高壓電纜金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓分析計(jì)算及相關(guān)保護(hù)設(shè)備選型

高壓電纜金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓分析計(jì)算及相關(guān)保護(hù)設(shè)備選型

2020-02-05 12:27來源:

原標(biāo)題：高壓電纜金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓分析計(jì)算及相關(guān)保護(hù)設(shè)備選型

中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司、河南省眾慧電力工程咨詢有限責(zé)任公司的研究人員惠勝達(dá)、張軍強(qiáng)，在2019年《電氣技術(shù)》增刊1上撰文，提供了一種基于atp-emtp計(jì)算高壓電纜在雷電過電壓、工頻過電壓時的計(jì)算方法和模型，并提出相應(yīng)的限制措施，同時為相關(guān)設(shè)備的選型提供依據(jù)。

目前在我國單芯結(jié)構(gòu)的電纜多被用于110kv及以上的高壓電纜。對于單芯電纜，為了限制在電纜正常運(yùn)行時外護(hù)套上的環(huán)流，一般采用電纜金屬外護(hù)套單端接地或交叉互聯(lián)接地。這樣一來，就會在電纜的非直接接地端感應(yīng)出較大的電壓，特別是在雷電沖擊電流或短路電流的作用下，產(chǎn)生的過電壓會擊穿電纜外護(hù)套。為了保護(hù)電纜外護(hù)套，通常采用在電纜的非直接接地端安裝電纜護(hù)套保護(hù)器（也稱電纜護(hù)套電壓限制器，簡稱svl）。

電纜護(hù)套保護(hù)器的配置是否合理以及所選用的參數(shù)是否適當(dāng)，需要通過分析計(jì)算才能得出。本文采用atp-emtp電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，對侵入電纜系統(tǒng)的雷電過電壓和短路工頻過電壓進(jìn)行詳細(xì)仿真計(jì)算，為相關(guān)的設(shè)備選型提供依據(jù)。電纜外護(hù)套的雷電沖擊耐受電壓值應(yīng)不小于表1中的規(guī)定。

由表1可以看出，對110kv和220kv電纜，其外護(hù)套雷電沖擊耐受電壓值應(yīng)不小于37.5kv和47.5kv。工頻過電壓下電纜外護(hù)套的感應(yīng)電壓應(yīng)不超過25kv。

表1 電纜外護(hù)套雷電沖擊耐受電壓值（kv）

電纜無論采用交叉互聯(lián)接地還是采用單端接地，對于過電壓計(jì)算來講，其最大值往往出現(xiàn)在非直接接地端。因此計(jì)算時采用單端接地的模型即可。本文計(jì)算設(shè)定的邊界條件為：220kv電纜、長度為400m、直接接地端接地電阻為5ω、單相短路電流為23.65ka、三相短路電流為25.5ka，電纜采用2500mm2銅纜。

1 雷電沖擊過電壓影響計(jì)算

對于330kv及以上的系統(tǒng)，電纜線路的主絕緣需要考慮操作過電壓的影響，而對于110kv及220kv系統(tǒng)來說，電纜線路的主絕緣主要是由外過電壓決定的，有學(xué)者的相關(guān)研究也未對電纜外護(hù)套的操作沖擊耐受電壓提出要求，因此本文只對電纜金屬護(hù)套上可能出現(xiàn)的雷電過電壓和短路時的工頻過電壓進(jìn)行詳細(xì)的仿真計(jì)算。

雷電流的模擬波形有多種，而雙指數(shù)波形是與實(shí)際雷電流波形最為接近的等值波形，其表達(dá)式為

式（1）

式中，常數(shù)a、α、?由雷電流的波形確定。

雷電流的波形采用gb/t 50064—2014標(biāo)準(zhǔn)中推薦的2.6/50?s標(biāo)準(zhǔn)雷電流進(jìn)行模擬仿真。計(jì)算取值：架空線路波阻抗為350ω，雷電波電壓幅值取避雷器殘壓值，220kv為562kv。計(jì)算220kv電纜用雷電沖擊電壓模型波形圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算220kv電纜用雷電沖擊電壓模型波形

電纜在atp-emtp中的雷電沖擊電路模型如圖2所示。

圖2 atp-emtp雷電沖擊電路模型

在雷電沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖3所示。

圖3 雷電沖擊電流作用下金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

在雷電沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖4所示。

圖4 雷電沖擊電流作用下金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形

如圖3和圖4所示，在雷電沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓最大值為92.24kv，超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓47.5/1.4kv的要求，而直接接地端感應(yīng)電壓最大值為5.39kv，滿足要求。因此，應(yīng)在電纜中間的絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器。

在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后，在雷電沖擊電流作用下，電纜線路金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖5所示。

圖5 雷電沖擊電流作用下、安裝電壓限制器后金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

如圖5所示，在雷電沖擊電流作用下，在電纜金屬護(hù)套非直接接地端安裝護(hù)套電壓限制器后，其感應(yīng)電壓最大值為19.59kv，不超過電纜金屬護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓47.5/1.4kv的要求。

