單芯電力電纜護(hù)層過電壓保護(hù)

1、單芯電力電纜護(hù)層過電壓保護(hù)OVERVOLTAGE PROTECTION FOR SHEATH LAYEROF SINGLE CORE CABLE陳平1薛強(qiáng)1羅彥2張成勇2(11北京供電局電纜管理處,北京100027;21武漢雷泰電力技術(shù)有限公司,武漢430000Abstract According to the standards,this paper discusses the overvoltage protecti on for sheath layer of power cable based on the selection of parameter of overvoltage p

2、rotector and requirement of grounding of cable.Key words power cable overvol tage protection摘要基于國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),從電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器參數(shù)選擇和電纜接地電阻要求兩個(gè)方面探討單芯電力電纜護(hù)層過電壓保護(hù)技術(shù),以防止雷電過電壓和內(nèi)部過電壓造成電纜金屬護(hù)層多點(diǎn)接地故障。關(guān)鍵詞電力電纜過電壓保護(hù)中圖分類號TM247文獻(xiàn)標(biāo)識碼B0引言35kV大截面電力電纜和66、110kV及以上電壓等級的電力電纜均為單芯電纜,一旦電纜金屬護(hù)層發(fā)生多點(diǎn)接地故障,其故障的測尋、定點(diǎn)和修復(fù)均較困難,停電檢修造成的電量損失較大。因此,

3、研究電力電纜護(hù)層過電壓機(jī)理及其保護(hù)技術(shù)顯得尤為重要。本文基于國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),從電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器參數(shù)選擇和電纜接地電阻要求兩個(gè)方面探討單芯電力電纜護(hù)層過電壓保護(hù)技術(shù),供大家參考。1電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器參數(shù)設(shè)計(jì)高壓電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器(簡稱:護(hù)層保護(hù)器一般采用氧化鋅非線性電阻片作為保護(hù)單元、瓷套作為外絕緣。護(hù)層保護(hù)器安裝在電纜線路交叉互聯(lián)箱體內(nèi)和電纜終端位置,其作用是:(1限制電纜線路金屬護(hù)層中的工頻感應(yīng)電壓;(2迅速減小電纜線路金屬護(hù)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(tài)時(shí),高壓電纜護(hù)層保護(hù)器呈高電阻狀態(tài),截?cái)嚯娎|金屬護(hù)層中的工頻感應(yīng)電流回路;(2當(dāng)電纜線路出現(xiàn)接地故

4、障或雷電過電壓、或內(nèi)部過電壓導(dǎo)致電纜金屬護(hù)層中出現(xiàn)很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時(shí),高壓電纜護(hù)層保護(hù)器呈低電阻導(dǎo)通狀態(tài),使故障電流經(jīng)保護(hù)器迅速瀉入大地,起到保護(hù)電纜外護(hù)層絕緣的作用。目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中僅對護(hù)層保護(hù)器選用作了一般規(guī)定。例如:DL401-915高壓電纜選用導(dǎo)則6(該標(biāo)準(zhǔn)正在修訂中對電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器參數(shù)選擇作了定性規(guī)定,而GB/T11017-20025額定電壓110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件6、GB/Z 18890-20025額定電壓220kV(U m=252kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件6和DL/T620-19975交流電氣裝置的過電壓絕緣配合6中沒有明確規(guī)定電纜護(hù)層過

5、電壓保護(hù)器參數(shù)選擇?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn),通過計(jì)算電力電纜線路過電壓幅值1,2,結(jié)合電纜外護(hù)層的絕緣要求,武漢雷泰電力技術(shù)有限公司提出護(hù)層保護(hù)器電氣參數(shù)設(shè)計(jì)原則:當(dāng)電纜線路出現(xiàn)過電壓時(shí),流經(jīng)護(hù)層保護(hù)器的瞬態(tài)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(jīng)護(hù)層保護(hù)器的瞬態(tài)沖擊電流,約10kA,而保護(hù)器不應(yīng)損壞,且護(hù)層保護(hù)器的殘壓 114后應(yīng)小于電纜外護(hù)層的沖擊耐壓水平。護(hù)層保護(hù)器主要電氣參數(shù)見表1。表1電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器主要電氣參數(shù)型號系統(tǒng)電壓/kV額定電壓/kV運(yùn)行電壓/kV8/20L s標(biāo)稱放電電流/kA直流參考電壓U1m A/kV放電

