产品技术
 
单芯电力电缆护层过电压保护

北京供电局电缆管理处 (北京, 100027) 陈 平 薛 强
 武汉雷泰电力技术有限公司 (武汉,430070) 罗 彦 张成勇
 
 Abstract
 摘要:本文基于国内外相关标准,从电缆护层过电压保护器参数选择和电缆接地电阻要求两个方面探讨单芯电力电缆护层过电压保护技术,以防止雷电过电压和内部过电压造成电缆金属护层多点接地故障。
 
 一、引言
 35 kV大截面电力电缆和66、110 kV及以上电压等级的电力电缆均为单芯电缆,敷设时若金属护层两端三相互联后直接接地,则当电缆线芯通过电流时,其金属护层中感应的环流可达线芯电流的50%-95%,感应电流所产生热损耗极大地降低电缆载流量并加速电缆主绝缘电-热老化;若电缆金属护层一端三相互联并接地,另一端不接地,则电缆金属护层中虽无环流,但当雷电波或内部过电压波沿电缆线芯流动时,电缆金属护层不接地端会出现较高的冲击过电压,或当系统短路事故电流流经电缆线芯时,其护层不接地端也会出现很高的工频感应过电压。上述过电压可能击穿电缆外护层绝缘,造成电缆金属护层多点接地故障,大幅增加环流附加热损耗,严重地影响电力电缆正常运行甚至大幅减少电缆使用寿命。
 
 一旦电缆金属护层多点接地故障,故障的测寻、定点和修复均比较困难,停电检修造成的电量损失较大。因此,研究电力电缆护层过电压机理及其保护技术显得尤为重要。本文基于国内外相关标准,从电缆护层过电压保护器参数选择和电缆接地电阻要求两个方面探讨单芯电力电缆护层过电压保护技术,供大家参考。同时,本文作者希望抛砖引玉,
 
 二、电缆护层过电压保护器参数设计
 
 高压电缆护层过电压保护器(简称:护层保护器)一般采用氧化锌非线性电阻片作为保护单元、瓷套作为外绝缘。针对过去常用的瓷套外绝缘诸如体积大、密封性能差、容易爆炸引起事故范围扩大的缺陷,武汉雷泰电力技术有限公司研制生产的高压电缆护层过电压保护器(亦简称:护层保护器)是采用氧化锌非线性电阻片作为保护单元、硅橡胶外套作为外绝缘,除了具有保护特性好的优点外,还具有轻型美观、密封防爆、免维护等突出优点,如图1所示。护层保护器安装在电缆线路交叉互联箱体内和电缆终端位置,其作用是(1)限制电缆线路金属护层中的工频感应电压;(2)迅速减小电缆线路金属护层中的工频过电压和冲击过电压。亦即:(1)在电缆线路正常工作状态时,高压电缆护层保护器呈现高电阻状态,截断电缆金属护层中的工频感应电流回路;(2)当电缆线路出现接地故障、或雷电过电压、或内部过电压导致电缆金属护层中出现很高的工频过电压或冲击过电压时,高压电缆护层保护器呈现出低电阻导通状态,使得故障电流经保护器迅速泻入大地,起到保护电缆外护层绝缘的作用。
 
 正确选取护层保护器的电气参数直接关系到保护器的保护效果。目前国内外标准中,仅只对护层保护器选用作了一般规定。例如:DL401-91《高压电缆选用导则》(该标准正在修订中)对电缆护层过电压保护器参数选择作了定性规定,而GB/T11017-2002 《额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》、GB/Z 18890-2002 《额定电压220kV(Um=252kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》和DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压绝缘配合 》中没有明确规定电缆护层过电压保护器参数选择。
 
