髙壓電纜金屬材料外護套的磁感應電壓解析測算及有關維護機器設備電機選型

 中國電建集團河南省電力勘察規劃院有限責任公司、河南眾慧電力安裝工程資詢責任有限公司的科學研究工作人員惠勝達、李偉強，在2019年《電氣技術》增刊1上發文，出示了一種根據atp-emtp測算髙壓電纜在雷擊過電壓、直流過電壓時的計算方式和實體模型，并明確提出相對的限定對策，另外為有關機器設備的電機選型出示根據。

 現階段在中國單芯構造的電纜多被用以110kv及左右的髙壓電纜。針對單芯電纜，以便限定在電纜一切正常運作時外護套上的電場，一般選用電纜金屬材料外護套單端接地或交叉式互連接地。這樣一來，就會在電纜的非立即接地端磁感應出很大的電壓，尤其雷擊沖擊電流量或短路容量的功效下，造成的過電壓會熱擊穿電纜外護套。以便維護電纜外護套，一般選用在電纜的非立即接地端安裝電纜護套保護裝置（也稱電纜護套電壓限位器，通稱svl）。

 電纜護套保護裝置的配備是不是有效及其所采用的主要參數是不是適度，必須根據解析測算才可以算出。文中選用atp-emtp電磁感應暫態測算手機軟件，對入侵電纜系統軟件的雷擊過電壓和短路故障直流過電壓開展詳盡模擬仿真測算，為有關的機器設備電機選型出示根據。電纜外護套的雷擊沖擊耐受性電壓值應不低于表1中的要求。

 由表1能夠看得出，對110kv和220kv電纜，另外護套雷擊沖擊耐受性電壓值應不低于37.5kv和47.5kv。直流過電壓下電纜外護套的磁感應電壓應不超出25kv。

 表1電纜外護套雷擊沖擊耐受性電壓值（kv）

 電纜不管選用交叉式互連接地還是選用單端接地，針對過電壓測算而言，其最高值通常出現在非立即接地端。因而測算時選用單端接地的實體模型就可以。文中測算設置的邊界條件為：220kv電纜、長短為400m、立即接地端接地電阻器為5ω、單相電短路容量為23.65ka、三相短路容量為25.5ka，電纜選用2500mm2銅纜。

 1雷擊沖擊過電壓危害測算

 針對330kv及左右的系統軟件，電纜路線的主絕緣層必須考慮到實際操作過電壓的危害，而針對110kv及220kv系統軟件而言，電纜路線的主絕緣層關鍵是從外過電壓決策的，有學家的有關科學研究也未對電纜外護套的實際操作沖擊耐受性電壓明確提出規定，因而文中只對電纜金屬材料護套上將會出現的雷擊過電壓和短路故障時的直流過電壓開展詳盡的模擬仿真測算。

 雷擊流的仿真模擬波型有多種多樣，而雙指數值波型是與具體雷擊流波型更為貼近的等價波型，其關系 式（1）

 式中，常數a、α、?由雷擊流的波型明確。

 雷擊流的波型選用gb/t50064—2014規范中強烈推薦的2.6/50?s規范雷擊流開展仿真模擬。測算賦值：輸電線路波阻抗為350ω，雷擊波電壓幅度值取氧化鋅避雷器殘發電電壓，220kv為562kv。測算220kv電纜用雷擊沖擊電壓實體模型波形圖如圖所示1圖示。

 圖1測算220kv電纜用雷擊沖擊電壓實體模型波型

 電纜在atp-emtp中的雷擊沖擊電源電路實體模型如圖所示2圖示。

 圖2atp-emtp雷擊沖擊電源電路實體模型

 在雷擊沖擊電流量功效下，電纜金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型如圖所示3圖示。

 圖3雷擊沖擊電流量功效下金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型

 在雷擊沖擊電流量功效下，電纜金屬材料外護套立即接地web端磁感應電壓波型如圖所示4圖示。

 圖4雷擊沖擊電流量功效下金屬材料外護套立即接地web端磁感應電壓波型

 如圖所示3和圖4圖示，在雷擊沖擊電流量功效下，電纜金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓最高值為92.24kv，超出電纜金屬材料外護套絕緣層沖擊耐受性電壓47.5/1.4kv的規定，而立即接地端磁感應電壓最高值為5.39kv，符合要求。因而，應在電纜正中間的絕緣接頭處安裝護套電壓保護裝置。

 在電纜絕緣接頭處安裝護套電壓保護裝置后，在雷擊沖擊電流量功效下，電纜路線金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型如圖所示5圖示。

 圖5雷擊沖擊電流量功效下、安裝電壓限位器后金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型

 如圖所示5圖示，在雷擊沖擊電流量功效下，在電纜金屬材料護套非立即接地端安裝護套電壓限位器后，其磁感應電壓最高值為19.59kv，不超出電纜金屬材料護套絕緣層沖擊耐受性電壓47.5/1.4kv的規定。