6、電流下的殘壓(峰值/kV2ms方波電流(幅值/A1105U0下的局放量/pC4/10L s耐受電流(峰值/kABHQ-7/400110、200218212410410740014100 BHQ-10/400110、200316313105181040014100 BHQ-7/200352182124541072001465試驗(yàn)室試驗(yàn)研究和大量實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明:表1所列的護(hù)層保護(hù)器的電氣參數(shù)選取合理,電壓-電流特性曲線良好,保護(hù)曲線平坦。其過電壓下的大電流通流容量和殘壓符合國標(biāo)要求,能有效限制電纜金屬護(hù)層工頻感應(yīng)電壓和故障沖擊過電壓,保護(hù)電纜線路外護(hù)層絕緣。護(hù)層保護(hù)器投運(yùn)后,應(yīng)定期進(jìn)行直流1m

7、A電壓試驗(yàn)和0175倍直流1mA電壓下的電流試驗(yàn),以驗(yàn)證#6護(hù)層保護(hù)器的工作狀態(tài)和保護(hù)效果。圖1為電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器特性參數(shù)測試儀。采用自動控制原理對1mA 電流和0.75倍電壓精密閉環(huán)調(diào)整。 圖1 電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器特性參數(shù)測試儀2 電力電纜線路保護(hù)接地要求3電力電纜線路不論是在正常運(yùn)行狀態(tài)下,還是在發(fā)生接地故障或雷電過電壓以及內(nèi)部過電壓狀態(tài)下,均需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密切相關(guān),而接地電阻與入地電流的波形、頻率、接地裝置的幾何形狀和尺寸、大地電阻率、電纜線路敷設(shè)方式以及電纜故障類型密切相關(guān)。如接地電阻不滿足電纜

8、線路安全運(yùn)行的要求,則故障狀態(tài)下接地電位可能升高至數(shù)百kV,地電位反擊可能導(dǎo)致電纜外護(hù)層絕緣擊穿,引發(fā)電纜線路金屬護(hù)層多點(diǎn)接地故障;同時(shí)地電位大幅升高后反擊相鄰電氣設(shè)備,或形成跨步電壓和接觸電壓使人員受到身體傷害等。因此,在地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)條件允許下,應(yīng)盡可能采取優(yōu)化措施,如:接地裝置(接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用邊緣閉合、同時(shí)附加垂直接地體的設(shè)計(jì)方案等,降低電力電纜線路接地裝置的接地電阻。2.1 35kV 及以下電力電纜的接地電阻35kV 的電力電纜通常為三芯電纜,正常運(yùn)行時(shí)金屬鎧裝層外基本無磁場,兩端基本無感應(yīng)電壓,亦不會產(chǎn)生感應(yīng)電流;若三個(gè)線芯的電流總和不等于零,由于金屬鎧裝層的阻抗較大,環(huán)流不顯著

9、,金屬鎧裝層中產(chǎn)生的感應(yīng)電流僅為線芯電流5%8%;故敷設(shè)時(shí)可采取金屬鎧裝層兩端直接接地保護(hù)方式。鑒于我國35kV 電力系統(tǒng)為不接地或經(jīng)電阻或消弧線圈接地系統(tǒng),故其電力電纜保護(hù)接地裝置的接地電阻R 要求可參照A 類電氣裝置保護(hù)接地規(guī)定,即:R 250/I (式中,R 為考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻,8;I 為計(jì)算用的接地故障電流,A 。工程設(shè)計(jì)中,常選取R 48較經(jīng)濟(jì)合理。因客觀因素限制不能滿足R 48要求時(shí),可適當(dāng)放寬至R <108為宜。2.2 高壓單芯電力電纜終端的接地電阻由于高壓單芯電纜護(hù)層與大地間裝有護(hù)層保護(hù)器,終端裝有避雷器,沖擊過電壓被限制在電纜護(hù)層絕緣雷電沖擊耐受水平以下,一

