高压电缆接地保护装置的优化设计

高压电缆接地保护装置的优化设计

摘要：近年来，江苏地区110kV及以上超高压电缆应用急剧增加，电缆事故数量也在逐年上升。部分设计与施工单位对高压电缆接地保护装臵参数选择不合理、设备的选择随意性较大，尤其是用于保护电缆安全稳定运行的接地系统，由于接地电阻、保护器等选型没有统一标准，易发生保护器失效或损坏等不正常的现象，引发高压电缆故障。

文章分析了电缆护层保护器的不同接线方式对电缆外护套和保护器的影响，研究了电缆护层保护器的额定电压、起始动作电压（参考电压）、最大持续运行电压、工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等主要技术参数与电缆保护之间的关系，提出了电缆护层过电压保护器的优化设计方案，并通过工程实践验证。现场应用表明该电缆附件参数设计以及接线方式选择方案能够满足单芯电力电缆线路金属套过电压保护要求，有效减少了单芯电缆金属护层保护接地故障率。

关键词：电缆护层保护器接线方式保护器参数优化设计

1.前言

近年来，江苏地区110kV及以上超高压电缆应用急剧增加，电缆事故数量也在逐年上升。部分设计与施工单位对高压电缆接地保护装臵（SVL）参数选择不合理、设备的选择随意性较大，尤其是用于保护电缆安全稳定运行的接地系统，由于接线方式、接地电阻、保护器参数等选型没有统一标准，易发生保护器失效或损坏等不正常的现象，引发高压电缆故障。

因此需要研究不同接线方式对SVL和电缆的影响，研究电缆护层保护器的额定电压、起始动作电压（参考电压）、最大持续运行电压、工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等主要技术参数与电缆保护之间的关系，规范SVL的设计。

2.SVL的接线方式选择

江苏无锡某220KV线路交叉互联接SVL，基本参数如下，计算电缆金属护层的感应电压。

电缆导体正常工作电流I=680 A

短路电流IF = 50 kA 土壤电阻率ρ =250 Ω〃m 频率f =50 Hz

地中等值电流的深度

=1475.8 m 电缆间距离S=0.25 m 电缆护层长度L=0.3 km 电缆金属护层半径rs=0.064 m 接地电阻R =0.4

大地电阻Rg =Rg’l ，Rg’=π2f×10-3 Ω/km 2.1 电缆交叉互联接地SVL “Y ”接线

如图1是电缆金属护层交叉互联加“Y ”接SVL 接线图。采用这种接线方式，SVL 只需跨接在断连的金属护层两端，不必接在金属护层和地之间。因为只要在金属护层被绝缘接头断开的两侧能在冲击电压下使SVL 接通，则线芯的冲击电流自然继续以金属护层为回路，这时金属护层的电位就会大大减少。

图1 电缆金属护层交叉互联加“Y ”接SVL 接线

电缆金属护层的自感电抗4S e

j210ln

S

D X l r ω-=⨯⋅

4S 1475.8

j2102500.3ln

0.064

X π-=⨯⨯⨯⨯=j0.1894 Ω

边相与边相金属的互感阻抗400e j210ln

2D Z l S

ω-=⨯⋅ 4001475.8

j2102500.3ln

0.25

Z π-=⨯⨯⨯⨯= j0.1637 Ω 中相与边相金属的互感阻抗401e j210ln

D Z l S

ω-=⨯⋅ 4011475.8

j2250102500.3ln

20.25

Z ππ-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯= j0.1506 Ω

电缆金属套电阻RS = 0.1，

a S 0001 = 0.1 j 0.18940.16370.1506 0.1 j 0.5037 Z Z Z Z =+++++=+（）Ω

1）三相短路

()Y F S 00U I X Z =-

()3Y 10j0.1894j0.1637U =⨯-= -j 1113 V 2）两相短路

A 、C 两相短路时：()Y F S 00U I X Z =--

()3Y 5010j0.1894j0.1637U =-⨯-= -j 1285 V

3）单相接地短路

()Y F S 001

2U I X Z =--

()3Y 1

5010j0.1894j0.16372

U =-⨯-= -j 642.5 V

采用这种接线方式，保护器只需要跨接在断连的金属护套两端，不必接在金属护套和地之间，也就是说，保护器只需采用“”接法或与之等值的“Y”接法。因为只要在金属护套被绝缘接头断开的两侧能在冲击电压下使保护器接通，则线芯的冲击电流自然继续以金属护套为回路，这时金属护套的电位就会大为减少。

这种接线的特点是：①由于保护器采用了“Y”型接线，故单相接

地故障时，保护器所受工频电压和接地电阻以及流经接地电阻的电流无关，其值仅为两相短路的一半，保护器所受工频电压由两相短路决定；②保护器所受工频电压比“Y 0”接法低得多，所以护层所受冲击电压比“Y 0”接法也要小。

2.2 电缆交叉互联接地SVL “Y 0”接线

如图2是电缆金属护层交叉互联加“Y 0”接SVL 接线图。即在A 与地之间接有SVL ，则此SVL 所受的工频电压Y0F AA'U I R U =+。因为I F R 和U AA ’ 的值都很大，其相位差约为90°，所以SVL 所受的电压U Y0的值很大。

图2 电缆金属护层交叉互联加Y0接SVL 接线

1）单相接地短路

由于金属护层电压和地网电压部分抵消，因此A 相接地时，C 相护层和SVL 所受的工频电压要比A 相高。 a ）地网内短路 首端a a C F 00S 21F 122a 2121

[()()()]33

Z Z U I Z X R R I R R I Z R R =-+

+⨯+-+++