 2短路故障直流過電壓測算

 在供電系統短路故障問題中，單相電接地短路故障問題約占65%，三相短路故障問題約占5%，而三相短路故障系統對的危害較大。這兒僅解析測算當單相電短路故障和三相短路故障時，電纜金屬材料外護套的磁感應電壓。依據上文假定的短路容量值，在其中單相電短路容量為23.65ka，三相短路容量為25.5ka。

 電纜在atp-emtp中的單相電短路故障實體模型和三相短路故障實體模型各自如圖所示6和圖7圖示。

 圖6atp-emtp單相電短路故障實體模型

 圖7atp-emtp三相短路故障實體模型

 數值解析以下：在單相電短路容量23.65ka功效下，電纜金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型如圖所示8圖示。

 在單相電短路容量功效下，電纜金屬材料外護套立即接地web端磁感應電壓波型如圖所示9圖示。

 如圖所示8和圖9圖示，在單相電短路容量功效下，電纜金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓最高值為23.2kv，超出電纜金屬材料外護套絕緣層沖擊耐受性電壓25/1.4kv的規定，而立即接地端磁感應電壓最高值為0.47kv。因而，需要電纜非立即接地web端絕緣接頭處安裝電壓限位器。

 圖8單相電短路容量功效下金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型

 圖9單相電短路容量功效下金屬材料外護套立即接地web端磁感應電壓波型

 在電纜非立即接地端絕緣接頭處安裝護套電壓保護裝置后，在單相電短路故障沖擊電流量功效下，電纜金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型如圖所示10圖示。

 圖10單相電短路容量功效下、安裝電壓限位器后金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓波型

 如圖所示10圖示，在單相電短路故障沖擊電流量功效下，在電纜金屬材料外護套非立即接地端安裝護套電壓限位器后，其磁感應電壓最高值為8.79kv，不超出電纜金屬材料外護套絕緣層沖擊耐受性電壓25/1.4kv的規定。

 同單相電短路電流計算方式一樣，在三相短路容量25.5ka沖擊電流量功效下，電纜金屬材料外護套非立即接地web端磁感應電壓最高值為64.69kv，超出電纜金屬材料外護套絕緣層沖擊耐受性電壓25/1.4kv的規定，而立即接地端磁感應電壓最高值為4.13kv，符合要求。因而，需要電纜絕緣接頭處安裝護套電壓保護裝置。

 在電纜絕緣接頭處安裝護套電壓保護裝置后，在三相短路故障沖擊電流量功效下，電纜磁感應電壓最高值為15.69kv，不超出電纜金屬材料外護套絕緣層沖擊耐受性電壓25/1.4kv的規定。

 3電纜護套電壓保護裝置的電機選型和配備

 根據所述解析測算能夠看得出，電纜出外過電壓或直流過電壓功效下，其非立即接地web端外護套磁感應電壓均會超出其耐受性值，以便維護電纜，現階段最切實可行的對策就是說安裝電纜護套保護裝置。

 現階段常見的電纜護套保護裝置是一種氫氧化物氧化鋅避雷器。現行標準的電壓限位器是用的串連泵殼，在挑選護套電壓限位器時，應考慮：①在系統軟件短路故障問題摘除時間內造成的直流過電壓，不可以超過電壓限位器的直流耐受性電壓uac,t值；②護套電壓限位器的殘壓值ur不能超過電纜外護套沖擊過電壓功效的維護水準，在直流過電壓時不可被熱擊穿。

 保護裝置耐受性直流過電壓的工作能力用要求時間下的抗壓值（比如2s或4s直流抗壓值）表達。殘工比k是保護裝置的維護特性的關鍵指標值，其關系式為

 式（2）

 保護裝置的殘工比k越小，其特性就越好。現階段常見的氧化鋅泵殼，它的殘工比早已超過2.7。

 總的來說，保護裝置的挑選應考慮下列好多個標準：

 1）電纜護套絕緣層的沖擊抗壓值應超過保護裝置根據沖擊電流量時的殘壓值乘于1.4。

 2）在較大直流電壓5s內，保護裝置不被毀壞。

 3）在根據較大沖擊電流量總計20次，保護裝置不被毀壞。

 4）電纜護套保護裝置氧化鋅泵殼的總數，由護套受到直流過電壓明確，保護裝置閥片數為

 式（3）

 依據1）文中所出示的髙壓單芯電纜在過電壓時，外護套的磁感應電壓解析計算方式，是運用atp-emtp電磁感應暫態仿真軟件，此軟件關鍵優化算法根據麥克斯韋電磁場理論。文中在預估電纜過電壓外護套的磁感應電壓時，其尺寸受電纜非立即接地web端接地電阻器危害并不大，而與電流量的轉變頻率有挺大關聯，這一點與根據電焊工基本原理的計算方式有挺大區別。

 2）選用文中出示的計算方式能夠精確測算出電纜出外過電壓和短路故障直流過電壓時其金屬材料外護套的磁感應電壓，為合理流動電纜護套電壓限位器出示電機選型根據。

 3）文中測算實體模型選用的是電纜單端接地實體模型，可是特別注意：針對單端接地的電纜，以便限定單相電短路故障時直流過電壓對電纜護套保護裝置的危害通常必須安裝流回線；針對交叉式互連接地方法，則不用獨立鋪設流回線。