產品技術
 
單芯電力電纜護層過電壓保護

北京供電局電纜管理處 (北京, 100027) 陳 平 薛 強
 武漢雷泰電力技術有限公司 (武漢,430070) 羅 彥 張成勇
 
 Abstract
 摘要:本文基于國內外相關標準,從電纜護層過電壓保護器參數選擇和電纜接地電阻要求兩個方面探討單芯電力電纜護層過電壓保護技術,以防止雷電過電壓和內部過電壓造成電纜金屬護層多點接地故障。
 
 一、引言
 35 kV大截面電力電纜和66、110 kV及以上電壓等級的電力電纜均為單芯電纜,敷設時若金屬護層兩端三相互聯后直接接地,則當電纜線芯通過電流時,其金屬護層中感應的環流可達線芯電流的50%-95%,感應電流所產生熱損耗極大地降低電纜載流量并加速電纜主絕緣電-熱老化;若電纜金屬護層一端三相互聯并接地,另一端不接地,則電纜金屬護層中雖無環流,但當雷電波或內部過電壓波沿電纜線芯流動時,電纜金屬護層不接地端會出現較高的沖擊過電壓,或當系統短路事故電流流經電纜線芯時,其護層不接地端也會出現很高的工頻感應過電壓。上述過電壓可能擊穿電纜外護層絕緣,造成電纜金屬護層多點接地故障,大幅增加環流附加熱損耗,嚴重地影響電力電纜正常運行甚至大幅減少電纜使用壽命。
 
 一旦電纜金屬護層多點接地故障,故障的測尋、定點和修復均比較困難,停電檢修造成的電量損失較大。因此,研究電力電纜護層過電壓機理及其保護技術顯得尤為重要。本文基于國內外相關標準,從電纜護層過電壓保護器參數選擇和電纜接地電阻要求兩個方面探討單芯電力電纜護層過電壓保護技術,供大家參考。同時,本文作者希望拋磚引玉,
 
 二、電纜護層過電壓保護器參數設計
 
 高壓電纜護層過電壓保護器(簡稱:護層保護器)一般采用氧化鋅非線性電阻片作為保護單元、瓷套作為外絕緣。針對過去常用的瓷套外絕緣諸如體積大、密封性能差、容易爆炸引起事故范圍擴大的缺陷,武漢雷泰電力技術有限公司研制生產的高壓電纜護層過電壓保護器(亦簡稱:護層保護器)是采用氧化鋅非線性電阻片作為保護單元、硅橡膠外套作為外絕緣,除了具有保護特性好的優點外,還具有輕型美觀、密封防爆、免維護等突出優點,如圖1所示。護層保護器安裝在電纜線路交叉互聯箱體內和電纜終端位置,其作用是(1)限制電纜線路金屬護層中的工頻感應電壓;(2)迅速減小電纜線路金屬護層中的工頻過電壓和沖擊過電壓。亦即:(1)在電纜線路正常工作狀態時,高壓電纜護層保護器呈現高電阻狀態,截斷電纜金屬護層中的工頻感應電流回路;(2)當電纜線路出現接地故障、或雷電過電壓、或內部過電壓導致電纜金屬護層中出現很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時,高壓電纜護層保護器呈現出低電阻導通狀態,使得故障電流經保護器迅速瀉入大地,起到保護電纜外護層絕緣的作用。
 
 正確選取護層保護器的電氣參數直接關系到保護器的保護效果。目前國內外標準中,僅只對護層保護器選用作了一般規定。例如:DL401-91《高壓電纜選用導則》(該標準正在修訂中)對電纜護層過電壓保護器參數選擇作了定性規定,而GB/T11017-2002 《額定電壓110kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》、GB/Z 18890-2002 《額定電壓220kV(Um=252kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》和DL/T620-1997 《交流電氣裝置的過電壓絕緣配合 》中沒有明確規定電纜護層過電壓保護器參數選擇。
 
