非对称排列方式下的三相护层电压三角形图，红色箭头为护层感应电压，当电缆排列不对称或三小段电缆不等长时，三相护层的感应电压向量和不为0，便会产生感应电动势。图1 非对称排列时电压三角形此时在三相线路末端全部连接电感线圈，其中每个电感线圈的一端接在该相电缆末端的金属护层上，另一端接地。当电缆通过交变电流时，会在电缆周围产生交变磁场，该交变磁场不仅与各相护层电压相链，同时也与该补偿电感相链形成感应电动势，该感应电动势会抵消电缆线路末端的不平衡电压，从而达到限制金属护层感应电压的目的。图2 电感补偿前的护层电压示意图图3 电感安装示意图图4 电感补偿后的护层电压示意图2、仿真模拟本工作采用PSCAD/EMTDC仿真软件对单回路、双回路电缆在补偿前与补偿后的护层电压进行仿真。电缆型号为YJLW03-1*630mm^2，电缆层数简化为4层，由内到外分别为：电缆中心导体层，内绝缘层，金属护层以及外绝缘层。其中各层半径分别为：0.022m，0.0395m，0.044m，0.0475m。设置单回路电缆为水平敷设方式，相间距为0.2m，电缆等级为110kV，线芯电流200A，仿真时使用仅电缆护层换相的方式。图5及图6分别为双回路补偿前后的三相电压图。图5 双回路补偿前三相电压图图6 双回路补偿后三相电压图由图5-6可得，在电感补偿前，A相护层电压平均值为41.01V，B相护层电压平均值为39.45V，C相护层电压平均值为55.58V，线路末端护层电压为15.41V。补偿后A相护层电压平均值为51.56V，B相护层电压平均值为52.96V，C相护层电压平均值为53.85V。线路末端不平衡电压为2.00V。可见在双回路线路末端连接电感之后不平衡电压得到显著减小。3、现场测试本工作制作电感补偿装置。补偿装置总共有120匝线圈，引出抽头分别为40、60、80和100匝，气隙可调。测试地点选在南京新庄110kV变电站中新1#线及三叉河110kV变电站下龙1#线两个地点，电缆型号均为YJLW03-1*630mm^2，相间距为20cm，负荷电流为190A。补偿装置与现场测试图如图7-8所示。图7 补偿装置 图8 现场测试安装图由现场测试数据得，在预设得气隙长度及匝数下（0.46mm，100匝），可以满足电缆护层感应电压的补偿要求。结论（1）电感补偿可有效解决电缆由敷设原因导致的金属护层末端不平衡电压问题，减小护层电流，提升了传输容量，且该方法降低了电缆电压补偿的成本，在工程上具有可行性。（2）电感补偿效率与气隙长度，线圈匝数有关；在不产生过补偿情况下，当气隙长度增大时，补偿效率降低；同时，补偿效率与线圈匝数几乎成正相关关系，当线圈匝数合适时，可以对电缆护层电压完全抵消。团队介绍
