高中低压单心电缆护层过电压及保护专题

高、中压单芯电缆护层过电压及保护专题

武汉大学电气工程学院江日洪教授

前言

电力系统中的高、中压单芯电缆在雷电冲击电压作用下或系统发生工频短路故障时，电缆的金属护套或金属屏蔽层都会产生感应过电压，此电压作用在外护（套）层绝缘上，有可能导致护（套）层绝缘击穿，形成电缆金属护套多点接地，就会在各点间因电位差而出现接地环流。由于大地电阻和护层、屏蔽的电阻都很低，环流可能达到导体输送电流的1/3，造成护层发热，从而降低电缆的载流量。这种情况如果持续时间很长，不仅大大增加电能损耗，还会加速主绝缘老化，使用寿命降低。所以一般当电缆金属护套一端接地时，另一端应加装护层保护器。

本专题主要内容有：

1、电缆外护（套）层分类、材料性能及绝缘耐压水平。

2、雷电冲击电压作用下，电缆金属护套感应过电压。

3、正常运行和工频短路时电缆金属护套感应电压。

4、电缆护层保护器技术参数及设计。

5、电缆金属护套接地装置设计及接地电阻值实测。

一、电缆外护（套）层分类、材料性能及绝缘耐压水平

1、电缆外护（套）层分类

根据国标和IEC标准中规定电缆外护（套）层主要分为：聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和热塑弹性体三类。高、中压单芯电缆采用PE作外护（套）层较多，其表示方法如表1所示。

例1：110kV YJW03-Z表示为110kV交联聚乙烯绝缘，波纹铝套或焊接皱纹铝套聚乙烯外护套纵向阻水电缆。第一个“0”表示无铠装，第二个“3”表示PE护套。

例2：10kV YJV22表示为10kV交联聚乙烯绝缘，钢带铠装聚氯乙烯护套电缆。第一个“2”表示钢带铠装，第二个“2”表示PVC护套。

2、各类护（套）层常用原材料和其性能

1）PVC护套：采用聚氯乙烯塑料制成，护套加工方便，电缆柔软，容易弯曲，阻燃性能优良，耐气候和耐化学腐蚀性好。广泛用于中、低压交联或PVC电缆中。如用于交联电缆中，因导体工作温度为90℃，要采用ST2型材料。

2）PE护套：PE护套为无卤产品，防水透潮性好，采用低PE料时，其机械性能和PVC相当，即ST3型。采用高PE料时电缆机械性能好，但电缆结构弯曲性欠佳，即ST7型。如采用价格较贵的线性低PE时，仍属ST7型，具有高PE的机械特性，且具有较好的弯曲性能，一般高压电缆上均采用线性低PE 料较好。

3）热塑弹性护套，包括氯丁橡胶和氯磺化聚乙烯等热塑弹性一体材料，护套柔软，且耐磨性也很好，产品表面也很光洁。

还有两点要说明的是：

1）高压电缆外护层要求有石墨涂层，以利于使用前进行直流竣工耐压试验和护层直流电阻测试。特别在PE 护套外的石墨涂层不易涂好，为此一些厂家都采用护套1+1装置，同时将外面的导电层挤包在外护套上，表面光滑光亮，便于竣工试验。

2）为防鼠防蚁一般均采用硬塑料制成的外护套。

3、高压电缆PE 外护（套）层绝缘耐压水平

1）参照IEC 规定，对于110kV 电缆PE 外护层冲击绝缘水平为37.5kV 220 kV 电缆PE 外护层冲击绝缘水平为47.5kV 500 kV 电缆PE 外护层冲击绝缘水平为72.5kV

2）对于110～220kV 电缆现场竣工后采用直流耐压10kV 、5分钟。（出厂直流耐压25kV 、1分钟） 3）外观检查：护套标称厚度应符合GB2952-89规定。直接挤包在单芯非铠装电缆光滑圆柱体表面，如内护套或绝缘上的护套，其平均厚度应不小于规定的标称值。任一点最小厚度应不小于标称值的85%0.1mm 。

4、无金属护套的交联电缆，绝缘屏蔽由半导电材料加金属带或金属丝组合而成，其屏蔽金属层的截面积由短路电流决定。若截面太小，当短路电流通过时将产生过热或烧断，并损坏绝缘。其截面积以短路电流通过金属屏蔽层所引起的温升不超过电缆最高允许温度来确定。

通常在绝缘屏蔽上再加装PVC/PE 外护套。

二、雷电冲击电压作用下，电缆金属护套过电压

如前所述，高、中压单芯电缆一般只允许金属护套一端接地，因为采用两端接地或由于过电压引起护层绝缘击穿，则会在金属护套上流过很大的环流，不仅增加电能损耗，而且会使电缆主绝缘会加速老化。所以正常运行时，对于单芯电缆金属护套只允许一端接地。但当电缆线路总长超过1km 时，可以采取金属护套交叉互联后两端接地方式。下面分别介绍其过电压计算方法。

