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