CN114759535A - 一种高压单芯电缆护层保护器选用方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种高压单芯电缆护层保护器选用方法，包括如下步骤：计算短路故障时电缆护层最大工频过电压；将电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压比对并选择是否对电缆护层最大工频过电压进行限制；根据电缆外护层的雷电冲击绝缘水平和引线压降确定护层保护器的残压及额定电压的上限U_r1，根据护层保护器的工频耐受时间特性确定其额定电压的下限U_r2，若U_r1＜U_r2，则仍需对电缆护层最大工频过电压限制；否则，根据护层保护器的额定电压对护层保护器进行选用；对选用的护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收进行校核，若校核不达标，则在护层保护器的额定电压上限和下限范围内提高护层保护器的额定电压，以满足能量吸收的要求。

Description

一种高压单芯电缆护层保护器选用方法

技术领域

本公开属于输变电技术领域，主要涉及一种高压单芯电缆护层保护器选用方法。

背景技术

随着架空线对城市市容市貌的影响，架空线入地工程普遍开展，导致高压电力电缆成为城市输电系统的重要组成部分。110kV及以上高压单芯电力电缆普遍存在金属护层感应电压的问题，当电缆头或相连架空线发生短路故障，在电缆护层上会产生幅值很高的感应过电压，而外护层由于长期暴露在最外侧，且击穿电压相对主绝缘来说小得多，较高的感应电压将危害到电缆的稳定运行。

为了防止电缆本体外护层及中间接头因过高的瞬态冲击电压而击穿损坏，通常会在绝缘接头处装设用于限制冲击电压的保护器件，也就是护层保护器。但外护层及护层保护器击穿损坏的事故频繁发生，且在架空线与电缆混合线路的电缆段最为常见。这主要是由于目前的护层接地系统的设计，护层电压计算以及附件选用存在问题，首先架空线与电缆混合线路的电缆段护层工频过电压受两种线路的连接点地电位升的影响较大，数值可能远超外护层的工频耐压值，但目前手算值无法计算该地电位升，导致护层电压计算值偏低，应借助于电磁暂态仿真进行计算；另一方面，当外护层护层工频过电压超过其绝缘水平时，必须通过敷设回流线以及降低接地电阻等方法对护层电压进行限制，而不是依赖于保护器的动作，实际证明保护器正是由于两端过高的工频电压和能量吸收能力不足而击穿，且保护器作为避雷器的子类，在操作及雷电冲击时应可靠动作，而在工频过电压下保护器应当耐受而不是动作，目前在该方面护层保护器的选用存在一些错误认识。

可以看到，目前对于护层保护器的选用存在问题，导致了电缆外护层和护层保护器的频繁击穿失效，因此需要合理限制外护层的最大工频过电压，并明确护层保护器的参数选择，这对电力电缆线路的安全稳定运行具有积极影响。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种高压单芯电缆护层保护器选用方法，该方法能够有效保护高压电缆线路外护层及护层保护器的稳定运行。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种高压单芯护层保护器选用方法，包括如下步骤：

S100：计算短路故障时电缆护层最大工频过电压U_TOV；

S200：将所述电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压比对，若比对结果小于阈值，则执行步骤S300；否则，需要对所述电缆护层最大工频过电压U_TOV进行限制；

S300：根据电缆外护层的雷电冲击绝缘水平和引线压降确定护层保护器的残压U_res及额定电压的上限U_r1，并根据护层保护器的工频耐受时间特性确定其额定电压的下限U_r2，若U_r1＜U_r2，则仍需对所述电缆护层最大工频过电压进行限制；否则，根据护层保护器的额定电压对护层保护器进行选用；

S400：对选用的护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收进行校核，若校核不达标，则在护层保护器的额定电压上限和下限所限定的区间内提高护层保护器的额定电压，以满足能量吸收的要求。

优选的，步骤S100中，采用包括ATP-EMTP和PSCAD-EMTDC在内的任一电磁暂态仿真软件计算短路故障时电缆护层最大工频过电压。

优选的，步骤S200中，通过下式对所述电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压进行比对：

其中，U_TOV表示电缆护层最大工频过电压，U_{dc withstand}表示电缆外护层直流耐受电压，

表示电缆外护层工频耐受电压，1.15表示裕度系数。

优选的，步骤S200中，对电缆护层最大工频过电压进行限制包括以下任一方式：敷设回流线；降低电缆沿线接地电阻；将护层保护器的接线形式由星形接线改为三角形接线。

优选的，步骤S300中，所述电缆护层保护器的额定电压的下限值U_r2应满足：

其中，T_r2s为护层保护器的工频耐受时间特性曲线2s对应的额定电压倍数。

优选的，步骤S300中，所述护层保护器的残压U_res与引线压降的叠加值E_b不大于电缆外护层的雷电冲击耐受电压值被1.4所除值，通过下式确认护层保护器的残压U_res的上限及与其成正比的额定电压的上限U_r1，即：

