66 kV帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器與電纜過電壓絕緣保護(hù)配合研究

鐘雅風(fēng)，耿莉娜，李 爽

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

研究與應(yīng)用

66 kV帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器與電纜過電壓絕緣保護(hù)配合研究

鐘雅風(fēng)，耿莉娜，李 爽

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

通過選取避雷器本體參數(shù)和串聯(lián)間隙設(shè)計(jì)，對(duì)電纜線路的沖擊特性長度l0和絕緣配合進(jìn)行計(jì)算研究，研制出66 kV帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，可與66 kV電纜過電壓絕緣保護(hù)相配合，正常運(yùn)行狀況下該避雷器是免維護(hù)的，并對(duì)電纜加以保護(hù)。

帶串聯(lián)間隙；避雷器；電纜；過電壓保護(hù)

近幾年城市建設(shè)飛速發(fā)展，以往城區(qū)66 kV架空線路逐步由電纜取代，由于過電壓和防雷保護(hù)的要求，目前常采用無間隙金屬氧化物避雷器（簡稱避雷器）保護(hù)電纜兩端［1］，一般安裝在桿塔或桿塔電纜平臺(tái)上（距地面15～30 m），避雷器長期在運(yùn)行電壓作用下，內(nèi)部電阻片易老化［2］，若密封不良，電阻片受潮，避雷器易發(fā)生熱崩潰；現(xiàn)保護(hù)電纜用66 kV避雷器大多采用外絕緣為硅橡膠復(fù)合外套［3］，若安裝方式不當(dāng)，將造成內(nèi)部膠粘處發(fā)生裂紋，產(chǎn)生局部放電等。按DL／T 393—2010《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)要登桿或卸下避雷器，試驗(yàn)工作量大，往往難以按試驗(yàn)規(guī)程要求周期內(nèi)完成試驗(yàn)，給安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來很大隱患。

1 避雷器參數(shù)的選擇

1.1 避雷器本體參數(shù)

a.DL／T 401—2002《高壓電纜選用導(dǎo)則》，對(duì)侵入電纜線路系統(tǒng)的雷電幅值大小主要由保護(hù)電纜的避雷器特性決定，即用避雷器保護(hù)電纜線路侵入波幅值約等于避雷器保護(hù)水平［4］。氧化鋅避雷器保護(hù)比為1.6～1.8，為保證線路在出線最高工頻電壓時(shí)避雷器能可靠動(dòng)作，避雷器額定電壓一般取線路單相接地時(shí)健全相可能出現(xiàn)的過電壓。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)為100%Um（66 kV系統(tǒng)的Um為72.5 kV）。

b.應(yīng)考慮避雷器的間隙動(dòng)作后，避雷器本體在該電壓下遮斷工頻續(xù)流［5］，在此工頻續(xù)流中可能會(huì)含有電纜對(duì)避雷器放電的電容電流，因此，避雷器本體的通流容量要比一般的無間隙避雷器要大，以保證避雷器本體在間隙動(dòng)作后，能遮斷工頻續(xù)流的同時(shí)而不損壞。

考慮66 kV系統(tǒng)及電纜的過電壓保護(hù)要求，選定YH10CX3－96／232方波通流2 ms能力800 A的避雷器本體，本體參數(shù)如表1所示。

1.2 雷電波在電纜傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

一般66 kV電纜一端與架空線連接，另一端與變電站內(nèi)母線或GIS連接（如圖1所示）。

表1 避雷器本體參數(shù)

圖1 電纜連接圖

當(dāng)雷電沖擊波在電纜線路中傳播時(shí)，沿電纜長度方向各點(diǎn)電壓值并不相等。由于架空線的波阻抗比電纜大很多，應(yīng)考慮電纜末端的反射波，最高電壓總是發(fā)生在電纜末端［6］。一般雷電沖擊波從架空線進(jìn)入電纜時(shí)，其峰值大大降低，當(dāng)波到達(dá)電纜末端時(shí)，由于全反射而使波幅值增加1倍，但此時(shí)電纜末端受到波的幅值只有架空線上雷電沖擊波的幾分之一，因此，在架空線與變電站設(shè)備之間接入電纜線路后，降低了變電站內(nèi)設(shè)備所承受的過電壓。但還應(yīng)考慮多次折反射，如雷電沖擊波波頭走過電纜全長所需時(shí)間小于本身波尾時(shí)間，在波尾通過電纜末端以前將多次折、反射疊加，因此電纜與其末端設(shè)備承受的過電壓可能很高，反之，其承受的過電壓將不會(huì)超過電纜入射波的2倍或架空線雷電沖擊波的幾分之一。

1.3 串聯(lián)間隙的設(shè)計(jì)