1、 电缆金属护套一端接地

1） 首端不接地，末端接地如图1所示。

图1 首端不接地末端接地时等值电路

图中0U —雷电波电压幅值（kV ）；

0Z —架空线路波阻抗（Ω）；==

C

L

Z 0400～500Ω. 1Z —电缆导体对金属护套波阻抗（Ω）；可用下式计算或实测。

()Ω=

r

r n Z s

εμπ211

7701041104--?=??==ππμμμr m H /

3.21086.8120??==-r εεε m F / 3.2=r ε（交联电缆）

5.3=r ε（油纸电缆、自容式充油电缆）

s r —电缆金属护套等值半径（mm ）； r —电缆导体等值半径 （mm ）；

2Z —电缆金属护套对大地波阻抗（Ω），可用下式计算或实测；

s

r D

n Z εμπ

212=

（Ω）； f

D ρ

660= （m ）；

f —雷电流等值频率kHZ f 500=；

ρ—土壤电阻率 设m ?Ω=100ρ 则D=12m

根据等值电路，则电缆金属护套不接地端感应电压为

2

102

2Z Z Z Z U U A ++=

例如110kV 系统kV U U 700%500==，Ω=8.171Z ，Ω=152Z （直埋）

则 kV kV U A 5.373.3915

8.1750015

7002 =++?

?= 此时需加装护层保护器，流经保护器的冲击电流为

kA Z Z U i s 7.28

.17500700

22100=+?=+=

当电缆采用沟架式敷设，Ω=1002Z （实测值），此时

kV kV U A 5.37108 =，金属护套不接地端更应装保护器。

2） 首端接地末端不接地如图2所示。

图2 首端接地末端不接地等值电路

根据等值电路，则电缆金属护套不接地端感应电压为

()()2110210212

10100422Z Z Z Z Z Z U Z Z Z Z Z Z Z U U f ++=++???? ?

?+= 当0=f Z ()()

kV kV 5.3745158.178.1750015

8.177004 =++???=

当Ω=1002Z （沟架式），则kV kV U A 5.37841 =

这两种情况，电缆金属不接地端都应加装护层保护器，此时流经保护器电流为

kA Z Z U i m 4.58

.17500700

44100=+?=+=

2、 电缆金属护套交叉互联两端接地如图3所示。

图3 护套交叉互联两端接地等值电路

此时2

12

1

01

12

322Z Z Z Z Z Z U U A +?

+-= 2

12

1

01022322Z Z Z Z Z Z U U A +?++=

2

12

1

01

21212

324Z Z Z Z Z Z U U U U A A A A +?+-=-= 如武钢0七电缆线路，Ω=Ω==100,8.17,4.121Z Z km （沟架式），kV U 7000=，

kV U U A A 2021==，kV kV U A A 5.374021 =。

所以需加装0Y 接法护层保护器（如图4所示）。

又如广州黄棠220kV 电缆线路，Ω=Ω==20,25,2.321Z Z km （直埋式），kV U 14000=，

kV U U A A 1.4121==，kV kV U A A 5.422.8221 =，也需加装护层保护器。

图4 保护器采用0Y 接法示意图

三、电缆金属护套工频感应电压

1、单回路平衡负载下电缆金属护套感应电压计算（图5）

图5 电缆排列三种方式

1）三相电缆等边三角形排列

73211022-?====s

s D S

n

X X X X ω ()m /Ω， S S S S ===321， S S S S IX U U U ===321，

设()()()A I mm D mm S S 350,60,220===。

471025.11060

220

23142--?=???=n

X S ()m /Ω， 241037.41025.1350--?=??=S U ()m V /，

)(7.43,1V U km S =∑= 。 2）三相电缆水平排列

S S S S S 2,321===

7311022-?===s

s D S

n

X X X ω ()m /Ω 71022-?=n X m ω ()m /Ω

2

231m m S S S S X X X X I U U ++== ()m V /

S S IX U =2 ()m V /

41025.1-?=S X ()m /Ω 410435.0-?=m X ()m /Ω

()

8223110435.0435.025.125.1350-?+?+==S S U U

22

1028.510

015.0350--?=??= ()m V /

2421037.41025.1350--?=??=S U ()m V / 设()V U U km S S 8.52,131=∑=∑= ，()V U S 7.432=∑。

3）三相电缆呈直角三角形排列

S S S S S 2,321===，

7311022-?===s s D S

n X X X ω ()m /Ω

71022-?=n X m ω ()m /Ω

2

231221??

?

