变电站进线电缆的防雷研究

变电站进线电缆的防雷研究

陆晓艳

（宁夏宁电电力设计有限公司宁夏银川750002）

摘要：当雷击过电压入侵电缆本体时，在金属护套上产生的过电压可能超过其护层的绝缘水平，击穿外护层。本文利用ATP电磁暂态计算程序，对不同接线方式的电缆线路的雷过电压进行了仿真，经计算分析得出，在保证绝缘的前提下不接地端的金属护套上需装设护层保护器。另外仿真分析得出电缆的结构、外护套材料、大地电阻率对金属护套过电压的影响不大，冲击接地电阻、电缆长度对电缆金属护套过电压有较大的影响。对选择经济可靠的变电站、发电厂防雷保护方案和评估防雷性能提供了有效的方法。

关键词：单芯电缆；金属护套；雷过电压；ATP

引言

雷电侵入波过电压是变电站、发电厂雷害事故的主要原因，本文提出进线电缆防雷的仿真方法，合理计算出变电站、发电厂的雷电侵入波过电压，为选择经济可靠的防雷保护方案，评估变电站、发电厂的防雷性能提供了有效方法。

1．仿真计算元件模型介绍

1.1护层保护器及避雷器

氧化锌避雷器是一种高度非线性电阻[2]，其伏安特性在正常电压范围内斜率几乎为无限大，而在过电压保护范围内则几乎是水平的，优异的非线性使得氧化锌避雷器在陡波头冲击电流作用下残压较小，且有较大的通流能力，具有良好的吸收雷击过电压和暂态过电压的能力。表1是西安电瓷厂生产的BRLJS-110（I）电缆护层保护器的伏安特性[2]，本文中护层保护器按照该特性仿真计算。

在ATP-EMTP采用Type92元件模拟避雷器和电缆护层保护器[1]，该元件根据输入u-i曲线的离散点，利用最小二乘法进行曲线拟合。

表1110kV护层保护器的伏安特性曲线

1.2电缆及架空线路

为了计算的准确性，电缆线路采用LCC中的三相埋地Bergeron线性[3]和J-Marti离散[4]电缆模型。线路参数与频率有关，这是由于导线及大地的集肤效应造成的，导线的集肤效应使正序电阻随频率升高而增加；而大地的集肤效应远比导线的集肤效应强烈，频率越高，电流越不易渗入地中而沿表面流动，从而使零序电阻增大，零序电感减小[5]。

1.3过电压侵入波

本文研究雷击电缆相连的架空线，过电压沿线侵入电缆导体时，在电缆金属护套上的过电压。包括雷击导线，雷击避雷线或杆塔而发生绝缘子闪络（反击）[6]，因而侵入到电缆导体中的过电压的最大值为避雷器动作后的残压。研究中考虑最严重的情况，采用8/20的斜角波来模拟入侵到电缆导体上的雷过电压，幅值取为110kV避雷器动作的残压值268kV。实际上避雷器动作后的波形并不确定，考虑到截断波，对斜角平顶波作用下的电缆护套过电压进行讨论分析。

2雷电波侵入金属护套单端接地的电缆导体时金属护套的过电压

电缆金属护套的单端接地方式包括与架空线连接处（简称首端）金属护套直接接地和另一端（简称末端）直接接地两种。仿真计算中的110kV的电缆线路截面为1000mm2，长度为400m，电缆线路采用的是J-Marti模型；雷电过电压沿着电缆的A相导体入侵，其中侵入的雷电波电压幅值取268kV，波形采用8/20的斜角波。其中冲击接地电阻R取值为0.6，负荷阻抗为400。

2.1金属护套首端接地

经仿真计算得到电缆过电压可以看出，三相互联接地的首端护套（接在同一个地网上）上的过电压波形相同，最大过电压值约3.5kV；不接地的末端护套过电压最大值为3.8kV，没有超过外护层的绝缘水平；从A相导体入侵的雷电过电压传输到电缆导体末端，其中A相的过电压最大值为273kV，这是因为末端接有400的负荷，过电压波到达末端时发生了折反射后叠加的缘故，而B、C相电压很小。

2.2电缆金属护套末端接地

当有雷电波从架空线入侵金属护套末端接地的电缆导体时，金属护套首端的过电压是很大的，当过电压超过外护层的绝缘水37.5kV，在金属护套首端处必须要安装护层保护器，以保护电缆外护套绝缘。从仿真结果可以看出，不接地的护套首端过电压最大值为79.3kV（远大于首端接地时的末端上的过电压最大值18.5kV）接地的末端护套上的过电压最大值约2kV。

从仿真计算结果可以看出：电缆护套单端接地的两种方式下的护套过电压幅值差别是很大的。从护套过电压的角度看，采用首端护套接地的接线方式对降低护套过电压和保护高压单芯电缆的护层绝缘都是十分有利的。

3电缆参数对金属护套过电压的影响

3.1电缆结构

本节对500，800电缆的金属护套过电压与1000的进行对比分析。保持计算的其它条件相同，首端接地的500，800电缆金属护套过电压如表2（a）。

3.2电缆长度对雷电过电压的影响

在其他条件不变的情况下，仅仅改变电缆的长度，对首端接地的金属护套过电压进行计算，最后得到其过电压最大值见表2（b）。

3.3冲击接地电阻对雷过电压的影响

由表2（c）可以看出冲击接地电阻对护套末端过电压有很大影响，冲击接地电阻越大，护套末端过电压也越大。因此，在防雷中需要用电阻值较小的冲击接地电阻。

电缆长度（m）末端护套过电压（kV）

（c）金属护套过电压最大值与冲击接地电阻的关系

表2长度、电缆截面及冲击电阻对末端电压升高的影响

结论

本文仿真验证了110kV以上单芯电缆采用首端护套接地对降低护套过电压和保护高压单芯电缆的护套绝缘是有利的，指出不接地端的金属护套上装设护层保护器的必要性；进一步验证了冲击接地电阻、电缆长度对电缆金属护套过电压有较大的影响。为选择经济可靠的防雷保护方案，评估变电站、发电厂的防雷性能提供了有效方法。

参考文献：

[1]周泽存．高电压技术[M]．北京：中国电力出版社，2004．

[2]于景丰．电力电缆实用技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[3]江日洪．变电站防雷保护及应用实例[M]．北京：中国电力出版社，2005．

作者简介：

陆晓艳（1987），女，工程师，电力系统二次设计，电力系统一次设计。