10、般重點(diǎn)考慮短路故障工頻過電壓保護(hù)接地問題。正常線芯電流只有數(shù)百A,金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓很小,但三相、二相或單相短路的故障情況時(shí),短路電流可達(dá)幾kA 或更大,金屬護(hù)層兩端會出現(xiàn)很高的感應(yīng)電壓,嚴(yán)重危及電纜安全運(yùn)行。因此,須采取措施設(shè)法降低金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓,盡可能減小金屬護(hù)層的接地電阻,消除接地電位的影響。高壓單芯電力電纜護(hù)層保護(hù)接地(包括交叉互聯(lián)保護(hù)器三相聯(lián)接可采取兩種接線方式,即Y 0和Y(或$。雖然Y(或$方式使保護(hù)器所承受的工頻電壓與接地電位無關(guān),電纜護(hù)層沖擊過電壓降低,但無助于降低護(hù)層工頻電壓,短路故障時(shí)兩種接線方式的護(hù)層過電壓數(shù)值基本相等。電纜發(fā)生單相接地故障時(shí),完好相電纜護(hù)層所承受

11、的工頻過電壓與終端接地裝置的接地電位密切相關(guān),接地電位升高,工頻過電壓很高,且末首端工頻過電壓不等,接地網(wǎng)內(nèi)、外單相接地故障工頻過電壓不等。上述兩種保護(hù)接線方式以A 相電纜發(fā)生多源網(wǎng)內(nèi)單相接地故障時(shí),C 相電纜護(hù)層工頻過電壓為最高,而電纜護(hù)層工頻耐壓為24kV,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算公式,得出電纜終端保護(hù)接地電阻R 的估算公式:R 2000/I ?？紤]多方面因素,當(dāng)電纜終端接地裝置受到技術(shù)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場客觀條件限制,其R 不能滿足R 2000/I 要求時(shí),可適當(dāng)放寬至R <58,但是,必須同時(shí)采取相應(yīng)的均壓和隔離措施。加裝均壓線或回流線保護(hù)電纜時(shí),護(hù)層和保護(hù)器承受的工頻電壓與接地電位無關(guān),但

12、須保證均壓線總自然接地電阻R 6Z d ,Z d 為均壓線本身阻抗。2.3 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(yùn)行時(shí),中間接頭經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地,護(hù)層保護(hù)器呈高電阻,起交叉換位,限制電纜金屬護(hù)層工頻感應(yīng)電壓作用;當(dāng)雷電波和內(nèi)過電壓波侵入電纜線芯,或電纜線路發(fā)生接地故障時(shí),護(hù)層保護(hù)器呈低電阻,使電流經(jīng)保護(hù)器迅速泄入大地,將金屬護(hù)層中的過電壓鉗制在電纜外護(hù)層沖擊絕緣水平以下。極限情況下,流經(jīng)中間接頭接地裝置的入地電流可高達(dá)10kA 級,地電位迅速上升到嚴(yán)重危及相鄰設(shè)備和人員安全的程度,甚至電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電流將超過允許的載流量。為將地電位上升產(chǎn)生的反擊過電壓U f =IR 限

13、制在電纜護(hù)層沖擊(工頻絕緣耐受水平或相鄰設(shè)備絕緣耐受水平以下,電力電纜線路中間接頭位置的接(下轉(zhuǎn)第11頁頻介損也表現(xiàn)出槽架段優(yōu)于直埋段的特點(diǎn)。11314 局部放電及切片試驗(yàn)1對試品電纜進(jìn)行了局部放電及切片試驗(yàn),槽架段R 、S 、T 相電纜局部放電分別為315、415、410pC 。直埋段R 、S 、T 相電纜局部放電分別為314、22、413pC 。切片試驗(yàn)(160倍放大未發(fā)現(xiàn)明顯的水樹枝,但兩段電纜均有大量小微孔存在,且直埋段微孔數(shù)量、密集程度明顯多于槽架段(見圖3。 圖3 試品電纜直埋段與槽架段切片試驗(yàn)比較微孔的存在對電纜的運(yùn)行危害極大。資料表明,如果聚合物中含有一種水溶性夾雜物,這種夾雜

