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行時外護套上的環(huán)流，一般采用電纜金屬外護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套。為了保護電纜外護套，通常采用在電纜的非直接接地端安裝電纜護套保護器（也稱電纜護套電壓限制器，簡稱SVL）。

電纜護套保護器的配置是否合理以及所選用的參數(shù)是否適當(dāng)，需要通過分析計算才能得出。本文采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)計算軟件，對侵入電纜系統(tǒng)的雷電過電壓和短路工頻過電壓進行詳細(xì)仿真計算，為相關(guān)的設(shè)備選型提供依據(jù)。電纜外護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套的感應(yīng)電壓應(yīng)不超過25kV。

表1 電纜外護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，對于過電壓計算來講，其最大值往往出現(xiàn)在非直接接地端。因此計算時采用單端接地的模型即可。本文計算設(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套上可能出現(xiàn)的雷電過電壓和短路時的工頻過電壓進行詳細(xì)的仿真計算。

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

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)雷電流進行模擬仿真。計算取值：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。計算220kV電纜用雷電沖擊電壓模型波形圖如圖1所示。

圖1 計算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套電壓保護器。

在電纜絕緣接頭處安裝護套電壓保護器后，在雷電沖擊電流作用下，電纜線路金屬外護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，在電纜金屬護套非直接接地端安裝護套電壓限制器后，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。這里僅分析計算當(dāng)單相短路和三相短路時，電纜金屬外護套的感應(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套電壓保護器后，在單相短路沖擊電流作用下，電纜金屬外護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，在電纜金屬外護套非直接接地端安裝護套電壓限制器后，其感應(yīng)電壓最大值為8.79kV，不超過電纜金屬外護套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求。

同單相短路電流計算方法一樣，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套電壓保護器。

在電纜絕緣接頭處安裝護套電壓保護器后，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套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求。

3 電纜護套電壓保護器的選型和配置

通過上述分析計算可以看出，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套感應(yīng)電壓均會超過其耐受值，為了保護電纜，目前最行之有效的措施就是安裝電纜護套保護器。

目前常用的電纜護套保護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護套電壓限制器的殘壓值Ur不得超過電纜外護套沖擊過電壓作用的保護水平，在工頻過電壓時不應(yīng)被擊穿。

保護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是保護器的保護性能的重要指標(biāo)，其表達式為

式（2）

保護器的殘工比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)達到2.7。

綜上所述，保護器的選擇應(yīng)滿足以下幾個條件：

• 1）電纜護套絕緣的沖擊耐壓值應(yīng)大于保護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)，保護器不被損壞。
• 3）在通過最大沖擊電流累計20次，保護器不被損壞。
• 4）電纜護套保護器氧化鋅閥片的數(shù)量，由護套所受工頻過電壓確定，保護器閥片數(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，外護套的感應(yīng)電壓分析計算方法，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。本文在計算電纜過電壓外護套的感應(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，這一點與基于電工原理的計算方法有很大差別。
• 2）采用本文提供的計算方法可以準(zhǔn)確計算出電纜在外過電壓和短路工頻過電壓時其金屬外護套的感應(yīng)電壓，為合理配置電纜護套電壓限制器提供選型依據(jù)。
• 3）本文計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套保護器的影響往往需要安裝回流線；對于交叉互聯(lián)接地方式，則不需要單獨敷設(shè)回流線。