串聯(lián)間隙的設(shè)計(jì)主要是間隙安裝方式和間隙的距離。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，要設(shè)計(jì)2種串聯(lián)間隙，一是環(huán)形間隙，二是棒—棒間隙。

查閱相關(guān)規(guī)程對(duì)66 kV系統(tǒng)絕緣水平要求，DL／T 401—2002《高壓電纜選用導(dǎo)則》中Um＝72.5 kV、選擇U0／U為50／66 kV的電纜，其雷電沖擊耐受電壓450 kV；DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中其短時(shí)工頻耐受電壓155 kV（有效值）。

根據(jù)避雷器本體參數(shù)、相關(guān)規(guī)程及雷電波在電纜傳輸特點(diǎn)的要求，初步選定66 kV帶串聯(lián)間隙避雷器保護(hù)電纜的絕緣水平為負(fù)極性50%沖擊放電電壓230～250 kV、工頻放電電壓96～110 kV、工頻耐受電壓85 kV。

2 電纜線路沖擊特性長度l0和絕緣配合計(jì)算

當(dāng)雷電沖擊波在電纜線路中傳播時(shí)，沿電纜長度各點(diǎn)電壓值并不相等，一般最高電壓總是發(fā)生在電纜末端。當(dāng)電纜長度l＝l0時(shí)，電纜中受到最大的沖擊電壓等于架空線上傳播過來的入射波幅值，這個(gè)長度l0為電纜線路的沖擊特性長度。

2.1 電纜線路沖擊特性長度l0和絕緣配合原則

a.當(dāng)電纜線路實(shí)際長度小于沖擊特性長度時(shí)，電纜的沖擊絕緣水平必須取系統(tǒng)絕緣較高的值或?qū)﹄娎|線路另加保護(hù)措施。

b.當(dāng)電纜線路實(shí)際長度等于沖擊特性長度時(shí)，電纜的沖擊絕緣水平可與系統(tǒng)絕緣取相同值。

c.當(dāng)電纜線路實(shí)際長度大于沖擊特性長度時(shí)，電纜的沖擊絕緣水平可取比系統(tǒng)絕緣較低的值。

2.2 沖擊特性長度計(jì)算

采用ATP－EMTP進(jìn)行仿真計(jì)算，其數(shù)字模型包括：集總參數(shù)電阻R，電感L和電容C；多相PI等值電路；多相分布參數(shù)輸電線路；非線性電阻，非線性電感器（既可模擬常規(guī)的單值特性曲線，也可包括剩磁和磁滯）；時(shí)變電阻、電壓和電流源。

理論分析表明，在與GIS（母線）或變壓器相連的電纜末端，當(dāng)該點(diǎn)折、反射波疊加后沖擊波的最大值與侵入波的幅值相等時(shí)，電纜受到的沖擊不會(huì)超過入射波的幅值（如圖2所示）。

圖2 電纜與其他設(shè)備連接示意圖Z1—架空線波阻抗；ZL——電纜線路波阻抗；Z2——與電纜連接其他設(shè)備波阻抗

此過程與電纜長度密切相關(guān)，在此條件下求得的電纜長度即為沖擊特性長度l0，具體可用下列公式進(jìn)行描述：

式中 α12、α23、β12、β23——分別為電纜兩端的折射系數(shù)和反射系數(shù)；

τ——沖擊波沿電纜線路長度往返1次所需的時(shí)間，μs；

n——折反射次數(shù)；

a——沖擊波陡度，kV／μs；

v——波在電纜中的傳播速度，m／μs；

l——電纜長度，m。

由以上3個(gè)方程即可求出電纜長度l。

66 kV架空線Z1＝450 Ω，電纜末端設(shè)備波阻抗Z2＝∞和Z2＝50 kΩ，電纜沖擊特性長度l0計(jì)算結(jié)果如表2所示；Z1＝500 Ω時(shí)，電纜沖擊特性長度l0計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 電纜沖擊特性長度l0計(jì)算結(jié)果（Z1＝450 Ω）

表3 電纜沖擊特性長度l0計(jì)算結(jié)果（Z1＝500 Ω）

66 kV架空線Z1＝500 Ω，電纜波阻抗Z1＝25 Ω，Z2＝∞時(shí)，66 kV電纜中可能受到的最大沖擊電壓UBm和電纜入射波電壓Uim比值與電纜線路長度的關(guān)系如表4所示。

表4 UBm／Uim與電纜長度的關(guān)系

66 kV架空線Z1＝500 Ω、電纜波阻抗Z1＝20 Ω，Z2＝∞時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 UBm／Uim與電纜長度的關(guān)系（電纜波阻抗20 Ω）

