高壓電纜接地保護(hù)裝置的優(yōu)化設(shè)計

1、高壓電纜接地保護(hù)裝置的優(yōu)化設(shè)計摘要:近年來,江蘇地區(qū)110kV及以上超高壓電纜應(yīng)用急劇增加,電纜事故數(shù)量也在逐年上升。部分設(shè)計與施工單位對高壓電纜接地保護(hù)裝臵參數(shù)選擇不合理、設(shè)備的選擇隨意性較大,尤其是用于保護(hù)電纜安全穩(wěn)定運行的接地系統(tǒng),由于接地電阻、保護(hù)器等選型沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),易發(fā)生保護(hù)器失效或損壞等不正常的現(xiàn)象,引發(fā)高壓電纜故障。文章分析了電纜護(hù)層保護(hù)器的不同接線方式對電纜外護(hù)套和保護(hù)器的影響,研究了電纜護(hù)層保護(hù)器的額定電壓、起始動作電壓(參考電壓、最大持續(xù)運行電壓、工頻耐受電壓、通流容量、殘壓、電壓比、荷電率、保護(hù)比等主要技術(shù)參數(shù)與電纜保護(hù)之間的關(guān)系,提出了電纜護(hù)層過電壓保護(hù)器的優(yōu)化設(shè)計方

2、案,并通過工程實踐驗證。現(xiàn)場應(yīng)用表明該電纜附件參數(shù)設(shè)計以及接線方式選擇方案能夠滿足單芯電力電纜線路金屬套過電壓保護(hù)要求,有效減少了單芯電纜金屬護(hù)層保護(hù)接地故障率。關(guān)鍵詞:電纜護(hù)層保護(hù)器接線方式保護(hù)器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計1.前言近年來,江蘇地區(qū)110kV及以上超高壓電纜應(yīng)用急劇增加,電纜事故數(shù)量也在逐年上升。部分設(shè)計與施工單位對高壓電纜接地保護(hù)裝臵(SVL參數(shù)選擇不合理、設(shè)備的選擇隨意性較大,尤其是用于保護(hù)電纜安全穩(wěn)定運行的接地系統(tǒng),由于接線方式、接地電阻、保護(hù)器參數(shù)等選型沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),易發(fā)生保護(hù)器失效或損壞等不正常的現(xiàn)象,引發(fā)高壓電纜故障。因此需要研究不同接線方式對SVL和電纜的影響,研究電纜護(hù)層保護(hù)

3、器的額定電壓、起始動作電壓(參考電壓、最大持續(xù)運行電壓、工頻耐受電壓、通流容量、殘壓、電壓比、荷電率、保護(hù)比等主要技術(shù)參數(shù)與電纜保護(hù)之間的關(guān)系,規(guī)范SVL的設(shè)計。2.SVL的接線方式選擇江蘇無錫某220KV線路交叉互聯(lián)接SVL,基本參數(shù)如下,計算電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓。電纜導(dǎo)體正常工作電流I=680 A短路電流IF = 50 kA土壤電阻率 =250 m頻率f =50 Hz地中等值電流的深度 =1475.8 m 電纜間距離S=0.25 m電纜護(hù)層長度L=0.3 km電纜金屬護(hù)層半徑rs=0.064 m接地電阻R =0.4大地電阻Rg =Rgl ,Rg=2f×10-3 /km2.1 電

4、纜交叉互聯(lián)接地SVL “Y ”接線如圖1是電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)加“Y ”接SVL 接線圖。采用這種接線方式,SVL 只需跨接在斷連的金屬護(hù)層兩端,不必接在金屬護(hù)層和地之間。因為只要在金屬護(hù)層被絕緣接頭斷開的兩側(cè)能在沖擊電壓下使SVL 接通,則線芯的沖擊電流自然繼續(xù)以金屬護(hù)層為回路,這時金屬護(hù)層的電位就會大大減少。 圖1 電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)加“Y ”接SVL 接線電纜金屬護(hù)層的自感電抗4S e j210ln SD X l r -=4S 1475.8j2102500.3ln 0.064X -=j0.1894 邊相與邊相金屬的互感阻抗400e j210ln2D Z l S -= 4001475.8