U_r1∝U_res

其中，L_b为引线电感，单位为μH/m；L为引线长度，单位为m；I和τ为分别为冲击电流幅值(取

)和波头时间，单位分别为kA和μs；BIL为电缆主绝缘的雷电冲击耐受水平，单位为kV；Z₁为电缆波阻抗，单位为Ω。

优选的，步骤S400中，通过下式校核护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收：

其中，U_s为预期护层过电压，单位为kV；T为冲击电流持续时间，取T＝2l/v，单位为ms；l为线路长度，单位为km；v为电缆内波速，单位为km/ms；Z为电缆的波阻抗，单位为Ω。

本公开还提供一种计算机设备，包括：

存储器和处理器，其中，

所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的可执行程序；

所述处理器执行所述可执行程序以实现前述任一所述方法。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开在进行护层保护器选用时需要计算护层工频过电压，同时校核是否超过电缆外护层的工频耐压值，从而防止外护层的击穿；

2、护层保护器本身是电缆外护层的保护器件，选用正确可以保证其在冲击时可靠动作，将护层冲击电压限制在冲击耐压值内。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种高压单芯电缆护层保护器选用方法的流程图；

图2是本公开另一个实施例提供的护层保护器的工频耐受时间特性示意图。

具体实施方式

下面将参照附图1至图2详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种高压单芯电缆护层保护器选用方法，包括如下步骤：

S100：计算短路故障时电缆护层最大工频过电压U_TOV；

该步骤中，采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP或PSCAD-EMTDC计算短路故障时电缆护层最大工频过电压。

本实施例中，对于纯电缆线路，需计算电缆末端发生短路故障产生的电缆护层最大工频过电压U_TOV；对于架空线与电缆混合线路，需计算架空线侧短路与电缆末端短路两种情况下的护层过电压，并取较大值作为U_TOV。

需要说明的是，该实施例所述的短路故障为电缆终端及外部发生的故障，不包括电缆系统内部故障，例如电缆主绝缘击穿造成的线芯与护层间的内部短路，这种情况下会产生幅值极高的工频过电压，护层保护器有很大可能性会被击穿甚至热崩溃。

S200：将所述电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压比对，若比对结果小于阈值，则执行步骤S300；否则需要对所述电缆护层最大工频过电压U_TOV进行限制；

该步骤中，通过下式对所述电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压进行比对：

其中，U_TOV表示电缆护层最大工频过电压，U_{dc withstand}表示电缆外护层直流耐受电压，

表示电缆外护层工频耐受电压，1.15表示裕度系数。

本实施例中，若电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压之间不满足以上关系式，则一方面电缆外护层有短路时击穿的风险，另一方面护层保护器满足冲击下绝缘配合条件时，无法做到短路情况下的工频耐受，必须通过敷设回流线，降低电缆沿线接地电阻，以及将护层保护器的接线形式由星形接线(即Y₀接线)改为三角形接线(即Δ接线)。

S300：根据电缆外护层的雷电冲击绝缘水平和引线压降确定护层保护器的残压U_res及额定电压的上限U_r1，并根据护层保护器的工频耐受时间特性确定其额定电压的下限U_r2，若U_r1＜U_r2，则仍需对所述电缆护层最大工频过电压进行限制；否则，根据护层保护器的额定电压对护层保护器进行选用；

该步骤中，电缆外护层的雷电冲击耐受电压U_LW值如表1所示。护层保护器在标准放电电流(一般为8/20μs，10kA)下的残压U_res与引线压降的叠加值E_b不大于电缆外护层的雷电冲击耐受电压值被1.4所除值，通过下式确认护层保护器残压U_res的上限及与其成正比的额定电压的上限U_r1，即：

U_r1∞U_res

其中，L_b为引线电感，单位为μH/m；L为引线长度，单位为m；I和τ为分别为冲击电流幅值(取

)和波头时间，单位分别为kA和μs；BIL为电缆主绝缘的雷电冲击耐受水平，单位为kV；Z₁为电缆波阻抗，单位为Ω。

表1电缆外护层雷电冲击耐受电压值

通过上式可以确定所选护层保护器残压的上限，由于ZnO阀片的残压与2s工频耐受电压成正比变化，从而可以确定额定电压的上限U_r1。

电缆护层保护器在短路故障下的工频耐受是选用的最基本要求。厂家需给出护层保护器在预热到60℃±3℃并经大电流能量负载后不发生损坏或热崩溃的的工频耐受时间特性(TOV特性)，如图2所示，并读取出2s对应的数值T_r2s，裕度取5％-25％，则护层保护器的额定电压应满足下式，从而确定额定电压的下限U_r2：

进一步的，若U_r1＜U_r2，则仍需采取前述降低电缆护层最大工频过电压的措施，以满足护层保护器选用的工频耐受和绝缘配合的基本要求。若U_r1≥U_r2，则以额定电压为参数选出最终的护层保护器。

S400：对选用的护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收进行校核，若校核不达标，则在护层保护器的额定电压上限和下限所限定的区间内提高护层保护器的额定电压，以满足能量吸收的要求。