??++==m m S S

S S X X X X I U U ()m V /

S S IX U =2 ()m V /

41025.1-?=S X ()m /Ω 410435.0-?=m X ()m /Ω

8

2

231102435.0435.025.12125.1350-????

???????? ??+??+==S S U U

2

1085.4-?= ()m V /

2421037.41025.1350--?=??=S U ()m V / 设()V U U km S S 5.48,131=∑=∑= ，()V U S 7.432=∑。

从上述三种排列方式计算结果看来，水平排列时，边相电缆金属护套感应电压大些，（因为排列不对称，三相合成磁通大些）。此外当负载电流I 增大时，各相感应电压就可能大于50V ，超过安全值，所以当km 1 时，需采用电缆金属护套分段后交叉互联接法（见图3），这样可以大大降低电缆金属护套感应电压。

2、双回路同沟敷设时电缆金属护套感应电压计算

根据日本文献资料介绍，对于图6所示的双回路同沟敷设时，电缆金属护套感应电压可采用下式计算：

2

0231232??? ??

-+==b X Y I U U S S S

??? ?

?

+=202a X I U S S

式中 20b

a X Y S ++=

71022-?=n a ω ()m /Ω，

.0=a 7

1052-?=n b ω ()m /Ω， 10011.1?=b m /Ω。

40102-?=S

S r S

n X ω ()m /Ω 471025.11030220

3142--?=??=n ()m /Ω 20b

a X Y S ++=

4

4410011.110435.01025.1---?+?+?=

4

10696.2-?= ()m /Ω

()8

2

231102011.125.1696.232

350-????

???????? ??-

+==S S U U []48

1074.41751056.087.21175

--??=?+=

084.0= ()m V /

??? ???+?=--442102435.010

25.1350S U

051.01046.13504

=??=- ()m V / 设V V U U km S S 5084,131 =∑=∑=，V V U S 50512 =∑。

从上述计算结果表明双回路同沟敷设比单回路感应电压高（原因是电磁感应增大）。

3、工频短路时电缆金属护套感应电压计算 1）三相对称短路

因为三相短路电流仍是对称的，电缆金属护套感应电压计算方法与正常运行三相平衡负载时相同，只需将公式中的负荷电流换为短路电流（有效值）进行计算，或将负荷电流计算得到的感应电压进行按比例换算即可，如下式所示。

()I I U U D S SD

3?= )(V ，式中()

∑

=133X E I D 2）两相短路

因为两相短路属不对称短路，应将两相短路电流值代表公式进行计算

故障相：()I I U U D S SD 2?= )(V ，式中()

()()312122

32D D I X E X X E I ==+=∑∑∑，()∑∑=21X X

非故障相：0≈S U

3）单相短路

因为单相短路对于中性直接接地系统，其短路电流将通过大地返回，计算方法与上述情况不相同，现分别说明如下。

① 电缆金属护套一端接地（无回流线）如图7所示

图7 电缆金属护套一端接地（无回流线）

此时，电缆金属护套不接地端感应电压可用下式计算

()17102D s g SA I r D n j R R U ?????

????? ???++=- ω

()

17102D

g SB I S D n j R R U ?????

???? ???++=- ω ()

171022D

g SC I S D n j R R U ?????

???? ???++=- ω 式中R —变电站地网接地电阻()Ω g R —大地土壤电阻()Ω

'

g g R R =，7

2

'

10-?=f R g π ()m /Ω

s r —电缆金属护套等值半径 ()m D —地中电流穿透深度 ()m f

D ρ

660

= 对于工频短路电流等值频率Hz f 50=

m 510= 设m ?Ω=30ρ（水田沼泽地） S —电缆金属护套相间距离 ()m —电缆线路长度 ()m

设()

Ω====Ω===0197.0,220,1.44,15.0,400,5.7'

1 g g s D R R mm S mm r R m kA I 代入上式求得：

kV U SA 175.2=

kV U SB 937.1= kV U SC 841.1=

② 电缆金属护套一端接地（有回流线）如图8所示

图8 电缆金属护套一端接地（有回流线）

设单相接地后，全部短路电流从回流线返回，则不接地端金属护套感应电压为

()12

7

'102D S P A P SA I r r D n j R U ???? ?

??+=-ω ()17

'102D P B A P SB I S r D D n j R U ???? ?

???+=-ω ()17

'2102D P C A P SC I S r D D n j R U ???? ?

