电力系统二次电缆雷电感应电压对策的试验研究

的距离, m; S 矩形金属环的面积, m2。
因 X 2= b + X 1, 代入上式得
M=
2 ∃ 10-
7 a∀ln
b+ X X1
1
( 10)
由此可知, 在冲击地线附近开口金属环上最大
感应电势为
Em =
2
∃ 10-
7 a∀ln
b+ X X1
1∀
d d
I t
( 11)
如果图中闪击电流峰值取 60 kA, 金属 环边长
18
广西电力
2004 年第 2 期
电力系统二次电缆雷电感应电压对策的试验研究
Experimental Researching of Lightning- Induced Voltage it s Countermeasures in Secondary Cable
Power Systems Under Static Electric Field of Lightning Clouds
( 由于双绞线通过绞扭后的各个小环路在线 外某一点产生的干扰磁场彼此抵消, 所以其在 静电场的抗扰性只要稍加采取措施即可, 而且效果 极好。 ) 电缆本身有屏蔽层, 所以采取屏蔽措施后会 使感应电压进一步降低。 ∗ 屏蔽层可靠接地。
5 结论
试验结果表明, 屏蔽二次电缆雷电静电感应电 压试验所测得的结果与计算结果基本吻合。同轴电 缆和双绞线采用外套水管( 可靠接地) 的方法屏蔽雷 电静电感应电压, 控制电缆和铠装电缆采用覆盖角 钢( 可靠接地) 的方法屏蔽雷电静电感应电压的方法 是切实可行的。这些方法可大幅度降低变电站二次 电缆的雷电静电感应电压。
与附近 铺设 屏 蔽 线屏 蔽 效果 的 比 较[ J] 电 网技 术, 2000, ( 4) [ 3] 高攸刚 电磁兼容总论[ M ] 北京: 北京邮电大学出版 社, 2001 [ 4] 孙敏, 孙亲锡, 叶齐政 工程电磁场基础[ M ] 北京: 科 学出版社, 2001
王巨丰, 赵 权, 靳海军, 田树军
WANG Ju- feng, Zhao Quan, JIN H ai- jun, T IAN Shu- jun
( 广西大学电气工程学院, 广西 南宁 530004)
摘要: 为了降低变电站二次电缆的雷电静电感应电 压, 文章通过二次电 缆有无屏蔽 的感应电 压的计算, 并通过 试验验证, 试验结果和计算结果吻合。证明文中所列的屏蔽方法可作为降低变电站二次电缆的雷电静电感应 电压的措施。
( 12)
式中 r 0 屏蔽体的理想屏蔽系数;
! & 屏 蔽 体 - 大地∋ 回 路 的传 播 常 数,
l/ km;
l e 电缆与屏蔽体的平行长度, km;
l% 电缆在屏蔽段外的延伸段长度, km;
n=
art
h(
ZH ZC
)
其中 ZH 屏蔽体终端的接地电阻, ∀ ;
ZC 屏蔽体的特性阻抗, ∀。
以通信电缆为例, l e= 40 km, r 0= 0 185 ∀ , ZC
=
1 4
d 2= 79 m2, 以雷云网加压 25 kV 计空间均匀
电场强度为 E = 25 kV/ 8 m = 3 125 V/ m( 统计表
明 90% 的雷云底部为负电荷, 具有负极性) , 负电压
加到 25 kV 左右, 这和一般的实测统计规律是吻合
的。采用人工放电, 造成雷云静电场突然消失, 观察
另外, 考虑到更高电场强度的雷云静电电压, 在 二次电缆感应的电压会更高, 建议电缆端部在靠近 电子设备处加装防雷器。
参考文献 [ 1] 和伟, 和双丽等 云层间 闪电在 电缆上 产生的 电流 和
电压[ J] 云南师范大学学报, 2002, ( 3) [ 2] 邹军, 袁建生, 周宇昆等 地下通信电缆外套金属管 道
dI dt
( 2)
图 1 感应电压模型
式中 E m M
感应电势, V; 互感系数, H ;
dI dt
雷电流陡度, A/ s。
根据电磁场理论有
! H ∀dL = I
( 3)
2H ∀ ∀X = I
( 4)
H
=
1 2X
( 5)
d = B∀dS = 0∀H dS
( 6)
因 d = 0∀H ∀a∀dX
( 7)
取 a = b = 6 m, 雷电流陡度取 2 5 kA/ s, 则距离雷
击点 200 m 也可以感应产生 851 V 电压。
如果以电缆代替开口金属环, 则会在电缆中感 应出共模电压和差模电压。通过以上分析, 要降低
电缆回路中在静电场引起的感应过电压应采取相应
的措施, 本文在施工经验和理论分析的基础上提出 了采取以下措施降低这种静电电压: 外套金属屏蔽
3 1 3 双绞线试验
为进一步说明屏蔽措施在静电感应中的效果, 本试验还就双绞线和控制电缆进行同类试验, 所采 用的电缆长度和试验条件与上述同轴电缆相同。试 验结果见表 1。