5、j2102500.3ln 0.25Z -= j0.1637 中相與邊相金屬的互感阻抗401e j210lnD Z l S -= 4011475.8j2250102500.3ln 20.25Z -= j0.1506 電纜金屬套電阻RS = 0.1,a S 0001 = 0.1 j 0.18940.16370.1506 0.1 j 0.5037 Z Z Z Z =+=+(1三相短路(Y F S 00U I X Z =- (3Y 10j0.1894j0.1637U =-= -j 1113 V 2兩相短路A 、C 兩相短路時:(Y F S 00U I X Z =- (3Y 5010j0.1894j0.

6、1637U =-= -j 1285 V3單相接地短路(Y F S 0012U I X Z =- (3Y 15010j0.1894j0.16372U =-= -j 642.5 V 采用這種接線方式,保護(hù)器只需要跨接在斷連的金屬護(hù)套兩端,不必接在金屬護(hù)套和地之間,也就是說,保護(hù)器只需采用“”接法或與之等值的“Y”接法。因為只要在金屬護(hù)套被絕緣接頭斷開的兩側(cè)能在沖擊電壓下使保護(hù)器接通,則線芯的沖擊電流自然繼續(xù)以金屬護(hù)套為回路,這時金屬護(hù)套的電位就會大為減少。這種接線的特點是:由于保護(hù)器采用了“Y”型接線,故單相接地故障時,保護(hù)器所受工頻電壓和接地電阻以及流經(jīng)接地電阻的電流無關(guān),其值僅為兩相短路的一半

7、,保護(hù)器所受工頻電壓由兩相短路決定;保護(hù)器所受工頻電壓比“Y 0”接法低得多,所以護(hù)層所受沖擊電壓比“Y 0”接法也要小。2.2 電纜交叉互聯(lián)接地SVL “Y 0”接線如圖2是電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)加“Y 0”接SVL 接線圖。即在A 與地之間接有SVL ,則此SVL 所受的工頻電壓Y0F AA'U I R U =+。因為I F R 和U AA 的值都很大,其相位差約為90°,所以SVL 所受的電壓U Y0的值很大。 圖2 電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)加Y0接SVL 接線 1單相接地短路由于金屬護(hù)層電壓和地網(wǎng)電壓部分抵消,因此A 相接地時,C 相護(hù)層和SVL 所受的工頻電壓要比A 相高

8、。a 地網(wǎng)內(nèi)短路首端a a C F 00S 21F 122a 2121(33Z Z U I Z X R R I R R I Z R R =-+-+33C 210.1j0.50375010j0.1637(j0.18940.4(0.450100.1j0.50370.40.4320.1j0.50370.4(0.43U I +=-+-+( =9521-j5223 = 10859-28.7°V末端a a S 2212'C F 002F 2a 21a 21(33Z Z X R R R R U I Z R I I Z R R Z R R +=+-+ '33C 0.1j0.5037(

9、j0.18940.4(0.435010j0.16370.450100.1j0.50370.40.4U +=+-+ =10479+j5223 = 1170826.5° Vb 地網(wǎng)外短路 首端a a C F 00S 1F 122a 2121(33Z Z U I Z X R I R R I Z R R =-+-+ 33C 210.1j0.50375010j0.1637j0.1894(0.450100.1j0.50370.40.4320.1j0.50370.4(0.43U I +=-+-+( =598-j3960 = 4004-81.4° V 末端'F S 21a C F

10、002a 21(3I X I R Z U I Z R Z R R +=-+ '33C 0.1j0.5037j0.1894(0.435010j0.163750100.1j0.50370.40.4U +=+-+ =-598+j3960 = 400498.6° V2兩相短路A 、C 兩相短路時(C F S 00U I X Z =- (3C 50100.18940.1637U =-= j1285 V3三相短路(C F S 0001S 00122U I X Z Z X Z =-+-+- (3C 15010j 0.18940.163720.15060.18940.163722U =-+-