 基于上述标准,通过计算电力电缆线路过电压幅值[1,2],结合电缆外护层的绝缘要求,武汉雷泰电力技术有限公司提出护层保护器电气参数设计原则:当电缆线路出现过电压时,流经护层保护器的瞬态冲击电流I=2U/(Z1+R) (式中:U为过电压幅值;Z1 为电缆线路的波阻抗;R为电缆线路的接地电阻值,I为流经护层保护器的瞬态冲击电流,约10kA。)而保护器不应损坏,且护层保护器的残压乘以1.4后应小于电缆外护层的冲击耐压水平。护层保护器主要电气参数列入表1中。
 
 试验室试验研究和大量实际运行经验表明:表1所列的护层保护器的电气参数选取合理,电压-电流特性曲线良好,保护曲线平坦。其过电压下的大电流通流容量和残压符合国家标准要求,能够有效限制电缆金属护层工频感应电压和故障冲击过电压,保护电缆线路外护层绝缘。
 
 护层保护器投入运行后,应该定期进行直流1mA电压试验和0.75倍直流1mA电压下的电流试验,以验证护层保护器的工作状态和保护效果。图2 所示的电缆护层过电压保护器特性参数测试仪采用自动控制原理对1mA电流和0.75倍电压进行精密 闭环调整,从而获得稳定的1mA电流和0.75倍电压。 采用微电脑控制测量过程,将繁杂的手动调节过程“程序”化,只需按一个按钮就可以实现自动完成测量电缆护层保护器在1mA时的直流参考电压和0.75倍参考电压时的泄漏电流。
 
 三、电力电缆线路保护接地要求[3]
 
 电力电缆线路保护接地即电力电缆金属护层可靠接地,是有效保障电力电缆线路安全运行的重要保护措施之一。电力电缆线路不论是在正常运行状态下,还是在发生接地故障、或雷电过电压以及内部过电压状态下,均需要利用大地作为电流回路,将电缆线路接地位置的电位钳制在允许的接地电位上。接地电位与接地装置的接地电阻值密切相关,而接地电阻值不仅与入地电流的波形、频率有关,而且与接地装置的几何形状和尺寸、大地电阻率、电缆线路敷设方式以及电缆故障类型密切相关。如果接地电阻值不满足电缆线路安全运行的要求,则在故障状态下接地电位可能大幅升高至数百kV,一方面,地电位反击可能导致电缆外护层绝缘击穿,引发电缆线路金属护层多点接地故障;另一方面,地电位大幅升高后反击相邻电气设备,或形成跨步电压和接触电压使人员受到身体伤害等等。因此,在地理条件和经济条件允许的情况下,应尽可能地采取优化措施,如:接地装置(接地网)设计时应采用边缘闭合、同时附加垂直接地体的设计方案等,降低电力电缆线路接地装置的接地电阻。
 
 35kV及以下电力电缆的接地电阻

  35kV及以下 电压等级的电力电缆通常为三芯电缆,正常运行时金属铠装层外基本没有磁场,两端基本没有感应电压,亦不会产生感应电流;若三个线芯的电流总和不等于零,由于金属铠装层的阻抗较大,环流尚不过分显著,金属铠装层中产生的感应电流仅为线芯电流5%-8%;故敷设时可采取金属铠装层两端直接接地保护方式。鉴于我国35kV及以下电力系统为不接地或经电阻接地或经消弧线圈接地系统,故其电力电缆保护接地装置的接地电阻R值要求可参照A类电气装置保护接地规定,即:R≤250/I (式中R为考虑到季节变化的最大接地电阻,Ω;I为计算用的接地故障电流,A)。工程设计中,常选取R≤4Ω比较经济合理。因客观因素限制不能满足R≤4Ω要求时,R值可适当放宽至R<10Ω为宜。
  
