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  • 頭條高壓電纜金屬外護(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
    2021-03-24 作者:惠勝達(dá) 張軍強(qiáng)  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)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(shí)的計(jì)算方法和模型,并提出相應(yīng)的限制措施,同時(shí)為相關(guān)設(shè)備的選型提供依據(jù)。

    目前在我國(guó)單芯結(jié)構(gòu)的電纜多被用于110kV及以上的高壓電纜。對(duì)于單芯電纜,為了限制在電纜正常運(yùn)行時(shí)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(huì)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(huì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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。

    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

    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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)電纜金屬護(hù)套上可能出現(xiàn)的雷電過電壓和短路時(shí)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

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    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。

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    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。

    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

    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。

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    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。

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    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。

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    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(duì)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(shí),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。

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    圖6 ATP-EMTP單相短路模型

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    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。

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    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

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    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。

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    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(huì)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。現(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(shí),應(yīng)滿足:①在系統(tǒng)短路故障切除時(shí)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(shí)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(shí)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

    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

    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(gè)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(shí)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

     

    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

    式(3)

    結(jié)論

    • 1)本文所提供的高壓?jiǎn)涡倦娎|在過電壓時(shí),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(chǎng)理論。本文在計(jì)算電纜過電壓外護(hù)套的感應(yīng)電壓時(shí),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(shí)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(duì)于單端接地的電纜,為了限制單相短路時(shí)工頻過電壓對(duì)電纜護(hù)套保護(hù)器的影響往往需要安裝回流線;對(duì)于交叉互聯(lián)接地方式,則不需要單獨(dú)敷設(shè)回流線。
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