11、 =1113+ j1297.5 = 1709.549.38 V這種接線方式的特點是:單相接地時護(hù)層和保護(hù)器所受工頻電壓和接地電阻和流經(jīng)電阻的電流有關(guān)。當(dāng)流經(jīng)接地電阻的電流大時,工頻電壓可以達(dá)到很高的數(shù)值;網(wǎng)內(nèi)單電源時,由于大部分電流以金屬護(hù)套為回路,所以護(hù)層和保護(hù)器所受電壓將大為降低。此時護(hù)層和保護(hù)器所受工頻電壓主要取決于兩相接地故障;和保護(hù)器“Y”接線相比,保護(hù)器所受工頻電壓高,所以其殘壓及護(hù)層所受沖擊電壓隨之升高。2.3 SVL 接線方式選擇建議電纜外護(hù)套所受的工頻電壓主要與線路兩端接地電阻、工頻短路電流大小、短路方式密切相關(guān)。金屬護(hù)套兩端接地電阻越高,護(hù)層和保護(hù)器所受的工頻電壓越高,這對

12、選擇保護(hù)器參數(shù)是不利的,所以應(yīng)采取適當(dāng)措施降低當(dāng)?shù)氐慕拥仉娮璨⒓訌?qiáng)接地電阻的測量工作。當(dāng)保護(hù)器采用Y 接線時,短路時保護(hù)器所受工頻電壓和接地電阻無關(guān),保護(hù)器所受工頻電壓由兩相短路決定。保護(hù)器采用Y 0接線時,其所受的工頻電壓比Y 或者接線方式要大的多,所以電纜外護(hù)套所受的殘壓及沖擊電壓也會較大。短路時保護(hù)器所受的工頻電壓除與工頻短路電流大小、短路方式密切相關(guān)外,與保護(hù)器自身的接線方式也有很大關(guān)系。保護(hù)器采用Y 0接線時,短路時保護(hù)器所受工頻電壓和接地電阻有關(guān),當(dāng)發(fā)生單相短路的情況下,保護(hù)器受到的工頻電壓可能達(dá)到很大的數(shù)值,甚至存在被擊穿的可能。因此如果交叉互聯(lián)的電纜線路每段較長、短路電流過大或

13、者接地電阻較大等情況下,建議保護(hù)器的接線方式改為Y接線。3.SVL 的參數(shù)設(shè)計3.1 SVL的工作特性電力電纜線路設(shè)計中強(qiáng)制規(guī)定電纜金屬護(hù)套運行時的感應(yīng)電壓不得超過50 V。當(dāng)電纜載流量較大時、線路較長,特別是電力電纜線路發(fā)生短路故障或者過電壓入侵時,其金屬護(hù)套可能中的感應(yīng)電勢可能擊穿電纜外護(hù)套造成電纜線路多點接地。因此,電力電纜線路保護(hù)即電力電纜金屬護(hù)層通過護(hù)層保護(hù)器可靠接地,將電纜線路接地位臵的電位鉗制在允許的接地電位范圍內(nèi)。作為有效保障電力電纜線路安全運行的重要保護(hù)措施之一,電纜護(hù)層保護(hù)器通常安裝在電纜線路交叉互聯(lián)接地箱體內(nèi)和電纜終端箱內(nèi),其作用一是限制電纜線路金屬套中的工頻感應(yīng)電壓,二