14、物屬半滲透薄膜,聚合物和水接觸時(shí),水?dāng)U散到聚合物中與夾雜物相接觸,一定時(shí)間后,夾雜物開始溶解。如果聚合物在高溫下充水達(dá)飽和,在冷卻條件下,它將變?yōu)檫^飽和,多余的水立即朝著聚合物中冷卻核擴(kuò)散(水中鹽粒子、介質(zhì)中的微孔都可起著冷卻核的作用產(chǎn)生壓力,在此壓力(稱為滲透壓作用下,微孔破裂而擴(kuò)展到聚合物中,水亦隨之移向這些通道,在通道頂部的高場強(qiáng)及高M(jìn)a xwell 應(yīng)力作用下,就很可能導(dǎo)致水樹的形成。故認(rèn)為該電纜繼續(xù)劣化產(chǎn)生大量的水樹枝危及了電纜的正常運(yùn)行。2 結(jié)束語綜合絕緣電阻與直流泄漏、工頻耐壓、工頻介損、局部放電及切片等試驗(yàn),可得:堆料機(jī)(2ST電纜存在老化現(xiàn)象,槽架段狀態(tài)稍好,直埋段電纜已嚴(yán)重

15、老化。由于原料場區(qū)域電纜的投運(yùn)年月、敷設(shè)環(huán)境、運(yùn)行條件有相似性,該結(jié)論可以作為該區(qū)域同類電纜的參考。目前在煉鐵部一期原料場開展電纜分級管理對已達(dá)到電纜更換標(biāo)準(zhǔn)的重要電纜,應(yīng)在近期及時(shí)安排更換。更換時(shí)應(yīng)重新設(shè)計(jì)敷設(shè)方式,盡量采用槽架敷設(shè),減輕惡劣環(huán)境對電纜的侵蝕。對尚未達(dá)到電纜更換標(biāo)準(zhǔn),但有劣化傾向的重要電纜,應(yīng)在近期安排011Hz 低頻或工頻交流耐壓試驗(yàn),以驗(yàn)證其絕緣水平,保證供電安全。對狀態(tài)分析確定為絕緣不良的不重要電纜,采用事后維修的模式。分級管理應(yīng)加強(qiáng)試驗(yàn)人員與點(diǎn)檢人員的溝通與交流,建立分級管理檔案,加強(qiáng)點(diǎn)檢力度,保持信息暢通,共同做好分級管理工作,確保原料場生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。參考文獻(xiàn)1 劉子玉,王惠明1電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理M1西安:西安交通大學(xué)出版社,1995(收稿日期 2004-03-30王彥偉 1975年生,工程師,畢業(yè)于西安交通大學(xué)高電壓技術(shù)專業(yè),現(xiàn)從事高電壓技術(shù)工作。電話:(02126648704(上接第7頁地體R 應(yīng)滿足R <24/I 的要求。工程設(shè)計(jì)中,考慮到跨步電壓和接觸電壓,常選取R 18經(jīng)濟(jì)合理。若因客觀因素限制不能滿足R 18時(shí),R 可適當(dāng)放寬至R <58為宜。3 結(jié) 論a.35kV 的單芯電力電纜線路須經(jīng)護(hù)層保護(hù)器可靠接地,且護(hù)層保護(hù)器的殘壓114后應(yīng)小于電纜外護(hù)層的沖擊耐壓水平,以防止雷電過電壓和內(nèi)部過電壓造成電纜金屬護(hù)層多點(diǎn)接地故障。b