表 1 双绞线和控制电缆试验结果
电缆 屏蔽 名称 措施
测量 芯线
感应电压 测量值
感应电 压计算值
实际屏 蔽系数
计算屏 蔽系数
/V
/V
无 芯- 地
10
双绞线 外套 水管
芯- 地
2
12
0 2 0 19
24
0 2 0 19
无 芯- 地
60
80
0 13 0 25
控制
覆盖 L40 2 角钢
芯-
地
8
电缆 无 芯- 芯
25
20
0 13 0 25
30
0 16 0 25
覆盖 L40 2 角钢
芯-
芯
4
75
0 16 0 25
4 试验分析
通过理论分析和试验对比可看出采取屏蔽措施 后, 可使感应过电压大大降低, 从而有效地屏蔽雷电 引起的电缆感应过电压。特别对于控制电缆来说, 虽然本实验只用了角钢屏蔽, 但其实际的屏蔽系数 仍然可以达到 0 13~ 0 16, 其屏蔽效果甚至比计算 值还要好, 主要因为:
2 感应电压计算
2 1 无屏蔽的感应电压计算
当电缆线与接地线在同一条电缆沟内布置时, 地 线遭受雷击后会在周围产生强烈的电磁场使电缆产生
感应过电压。为简明起见, 以图 1 为例做简单分析。
由电磁感应定律可知, 开口金属环上最大感应电势:
Em =
-
M
dI dt
( 1)
如果不考虑电压的方向, 则
Em=
M
aln
X2 X1
=
0∀ 2
aln
b
+ X
X
1
1
磁场强度, A/ m ;
xx21
( 9)
B 磁感应强度, T ;
穿过金属环的磁通量, Wb;
M 互感系数, H; 0 磁常数, 0= 4 r ∃ 10- 7( H / m ) ;
a, b 矩形金属环的长和宽, m;
L 闭环积分线路, m;
X 1, X 2 分别为开口金属环与地线平行边
关键词: 静电感应; 二次电缆; 屏蔽 中图分类号: T M 863 文献标识码: B 文章编号: 1671- 8380( 2004) 02- 0018- 03
1 引言
雷云在建筑物上方积累了较多的电荷, 当雷云 突然放电, 雷电流通道上产生较大的雷电流, 从而在 建筑物内的设备上感应过电压, 造成微电子设备损 坏, 电力系统保护和控制单元误动。电厂内微电子 设备众多, 各种线路、电缆错综复杂并且大多敷设于 电缆沟中与地线紧贴, 防雷设计、施工的难度 相当 大。要杜绝雷害事故, 就必须采取综合防雷措施, 将 雷电的入侵途径一一切断。本文对二次电缆有无屏 蔽的感应电压进行计算, 并通过试验验证, 从而提出 降低由静电感应引起的雷电过电压的措施。
试验电缆静电感应电压, 以及采取屏蔽措施后上述
试验电缆上的静电感应电压。
3 1 同轴电缆试验
3 1 1 同轴电 缆无屏蔽试验
同轴电缆长 10 m, 无屏蔽, 测量芯皮之间电压。 雷云电压 25 kV。坐标参数 20 V/ 格, 0 2 s/ 格, 感 应峰值电压约 60 V, 如图 4。
3 1 2 同轴电 缆有屏蔽的试验
# # 则
= x 2 0 ∀ H ∀ a ∀ dX =
x1
0 ∀ I ∀ a x2 dX
2
x1 X
( 8)
收稿日期: 2004- 01- 15; 修订日期: 2004- 04- 12
2004 年第 2 期
广西电力
19
又因
M=
= 式中 H
# I =
0∀ a 2
x 2 dX xX
=
0∀a 2
lnX
1
0∀ 2
在 模拟雷云场中穿过#25的厚镀锌水管, 水管
20
广西电力
2004 年第 2 期
图 4 同轴电缆无屏蔽感应电压波形
两端接地, 同轴电缆悬空。测量芯皮之间电压。雷 云电压 25 kV。坐标参数: 2V/ 格, 5 s/ 格, 感应峰 值电压约 1 V, 如图 5。
图 5 同轴电缆水管屏蔽后感应电压波形
管道, 同时将屏蔽层按不同方式接地。下面重点叙
述外套金属管道屏蔽后的影响及结果。
2 2 有屏蔽的感应电压计算
采取屏蔽措施后的模型如图 2 所示。
图 2 屏蔽电缆示意图
电缆终端的实际屏蔽系数为
r = r 0 + 2 ( 1 - r 0 ) sh [ n ∀
sh[ !( l e+ l%) + n ] - sh( !l%+ n) !l esh[ !( l e+ 2 l%) + 2 n]
= 30 ∀, ! = 0 3, 通 信 电缆 纵 向 阻抗 为 1 66 +
源自文库
j8 86 ∀/ km , 可算出 ZH 为 1 ∀ 和 20 ∀ 时的实际
屏蔽系数为 0 19 和 0 25。
3 验证试验
模拟雷云静电场的电路图如图 3 所示。
图 3 模拟雷云静电场电路
本实验中, 雷云网高度 8 m, 直径 10 m, 面积 S