 基于上述標準,通過計算電力電纜線路過電壓幅值[1,2],結合電纜外護層的絕緣要求,武漢雷泰電力技術有限公司提出護層保護器電氣參數設計原則:當電纜線路出現過電壓時,流經護層保護器的瞬態沖擊電流I=2U/(Z1+R) (式中:U為過電壓幅值;Z1 為電纜線路的波阻抗;R為電纜線路的接地電阻值,I為流經護層保護器的瞬態沖擊電流,約10kA。)而保護器不應損壞,且護層保護器的殘壓乘以1.4后應小于電纜外護層的沖擊耐壓水平。護層保護器主要電氣參數列入表1中。
 
 試驗室試驗研究和大量實際運行經驗表明:表1所列的護層保護器的電氣參數選取合理,電壓-電流特性曲線良好,保護曲線平坦。其過電壓下的大電流通流容量和殘壓符合國家標準要求,能夠有效限制電纜金屬護層工頻感應電壓和故障沖擊過電壓,保護電纜線路外護層絕緣。
 
 護層保護器投入運行后,應該定期進行直流1mA電壓試驗和0.75倍直流1mA電壓下的電流試驗,以驗證護層保護器的工作狀態和保護效果。圖2 所示的電纜護層過電壓保護器特性參數測試儀采用自動控制原理對1mA電流和0.75倍電壓進行精密 閉環調整,從而獲得穩定的1mA電流和0.75倍電壓。 采用微電腦控制測量過程,將繁雜的手動調節過程“程序”化,只需按一個按鈕就可以實現自動完成測量電纜護層保護器在1mA時的直流參考電壓和0.75倍參考電壓時的泄漏電流。
 
 三、電力電纜線路保護接地要求[3]
 
 電力電纜線路保護接地即電力電纜金屬護層可靠接地,是有效保障電力電纜線路安全運行的重要保護措施之一。電力電纜線路不論是在正常運行狀態下,還是在發生接地故障、或雷電過電壓以及內部過電壓狀態下,均需要利用大地作為電流回路,將電纜線路接地位置的電位鉗制在允許的接地電位上。接地電位與接地裝置的接地電阻值密切相關,而接地電阻值不僅與入地電流的波形、頻率有關,而且與接地裝置的幾何形狀和尺寸、大地電阻率、電纜線路敷設方式以及電纜故障類型密切相關。如果接地電阻值不滿足電纜線路安全運行的要求,則在故障狀態下接地電位可能大幅升高至數百kV,一方面,地電位反擊可能導致電纜外護層絕緣擊穿,引發電纜線路金屬護層多點接地故障;另一方面,地電位大幅升高后反擊相鄰電氣設備,或形成跨步電壓和接觸電壓使人員受到身體傷害等等。因此,在地理條件和經濟條件允許的情況下,應盡可能地采取優化措施,如:接地裝置(接地網)設計時應采用邊緣閉合、同時附加垂直接地體的設計方案等,降低電力電纜線路接地裝置的接地電阻。
 
 35kV及以下電力電纜的接地電阻

  35kV及以下 電壓等級的電力電纜通常為三芯電纜,正常運行時金屬鎧裝層外基本沒有磁場,兩端基本沒有感應電壓,亦不會產生感應電流;若三個線芯的電流總和不等于零,由于金屬鎧裝層的阻抗較大,環流尚不過分顯著,金屬鎧裝層中產生的感應電流僅為線芯電流5%-8%;故敷設時可采取金屬鎧裝層兩端直接接地保護方式。鑒于我國35kV及以下電力系統為不接地或經電阻接地或經消弧線圈接地系統,故其電力電纜保護接地裝置的接地電阻R值要求可參照A類電氣裝置保護接地規定,即:R≤250/I (式中R為考慮到季節變化的最大接地電阻,Ω;I為計算用的接地故障電流,A)。工程設計中,常選取R≤4Ω比較經濟合理。因客觀因素限制不能滿足R≤4Ω要求時,R值可適當放寬至R<10Ω為宜。
  