14、是迅速抑制或釋放電纜線路金屬套中的工頻過電壓和沖擊過電壓。在電纜線路正常工作狀態(tài)時,電纜護(hù)層保護(hù)器呈現(xiàn)高阻狀態(tài),截斷電纜金屬套中的工頻感應(yīng)電壓與大地形成的回路,限制環(huán)行感應(yīng)電流,將工頻感應(yīng)電壓鉗制在設(shè)計電壓范圍內(nèi);一旦電纜線路出現(xiàn)短路故障、雷電過電壓或者內(nèi)部操作過電壓導(dǎo)致電纜金屬套中出現(xiàn)很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時,電纜護(hù)層保護(hù)器呈現(xiàn)低電阻導(dǎo)通狀態(tài),使得故障電流經(jīng)保護(hù)器迅速瀉入大地,將暫態(tài)過電壓鉗制在自身殘壓范圍內(nèi),起到保護(hù)電纜外護(hù)套絕緣的作用。3.2SVL的主要技術(shù)參數(shù)目前電纜金屬護(hù)套的保護(hù)也普遍采用氧化鋅閥片保護(hù)器。通常氧化鋅閥片保護(hù)器電氣性能的基本技術(shù)指標(biāo)包括:額定電壓、起始動作電壓(

15、參考電壓、最大持續(xù)運行電壓、工頻耐受電壓、通流容量、殘壓、電壓比、荷電率、保護(hù)比等。 圖3 電纜護(hù)層過電壓限制器(SVL 3.2.1 額定電壓U r 和起始動作電壓U 1mA額定電壓是護(hù)層保護(hù)器兩端之間允許施加的最大工頻電壓有效值,即在系統(tǒng)短時工頻過電壓直接加在護(hù)層保護(hù)器的氧化鋅閥片上時,護(hù)層保護(hù)器仍允許吸收規(guī)定的雷電及操作過電壓,特性基本不變,不會發(fā)生熱擊穿。參考電壓(起始動作電壓包含工頻參考電壓和直流參考電壓。它是指保護(hù)器通過1mA 的工頻峰值電流或者1mA 直流電流時,其兩端之間的工頻電壓峰值或者直流電壓,該電壓大致位于氧化鋅閥片伏安特性曲線由小電流區(qū)上升部分進(jìn)入非線性平坦部分拐彎處,所

16、以又稱起始動作電壓或者拐點電壓。通常參考電壓大于或者等于護(hù)層保護(hù)器額定電壓的峰值,即U 1mA 2U r 。系統(tǒng)短路時,工頻短路電流流過電纜線路芯線,電纜金屬套不接地端會產(chǎn)生很高的工頻感應(yīng)電壓。兼顧護(hù)層保護(hù)器的工頻過電壓耐受能力和起始電壓U 1mA ,護(hù)層保護(hù)器額定電壓為U r =U P /K 。(其中U P 為短路故障中出現(xiàn)的工頻電壓最大值,K 為保護(hù)器工頻電壓配合系數(shù),根據(jù)電纜外護(hù)套絕緣耐受能力和保護(hù)器動作情況的不同,K 值可取1.1-1.3。額定電壓的選取直接關(guān)系到其保護(hù)特性和可靠性,K 值越大,保護(hù)器的額定電壓越低,對電纜外護(hù)套過電壓保護(hù)越有利,一旦電纜金屬護(hù)套出現(xiàn)較高的過電壓,護(hù)層保

17、護(hù)器則會犧牲自己達(dá)到保護(hù)電纜外護(hù)套的目的;反之,K 值越小,保護(hù)器的額定電壓越高,其工頻電壓耐受時間特性越好,動作次數(shù)越少,使用壽命越長,但是不利于電纜外護(hù)套的保護(hù)。針對電纜外護(hù)套絕緣水平隨時間的推移而下降的實際情況,選取電纜外護(hù)層保護(hù)器的起始動作電壓應(yīng)低于運行中電纜外護(hù)套的工頻耐受電壓。但當(dāng)護(hù)層保護(hù)器的額定電壓和起始動作電壓取值偏小時,保護(hù)器會因工頻耐受能力比較差、動作相對頻繁而大幅縮短其正常使用壽命,因此應(yīng)同時考慮短路時電纜金屬套上的工頻過電壓與電壓外護(hù)套的絕緣耐受水平。3.2.2持續(xù)運行電壓、工頻耐受電壓Ug持續(xù)運行電壓是允許持續(xù)加在保護(hù)器兩端之間的最大工頻電壓有效值,其值一般等于或者大