??+=-ω 式中P R —回流线电阻，如采用LGJ-150，则km R P /23.0'

Ω=，现m 400=

则Ω=?==092.04.023.0'

P P R R

A D 、

B D 、

C

D —分别为回流线至A 、B 、C 相电缆的间距 设mm D A 250=，mm D B 500=，mm D C 750=， —回流线长度，km 4.0= ，

P r —回流线等值半径 mm r P 88.72

8

.15=== s r —电缆金属护套半径 mm r s 1.44=

S —电缆相间金属护套间距 mm S 220= ()1D

I —单相短路电流 ()kA I D 5.71= 将上述数值代入上式，则 kV U SA 2093.0=

kV U SB 1414.0= kV U SC 1360.0=

③ 电缆金属护套一端接地（有回流线，且短路电流分别通过回流线和大地返回）如图9所示。

图9 电缆金属护套一端接地（有回流线）站外短路

此时电缆金属护套不接地端感应电压为

()

()PA P AA D SA Z I I Z I U +-=01 ()()PB P BA D SB Z I I Z I U +-=01 ()()PC P CA D SC Z I I Z I U +-=01

式中???

? ???+=-7102s g AA r D n j R Z ω ()Ω ???

???+=-7102S D n j R Z g BA ω ()Ω

??

?

???+=-71022S D n j R Z g CA ω ()Ω

???? ???+=-7102A g PA D D n j R Z ω ()Ω ???? ???+=-7102B g PB D D n j R Z ω ()Ω ???

? ???+=-7102C g PC D D n j R Z ω ()Ω 7102-?++=P

g P PP

r D

n j R R Z ω ()Ω

AA Z —A 相电缆金属护套和发生故障相（A ）导体之间以大地为回路的互感阻抗；

BA Z 、BC Z —B 、C 相电缆金属护套和发生故障相（A ）导体之间以大地为回路的互感阻抗； PP Z —回流线自感抗。

由图9可列出下式

()()[]()()()[]

()

01201010

1=++-++-+-PA D P D PP P P D

Z I R I I I Z I I R I I

I

()()()

()PA D PP P Z R R I Z R R I I ++=+++211210 ()()

121210D

PP

PA P I Z R R Z R R I I ++++=+ 由以上两式可知 a ）要↓)(SC

SB SA 、U U U 则要求↑)(PC

PB PA 、Z

Z Z ，也就是说要求↓)(C B A 、D D D ，回流线应尽可

能靠近电缆敷设。

b ）要↓)(SC

SB SA 、U

U U 则要求↓↓P PP R Z ，（↓P r ），即要求增大回流线半径。将LGJ-150换

成LGJ-185或LGJ-240。

现设,500,250,220,1.44,092.0,8,400mm D mm D mm S mm r R mm r m B A S P P ====Ω===

Ω=Ω=?Ω===Ω===5,15.0),30,50(510,0197.0,5.7,75021)1(R R m Hz f m D R kA I mm D g D C ρ。

代入以上公式可求出

)(2358.02348.00197.0Ω=+=j Z AA

)(1954.01946.00197.0Ω=+=j Z BA )(1783.01771.00197.0Ω=+=j Z CA )(1924.01914.00197.0Ω=+=j Z PA )(1752.01740.00197.0Ω=+=j Z PB )(1649.01638.00197.0Ω=+=j Z PC )(2992.02778.00197.0092.0Ω=++=j Z PP

kA I I P 35.75.72992

.0515.01924

.0515.0)(0=?++++=

+

kV U SA

3544.04141.17685.11924.035.72358.05.7=-=?-?=

kV U SB 1778.02877.14655.1175.035.71954.05.7=-=?-?= kV U SC 1253.02120.13373.11649.035.71783.05.7=-=?-?=

四、电缆外护层保护器参数选择及设计

1、保护器通过最大雷电冲击电流的残压乘1.4后，应小于电缆出厂护层冲击绝缘水平。

对于110kV 电缆护层冲击绝缘水平为37.5kV ； 220kV 电缆护层冲击绝缘水平为47.5kV 。

2、保护器在最大工频电压作用下能承受5秒时间而不损坏。

3、保护器在最大冲击电流作用20次而不损坏。

4、保护器阀片数'U

U m S

=

S U —工频短路时作用在护层上电压（kV ）

'U — 一片Z n O 阀片耐受工频电压（kV ）

五、关于电缆金属护套接地电阻设计及测定

1、接地电阻规定值

1R —电缆末端接地 R R =1（变电站地网接地电阻）

对于≥110kV 变电站，一般Ω≤5.0R 。

2R —电缆首端接地，如电缆线路较长，远离变电站时应另加装集中接地电阻（或与架空杆塔接

地电阻合并），要求≤2R 3～5Ω。

2、接地电阻设计 一般采用垂直接地体 单根ρ03.0=单R ，ρ—土壤电阻率

复合η

?=

∑n R R 单，n —并联根数；η—利用系数。（η=0.7～0.8）

图10 接地装置设计

3、接地电阻测定

1）一般采用ZC —8型接地摇表，用ZO —10m 法三极法测定即可。

2）土壤电阻率ρ值测定：采用ZC —8型接地摇表，用四极法测定)(2m aR ?Ω=πρ，=a 3～5m （极间距）。