 高壓單芯電力電纜終端的接地電阻
 
 由于高壓單芯電纜護層與大地之間裝有護層保護器,終端裝有避雷器,沖擊過電壓被限制在電纜護層絕緣雷電沖擊耐受水平以下,一般重點考慮短路故障工頻過電壓保護接地問題。正常線芯電流只有數百A,金屬護層上的感應電壓很小。但是再三相、二相或單相短路的故障情況時,短路電流可達幾千安培或更大,金屬護層兩端將會出現很高的感應電壓,嚴重危及電纜安全運行的程度。因此,必須采取措施設法降低金屬護層的感應電壓,同時還要盡可能減小金屬護層的接地電阻,消除接地電位的影響。
 
 高壓單芯電力電纜護層保護接地(包括交叉互聯保護器三相聯接)可采取兩種接線方式,即Y0接線方式和Y(或Δ)接線方式。雖然Y(或Δ)接線方式使得保護器所承受的工頻電壓與接地電位無關,電纜護層沖擊過電壓降低,但無助于降低護層工頻電壓,短路故障時兩種接線方式的護層過電壓數值基本相等。電纜發生單相接地故障時,完好相電纜護層所承受的工頻過電壓與終端接地裝置的接地電位密切相關,接地電位升高,工頻過電壓可達很高值,且末首端工頻過電壓不等,接地網內、外單相接地故障工頻過電壓不等。
 
 上述兩種保護接線方式以A相電纜發生多源網內單相接地故障時,C相電纜護層工頻過電壓為最高,而電纜護層工頻耐壓為24 kV,根據相關標準提供的計算公式,得出電纜終端保護接地電阻值R的估算公式:R≤2000/I 。考慮多方面因素,當電纜終端接地裝置受到技術經濟和現場客觀條件限制,其接地電阻值不能滿足R≤2000/I要求時,可以適當放寬至R<5Ω,但是,必須同時采取相應的均壓和隔離措施。
 
 加裝均壓線或回流線保護的電纜故障時,護層和保護器承受的工頻電壓與接地電位無關,但必須保證均壓線總的自然接地電阻R遠大于均壓線本身的阻抗Zd:即R≥6 Zd。
 
 高壓單芯電力電纜中間接頭的接地電阻
 
 高壓單芯電力電纜線路正常運行時,中間接頭經護層保護器接地,護層保護器呈高電阻,起交叉換位,限制電纜金屬護層工頻感應電壓作用;當雷電波和內過電壓波侵入電纜線芯,或電纜線路發生接地故障時,護層保護器呈低電阻,使電流經保護器迅速泄入大地,將金屬護層中的過電壓鉗制在電纜外護層沖擊絕緣水平以下,以達到保護電纜的目的。極限情況下,流經中間接頭接地裝置的入地電流可能高達10 kA級,地電位迅速上升到嚴重危及相鄰設備和人員安全的程度,甚至電纜金屬護層感應電流將超過允許的載流量。
 
 為將地電位上升產生的反擊過電壓Uf=IR限制在電纜護層沖擊(工頻)絕緣耐受水平或相鄰設備絕緣耐受水平以下,電力電纜線路中間接頭位置的接地體接地電阻R應滿足R< 24 / I (式中:R為接地電阻值, Ω;為流經接地裝置的入地故障電流, kA)的要求。工程設計中,考慮到跨步電壓和接觸電壓,常選取R≤1Ω比較經濟合理。若因客觀因素限制不能滿足R≤1Ω要求時,R值可適當放寬至R<5Ω為宜。
 
  四、結 論
 
 35kV、110kV及以上單芯電力電纜線路必須經護層保護器可靠接地,且護層保護器的殘壓乘以1.4后應小于電纜外護層的沖擊耐壓水平,以防止雷電過電壓和內部過電壓造成電纜金屬護層多點接地故障。
 
 電力電纜線路接地裝置的接地電阻值應盡可能地降低,建議在經濟條件和地理條件允許的情況下,應采取邊緣閉合的接地裝置、同時附加垂直接地體的設計方案,以降低電力電纜線路接地裝置的接地電阻。
 
 參考文獻江日洪 交聯聚乙烯電力電纜線路。北京:中國電力出版社,1997
 
 董振亞 電力系統的過電壓保護 北京: 中國電力出版社,1997
 
 姜蕓 等 “電力電纜保護接地” 《高電壓技術》 1998年 第4期,pp36-38

 
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