18、于系統(tǒng)運行最大工作相電壓。該電壓決定了護(hù)層保護(hù)器長期工作的老化性能,即護(hù)層保護(hù)器吸收過電壓能量后溫度升高,在此電壓下能夠平穩(wěn)冷卻,不發(fā)生熱擊穿。根據(jù)護(hù)層保護(hù)器氧化鋅閥片的伏安特性以及工程上的實踐經(jīng)驗,該值通常取額定電壓的80%。保護(hù)器的工頻耐受電壓能力用規(guī)定時間下的耐壓值來表示(例如2s或者5s工頻耐壓值,該值是保護(hù)器選擇時的一個重要參數(shù),它關(guān)系到保護(hù)器自身的使用壽命,一旦電纜線路在短路故障情況下的工頻感應(yīng)電壓大于該值時,護(hù)層保護(hù)器將會面臨著被擊穿的危險。由于護(hù)層保護(hù)器的采用氧化鋅避雷器作為非線形限流元件,基本可選取護(hù)層保護(hù)器工頻耐受電壓U g,使其在U g的作用下能持續(xù)2s而不損壞,U g

19、應(yīng)大于短路故障情況下保護(hù)器所受工頻電壓的最大值。3.2.3通流容量與標(biāo)稱放電電流保護(hù)器具有釋放內(nèi)部過電壓能量的通流能力,通流容量表示氧化鋅閥片耐受通過電流的能力,通常用短持續(xù)時間(4/10s大沖擊電流(10100KA作用兩次和長持續(xù)時間(0.53.2ms近似方波電流(1501500A作用多次來表征,我國目前大多用通過2ms方波電流值作為護(hù)層保護(hù)器的通流容量。標(biāo)稱放電電流是指沖擊電流波形為8/20s大小的放電電流峰值。在雷電沖擊電壓作用下,電纜金屬護(hù)套一端接地另一端接保護(hù)器時,該護(hù)層保護(hù)器的標(biāo)稱放電電流I M參考下表選取:表1 SVL標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流波的通流容量Im(單位:kA 在操作過電壓作用下,

20、流經(jīng)護(hù)層保護(hù)器的電流有2個階段,即換算到8/20s的波形I M和持續(xù)2-3ms的方波電流I C,I M 和IM二者中較大值為保護(hù)器的通流容量設(shè)計值,以確保通過最大沖擊電流累計20次而不損壞。表2 SVL的操作波通流容量Im和Ic 3.2.4 殘壓殘壓是護(hù)層保護(hù)器的一個重要參數(shù),它指放電電流通過保護(hù)器時,其兩端出現(xiàn)的電壓峰值,包括陡波沖擊電流、標(biāo)稱沖擊電流、操作沖擊電流三種放電電流波形下的殘壓。護(hù)層保護(hù)器的保護(hù)水平是三者殘壓的組合。其雷電過電壓保護(hù)水平為標(biāo)稱沖擊電流下的最大殘壓和陡波沖擊電流下的最大殘壓除以1.15中的較大者,而操作過電壓水平，則由操作沖擊電流下的最大殘壓決定。 護(hù)層保護(hù)器通過最

21、大沖擊電流時的殘壓乘以 1.4 后，應(yīng)低于電纜 護(hù)層絕緣的沖擊耐壓值。保護(hù)器的殘壓越低，鉗制的電位越低，對保 護(hù)電纜外護(hù)套絕緣免受過電壓破壞越有利。 實際累計的電纜運行經(jīng)驗 和現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示： 電纜投運后， 電纜外護(hù)層的絕緣水平迅速下降， 護(hù)層保護(hù)器應(yīng)參考電纜外護(hù)層的實際沖擊耐受電壓來選擇殘壓， 盡量 選擇較低的殘壓。 但是比較低的殘壓容易導(dǎo)致護(hù)層保護(hù)器工頻耐壓水 平較低，從而發(fā)生擊穿。 保護(hù)器的額定電壓、起始動作電壓和殘壓是相互聯(lián)系、相互制約 的參數(shù)。不考慮壓比時，保護(hù)器的額定電壓越高，其起始動作電壓越 高，殘壓也就越高。 3.2.5 電壓比、殘工比與保護(hù)比 當(dāng)線路出現(xiàn)短路故障時， 金屬護(hù)