 高压单芯电力电缆终端的接地电阻
 
 由于高压单芯电缆护层与大地之间装有护层保护器,终端装有避雷器,冲击过电压被限制在电缆护层绝缘雷电冲击耐受水平以下,一般重点考虑短路故障工频过电压保护接地问题。正常线芯电流只有数百A,金属护层上的感应电压很小。但是再三相、二相或单相短路的故障情况时,短路电流可达几千安培或更大,金属护层两端将会出现很高的感应电压,严重危及电缆安全运行的程度。因此,必须采取措施设法降低金属护层的感应电压,同时还要尽可能减小金属护层的接地电阻,消除接地电位的影响。
 
 高压单芯电力电缆护层保护接地(包括交叉互联保护器三相联接)可采取两种接线方式,即Y0接线方式和Y(或Δ)接线方式。虽然Y(或Δ)接线方式使得保护器所承受的工频电压与接地电位无关,电缆护层冲击过电压降低,但无助于降低护层工频电压,短路故障时两种接线方式的护层过电压数值基本相等。电缆发生单相接地故障时,完好相电缆护层所承受的工频过电压与终端接地装置的接地电位密切相关,接地电位升高,工频过电压可达很高值,且末首端工频过电压不等,接地网内、外单相接地故障工频过电压不等。
 
 上述两种保护接线方式以A相电缆发生多源网内单相接地故障时,C相电缆护层工频过电压为最高,而电缆护层工频耐压为24 kV,根据相关标准提供的计算公式,得出电缆终端保护接地电阻值R的估算公式:R≤2000/I 。考虑多方面因素,当电缆终端接地装置受到技术经济和现场客观条件限制,其接地电阻值不能满足R≤2000/I要求时,可以适当放宽至R<5Ω,但是,必须同时采取相应的均压和隔离措施。
 
 加装均压线或回流线保护的电缆故障时,护层和保护器承受的工频电压与接地电位无关,但必须保证均压线总的自然接地电阻R远大于均压线本身的阻抗Zd:即R≥6 Zd。
 
 高压单芯电力电缆中间接头的接地电阻
 
 高压单芯电力电缆线路正常运行时,中间接头经护层保护器接地,护层保护器呈高电阻,起交叉换位,限制电缆金属护层工频感应电压作用;当雷电波和内过电压波侵入电缆线芯,或电缆线路发生接地故障时,护层保护器呈低电阻,使电流经保护器迅速泄入大地,将金属护层中的过电压钳制在电缆外护层冲击绝缘水平以下,以达到保护电缆的目的。极限情况下,流经中间接头接地装置的入地电流可能高达10 kA级,地电位迅速上升到严重危及相邻设备和人员安全的程度,甚至电缆金属护层感应电流将超过允许的载流量。
 
 为将地电位上升产生的反击过电压Uf=IR限制在电缆护层冲击(工频)绝缘耐受水平或相邻设备绝缘耐受水平以下,电力电缆线路中间接头位置的接地体接地电阻R应满足R< 24 / I (式中:R为接地电阻值, Ω;为流经接地装置的入地故障电流, kA)的要求。工程设计中,考虑到跨步电压和接触电压,常选取R≤1Ω比较经济合理。若因客观因素限制不能满足R≤1Ω要求时,R值可适当放宽至R<5Ω为宜。
 
  四、结 论
 
 35kV、110kV及以上单芯电力电缆线路必须经护层保护器可靠接地,且护层保护器的残压乘以1.4后应小于电缆外护层的冲击耐压水平,以防止雷电过电压和内部过电压造成电缆金属护层多点接地故障。
 
 电力电缆线路接地装置的接地电阻值应尽可能地降低,建议在经济条件和地理条件允许的情况下,应采取边缘闭合的接地装置、同时附加垂直接地体的设计方案,以降低电力电缆线路接地装置的接地电阻。
 
 参考文献江日洪 交联聚乙烯电力电缆线路。北京:中国电力出版社,1997
 
 董振亚 电力系统的过电压保护 北京: 中国电力出版社,1997
 
 姜芸 等 “电力电缆保护接地” 《高电压技术》 1998年 第4期,pp36-38

 
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