2 短路工頻過電壓計(jì)算

在電力系統(tǒng)短路故障中，單相接地短路故障約占65%，三相短路故障約占5%，而三相短路對系統(tǒng)的影響最大。這里僅分析計(jì)算當(dāng)單相短路和三相短路時，電纜金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓。根據(jù)前文假設(shè)的短路電流值，其中單相短路電流為23.65ka，三相短路電流為25.5ka。

電纜在atp-emtp中的單相短路模型和三相短路模型分別如圖6和圖7所示。

圖6 atp-emtp單相短路模型

圖7 atp-emtp三相短路模型

計(jì)算結(jié)果分析如下：在單相短路電流23.65ka作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖8所示。

在單相短路電流作用下，電纜金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖9所示。

如圖8和圖9所示，在單相短路電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓最大值為23.2kv，超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kv的要求，而直接接地端感應(yīng)電壓最大值為0.47kv。因此，需在電纜非直接接地端的絕緣接頭處安裝電壓限制器。

圖8 單相短路電流作用下金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

圖9 單相短路電流作用下金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形

在電纜非直接接地端絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后，在單相短路沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖10所示。

圖10 單相短路電流作用下、安裝電壓限制器后金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

如圖10所示，在單相短路沖擊電流作用下，在電纜金屬外護(hù)套非直接接地端安裝護(hù)套電壓限制器后，其感應(yīng)電壓最大值為8.79kv，不超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kv的要求。

同單相短路電流計(jì)算方法一樣，在三相短路電流25.5ka沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓最大值為64.69kv，超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kv的要求，而直接接地端感應(yīng)電壓最大值為4.13kv，滿足要求。因此，需在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器。

在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后，在三相短路沖擊電流作用下，電纜感應(yīng)電壓最大值為15.69kv，不超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kv的要求。

3 電纜護(hù)套電壓保護(hù)器的選型和配置

通過上述分析計(jì)算可以看出，電纜在外過電壓或工頻過電壓作用下，其非直接接地端的外護(hù)套感應(yīng)電壓均會超過其耐受值，為了保護(hù)電纜，目前最行之有效的措施就是安裝電纜護(hù)套保護(hù)器。

目前常用的電纜護(hù)套保護(hù)器是一種金屬氧化物避雷器?，F(xiàn)行的電壓限制器是用的串聯(lián)閥片，在選擇護(hù)套電壓限制器時，應(yīng)滿足：①在系統(tǒng)短路故障切除時間內(nèi)產(chǎn)生的工頻過電壓，不能超出電壓限制器的工頻耐受電壓uac,t值；②護(hù)套電壓限制器的殘壓值ur不得超過電纜外護(hù)套沖擊過電壓作用的保護(hù)水平，在工頻過電壓時不應(yīng)被擊穿。

保護(hù)器耐受工頻過電壓的能力用規(guī)定時間下的耐壓值（例如2s或4s工頻耐壓值）表示。殘工比k是保護(hù)器的保護(hù)性能的重要指標(biāo)，其表達(dá)式為

式（2）

保護(hù)器的殘工比k越小，其性能越好。目前常用的氧化鋅閥片，它的殘工比已經(jīng)達(dá)到2.7。

綜上所述，保護(hù)器的選擇應(yīng)滿足以下幾個條件：

1）電纜護(hù)套絕緣的沖擊耐壓值應(yīng)大于保護(hù)器通過沖擊電流時的殘壓值乘以1.4。

2）在最大工頻電壓5s內(nèi)，保護(hù)器不被損壞。

3）在通過最大沖擊電流累計(jì)20次，保護(hù)器不被損壞。

4）電纜護(hù)套保護(hù)器氧化鋅閥片的數(shù)量，由護(hù)套所受工頻過電壓確定，保護(hù)器閥片數(shù)為

式（3）

結(jié)論

1）本文所提供的高壓單芯電纜在過電壓時，外護(hù)套的感應(yīng)電壓分析計(jì)算方法，是利用atp-emtp電磁暫態(tài)仿真軟件，該軟件主要算法基于麥克斯韋電磁場理論。本文在計(jì)算電纜過電壓外護(hù)套的感應(yīng)電壓時，其大小受電纜非直接接地端的接地電阻影響不大，而與電流的變化頻率有很大關(guān)系，這一點(diǎn)與基于電工原理的計(jì)算方法有很大差別。

2）采用本文提供的計(jì)算方法可以準(zhǔn)確計(jì)算出電纜在外過電壓和短路工頻過電壓時其金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓，為合理配置電纜護(hù)套電壓限制器提供選型依據(jù)。

3）本文計(jì)算模型采用的是電纜單端接地模型，但是需注意：對于單端接地的電纜，為了限制單相短路時工頻過電壓對電纜護(hù)套保護(hù)器的影響往往需要安裝回流線；對于交叉互聯(lián)接地方式，則不需要單獨(dú)敷設(shè)回流線。