22、套上及絕緣接頭的絕緣片間將感 應(yīng)產(chǎn)生較高的工頻過電壓，可能達(dá)到幾千伏。當(dāng)過電壓時間較長時， 一般為后備保護(hù)切除短路故障的時間（2s） ，此時保護(hù)器應(yīng)在這種最 大工頻電壓作用下，能承受 2s 而不損壞。也就是說，按短路電流持 續(xù) 2s 選擇保護(hù)器的耐受電壓應(yīng)大于短路時金屬護(hù)套上的最大工頻感 應(yīng)電壓。 保護(hù)器的保護(hù)性能可以用電壓比、殘工比或者保護(hù)比來表示。電 壓比是護(hù)層保護(hù)器通過波形為 8/20s（常取 10 kA）的標(biāo)稱沖擊電流 時的殘壓與其參考電壓之比，殘工比是保護(hù)器在 8/20s（常取 10 kA） 沖擊電流下的殘壓與保護(hù)器的 2s 工頻耐壓有效值之比，理想的保護(hù) 器殘工比為 21/2， 保

23、護(hù)比是護(hù)層保護(hù)器通過波形為 8/20（ s 常取 10 kA） 的標(biāo)稱沖擊電流時的殘壓與其最大持續(xù)運行電壓的峰值之比。電壓 比、殘工比或保護(hù)比越小表示非線性越好，通過沖擊放電電流時的殘 壓越低，護(hù)層保護(hù)器的保護(hù)性能越好。 3.3 SVL 參數(shù)選擇實例 1）通流容量選擇：根據(jù)表 1 和表 2 中給出的（8/20ms）通流容量 經(jīng)驗值 Im 和 I m二者中取較大值 10 kA 滿足要求。 11 2）當(dāng)出現(xiàn)單相短路故障的情況時，流過 SVL 的電流為 kA 級，由 于 SVL 的熱穩(wěn)定性有限，此時 SVL 為保護(hù)線路會爆炸，這種情況是不 可避免的。若專門針對這種情況選擇通流容量很大的 SVL，從經(jīng)

24、濟(jì)的 角度考慮不予推薦，只能在短路故障后采取更換 SVL 的措施，這樣比 較方便，也比較經(jīng)濟(jì)，又達(dá)到保護(hù)線路的目的。 3）根據(jù)前面計算的交叉互聯(lián)護(hù)層最大短路感應(yīng)電壓 11.7 kV，和 最大雷電沖擊電壓 11.2 kV 和 22.4kV 經(jīng)驗值，選擇 SVL 額定電壓 8 kV 可以及時動作，起到保護(hù)作用，且不會頻繁動作。 4）最后綜合考慮對 SVL 參數(shù)作如下選?。?表3 系統(tǒng)額定 電壓 kV 110、220 額定電壓 kV 8 工頻耐受 電壓 kV 7.5 SVL 參數(shù)選擇 起始動作 電壓 kV 11.2 2ms 方波通 流容量 A 通流容量 （8/20ms） kA 10 10 kA 沖擊 殘壓 kV 15 600 4. 結(jié)論 SVL 優(yōu)化設(shè)計時，需要綜合考慮電纜線路以及 SVL 的接線方式， 計算額定電壓、動作電壓、殘壓以及工頻耐受電壓、通流容量等關(guān)鍵 技術(shù)參數(shù)，充分考慮參數(shù)之間的相互制約因素，優(yōu)化選取。 現(xiàn)場應(yīng)用表明該 SVL 參數(shù)設(shè)計以及接線方式選擇方案能夠滿足 單芯電力電纜線路金屬套過電壓保護(hù)要求， 可以有效減少單芯電纜金 屬護(hù)層保護(hù)接地故障率，提高了電纜運行