由計(jì)算結(jié)果可見：電纜線路波阻抗增大，電纜沖擊特性長度增加；架空線路波阻抗增大，電纜沖擊特性長度增加；電纜線路末端設(shè)備波阻抗對(duì)電纜沖擊特性長度影響不大；電纜線路越長，電纜末端承受過電壓倍數(shù)越低；在架空線路波阻抗一定時(shí)，電纜線路波阻抗大小影響最大沖擊電壓UBm和電纜入射波電壓Uim比值及到達(dá)UBm的時(shí)間。

3 計(jì)算分析

3.1 操作沖擊電壓試驗(yàn)

根據(jù)雷電沖擊波在電纜傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，由于架空線的波阻抗比電纜大很多，應(yīng)考慮電纜末端的反射波，最高電壓總是發(fā)生在電纜末端，波的全反射使電纜末端電壓增加1倍，但66 kV電纜工作電容較大（如表6所示），雷電侵入波的波頭進(jìn)入電纜傳輸后，其波頭可能會(huì)變緩。

表6 50／66 kV常用電纜電容參數(shù)

用EMTP仿真計(jì)算，電纜計(jì)算參數(shù)：電纜截面1×630 mm2、工作電容0.20 μF／km，波阻抗25 Ω。計(jì)算結(jié)果：當(dāng)雷電侵入波從電纜首端到達(dá)電纜末端，其波頭變緩；如首端侵入波波頭為1 μs，在500 m電纜內(nèi)傳輸，在327 m時(shí)其波頭為35 μs左右（如圖3所示）。

圖3 雷電侵入波在電纜中傳輸波形

圖3 中紅色為電纜線路首端波形，綠色為計(jì)算的波形。原始波形為1.2／50 μs，327 m時(shí)波頭為35 μs。

用操作沖擊電壓試驗(yàn)驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果，使操作沖擊電壓值在230 kV左右，目的是其2倍值控制在450 kV（66 kV系統(tǒng)Um＝72.5 kV、選擇U0／U為50／66 kV的電纜，其雷電沖擊耐受電壓450 kV），從而確定兩種間隙的間隙距離。

3.2 沖擊特性長度

電纜的沖擊特性長度決定電纜的絕緣水平，計(jì)算結(jié)果表明電纜的沖擊特性長度與架空線波阻抗、電纜波阻抗有關(guān)系，二者波阻抗變大，其沖擊特性長度增大；在架空線波阻抗一定的情況下，電纜波阻抗增大，其在電纜內(nèi)產(chǎn)生最大沖擊電壓值與入射波幅值之比變小，即產(chǎn)生過電壓的幅值變?。槐?～表5數(shù)據(jù)表明，在不知電纜沖擊特性長度時(shí)，300 m以內(nèi)電纜應(yīng)考慮電纜線路兩端加裝避雷器，以避免架空線路雷電沖擊波傳輸?shù)诫娎|線路末端引起過電壓。

4 結(jié)論

a.確定了避雷器本體參數(shù)、間隙類型，間隙類型分為環(huán)—環(huán)間隙和棒—棒間隙，用操作沖擊電壓試驗(yàn)最終確定間隙距離。

b.計(jì)算了66 kV各種電纜的沖擊特性長度，指出在不知電纜沖擊特性長度時(shí)，300 m以內(nèi)電纜應(yīng)考慮電纜線路兩端加裝避雷器，以避免架空線路雷電沖擊波傳輸?shù)诫娎|線路引起過電壓。

c.用ATP－EMTP仿真計(jì)算了雷電過電壓從電纜首端到達(dá)電纜末端，其波頭變緩。

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［4］ 王 劍，陳 琥，劉時(shí)亮.10 kV系統(tǒng)電纜線路過電壓原因及預(yù)防［J］.東北電力技術(shù)，2008，29（5）：47－49.

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［6］ 王 劍，陳 琥，劉時(shí)亮.10 kV系統(tǒng)電纜線路過電壓原因及預(yù)防［J］.東北電力技術(shù)，2008，29（5）：47－49.

The Research on Overvoltage Insulation Protection Coordination of 66 kV MOA with Series Gap and Cable

ZHONG Ya?feng，GENG Li?na，LI Shuang
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The paper calculated and researched the length of cable lines l0and insulation properties by selecting arrester body parame?ters and designing series gap，developed 66 kV MOA with series gap，which can be compatible over?voltage protection with 66 kV ca?ble.The arrester is maintenance?free under normal operating conditions，and could protect cables.

Series gap；MOA；Cable；Over?voltage protection；Calculation

TM862

A

1004－7913（2015）02－0010－03

鐘雅風(fēng)（1962—），女，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事四小器監(jiān)督工作。

2014－12－15）