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(duì)于單芯電纜,，為了限制在電纜正常運(yùn)行時(shí)外護(hù)套上的環(huán)流,，一般采用電纜金屬外護(hù)套單端接地或交叉互聯(lián)接地。這樣一來,，就會(huì)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(huì)擊穿電纜外護(hù)套。為了保護(hù)電纜外護(hù)套,，通常采用在電纜的非直接接地端安裝電纜護(hù)套保護(hù)器（也稱電纜護(hù)套電壓限制器,，簡稱SVL）。

電纜護(hù)套保護(hù)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(jì)算才能得出,。本文采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，對(duì)侵入電纜系統(tǒng)的雷電過電壓和短路工頻過電壓進(jìn)行詳細(xì)仿真計(jì)算,，為相關(guān)的設(shè)備選型提供依據(jù),。電纜外護(hù)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(duì)110kV和220kV電纜,，其外護(hù)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(hù)套的感應(yīng)電壓應(yīng)不超過25kV,。

表1  電纜外護(hù)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(duì)于過電壓計(jì)算來講，其最大值往往出現(xiàn)在非直接接地端,。因此計(jì)算時(shí)采用單端接地的模型即可,。本文計(jì)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(jì)算

對(duì)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(duì)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(duì)電纜外護(hù)套的操作沖擊耐受電壓提出要求，因此本文只對(duì)電纜金屬護(hù)套上可能出現(xiàn)的雷電過電壓和短路時(shí)的工頻過電壓進(jìn)行詳細(xì)的仿真計(jì)算,。

雷電流的模擬波形有多種,，而雙指數(shù)波形是與實(shí)際雷電流波形最為接近的等值波形，其表達(dá)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(jìn)行模擬仿真,。計(jì)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(jì)算220kV電纜用雷電沖擊電壓模型波形圖如圖1所示。

圖1  計(jì)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)套電壓保護(hù)器,。

在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后,，在雷電沖擊電流作用下，電纜線路金屬外護(hù)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(hù)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(hù)套非直接接地端安裝護(hù)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(hù)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(jì)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(duì)系統(tǒng)的影響最大,。這里僅分析計(jì)算當(dāng)單相短路和三相短路時(shí)，電纜金屬外護(hù)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(jì)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)套電壓保護(hù)器后,，在單相短路沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)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(hù)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(hù)套非直接接地端安裝護(hù)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(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求,。

同單相短路電流計(jì)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(hù)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(hù)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(hù)套電壓保護(hù)器,。

在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)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(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求。

3  電纜護(hù)套電壓保護(hù)器的選型和配置

通過上述分析計(jì)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(hù)套感應(yīng)電壓均會(huì)超過其耐受值，為了保護(hù)電纜,，目前最行之有效的措施就是安裝電纜護(hù)套保護(hù)器,。

目前常用的電纜護(hù)套保護(hù)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(hù)套電壓限制器時(shí),，應(yīng)滿足：①在系統(tǒng)短路故障切除時(shí)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(hù)套電壓限制器的殘壓值Ur不得超過電纜外護(hù)套沖擊過電壓作用的保護(hù)水平,，在工頻過電壓時(shí)不應(yīng)被擊穿。

保護(hù)器耐受工頻過電壓的能力用規(guī)定時(shí)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(hù)器的保護(hù)性能的重要指標(biāo),，其表達(dá)式為

式（2）

保護(hù)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(dá)到2.7。

綜上所述,，保護(hù)器的選擇應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：

• 1）電纜護(hù)套絕緣的沖擊耐壓值應(yīng)大于保護(hù)器通過沖擊電流時(shí)的殘壓值乘以1.4,。

• 2）在最大工頻電壓5s內(nèi)，保護(hù)器不被損壞,。

• 3）在通過最大沖擊電流累計(jì)20次,，保護(hù)器不被損壞。

• 4）電纜護(hù)套保護(hù)器氧化鋅閥片的數(shù)量,，由護(hù)套所受工頻過電壓確定,，保護(hù)器閥片數(shù)為

  式（3）