该步骤中，校验护层保护器在雷电及操作等瞬态冲击下吸收的能量是否超出其能量吸收能力，在大部分情况下能量吸收能力不是护层保护器选用的决定因素，因为通常瞬态冲击过程中(持续时长为微秒级)吸收的能量远低于其能量吸收能力。但是对于带残余电荷合闸的情况，建议采用电磁暂态仿真或按照下式对护层保护器的能量吸收进行校验。

护层保护器吸收操作或雷电过电压的能量W可按照下式进行估算：

其中，U_s为预期护层过电压，单位为kV；T为冲击电流持续时间，取T＝2l/v，单位为ms；l为线路长度，单位为km；v为电缆内波速，单位为km/ms。

下面，以某架空线与电缆混合线路(架空线-电缆-架空线)为例，电缆段采用护层交叉互联与单端接地混合。

(1)计算短路故障时电缆护层工频过电压

采用ATP-EMTP或PSCAD-EMTDC仿真电缆两侧(相连两侧架空线)终端发生单相接地短路故障，获得电缆护层最大工频过电压(有效值)：单相接地段7.571kV；交叉互联段11.433kV。

(2)判断外护层是否满足工频耐受

满足要求

(3)保证保护器短路期间的工频耐受

取T_r2s＝1.2，则单端接地段：

交叉互联段：

(4)满足护层保护器与电缆外护层的绝缘配合

对于额定电压为10kV的保护器，取波前时间为1.2μs，电缆外护层的雷电冲击耐受电压U_LW为62.5kV，则

(5)估算护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收

绝大多数情况下瞬态冲击过程中吸收的能量远低于其能量吸收能力，且超高压线路采用单相重合闸，不存在带残余电荷合闸的情况，可不校验。

通过以上实施例，可得以下结论：

护层单端接地段可以选用额定电压U_r＝8kV的护层保护器；

护层交叉互联段可以选用额定电压U_r＝10kV的护层保护器。

另一个实施例中，本公开还提供了一种计算机设备，包括：

存储器和处理器，其中，

所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的可执行程序；

所述处理器执行所述可执行程序以实现前述任一所述方法。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (8)

1.一种高压单芯电缆护层保护器选用方法，包括如下步骤：

S100：计算短路故障时电缆护层最大工频过电压U_TOV；

S200：将所述电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压比对，若比对结果小于阈值，则执行步骤S300；否则，需要对所述电缆护层最大工频过电压U_TOV进行限制；

S300：根据电缆外护层的雷电冲击绝缘水平和引线压降确定护层保护器的残压U_res及额定电压的上限U_r1，并根据护层保护器的工频耐受时间特性确定其额定电压的下限U_r2，若U_r1＜U_r2，则仍需对所述电缆护层最大工频过电压进行限制；否则，根据护层保护器的额定电压对护层保护器进行选用；

S400：对选用的护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收进行校核，若校核不达标，则在护层保护器的额定电压上限和下限所限定的区间内提高护层保护器的额定电压，以满足能量吸收的要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，采用包括ATP-EMTP和PSCAD-EMTDC在内的任一电磁暂态仿真软件计算短路故障时电缆护层最大工频过电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S200中，通过下式对所述电缆护层最大工频过电压与电缆外护层工频耐受电压进行比对：

其中，U_TOV表示电缆护层最大工频过电压，U_dcwithstand表示电缆外护层直流耐受电压，

表示电缆外护层工频耐受电压，1.15表示裕度系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S200中，对电缆护层最大工频过电压进行限制包括以下任一方式：敷设回流线；降低电缆沿线接地电阻；将护层保护器的接线形式由星形接线改为三角形接线。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S300中，所述电缆护层保护器的额定电压的下限值U_r2应满足：

其中，T_r2s为护层保护器的工频耐受时间特性曲线2s对应的额定电压倍数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S300中，所述护层保护器的残压U_res与引线压降的叠加值E_b不大于电缆外护层的雷电冲击耐受电压值U_LW被1.4所除值，通过下式确认护层保护器的残压U_res的上限及与其成正比的额定电压的上限U_r1，即：

U_r1∝U_res

其中，L_b为引线电感，单位为μH/m；L为引线长度，单位为m；I和τ为分别为冲击电流幅值(取

和波头时间，单位分别为kA和μs；BIL为电缆主绝缘的雷电冲击耐受水平，单位为kV；Z₁为电缆波阻抗，单位为Ω。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S400中，通过下式校核护层保护器在瞬态冲击时的能量吸收：

其中，U_s为预期护层过电压，单位为kV；T为冲击电流持续时间，取T＝21/v，单位为ms；1为线路长度，单位为km；v为电缆内波速，单位为km/ms；Z为电缆的波阻抗，单位为Ω。

8.一种计算机设备，包括：

存储器和处理器，其中，

所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的可执行程序；

所述处理器执行所述可执行程序以实现如权利要求1-6任一所述方法。

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