雷擊高壓電纜過(guò)電壓分析研究

吳恒

摘 要：隨著城市電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市中高壓電纜的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，電纜一端常與架空線路的一端相連。架空線路和電纜的接頭處是線路遭受雷電破壞的薄弱處，因此，架空線和電纜接頭處必須要安裝一定數(shù)量的避雷器來(lái)限制雷電過(guò)電壓入侵電纜。但是在實(shí)踐工程中，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)雷電擊中高壓電纜的情況。因此，對(duì)此進(jìn)行分析則有顯著性意義。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；雷擊；過(guò)電壓

引言

電力電纜（下文簡(jiǎn)稱電纜）一般埋在地面下，具有不占用地面空間、安全性高等特點(diǎn)，城市電網(wǎng)中越來(lái)越多地采用電纜來(lái)輸送電能。統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)達(dá)國(guó)家的城市地下電纜化率已經(jīng)達(dá)到80%-90%，有的甚至達(dá)到100%。目前，我國(guó)城市平均電纜入地率僅為10%。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，除了大型發(fā)電項(xiàng)目需要高壓電纜以外，大規(guī)模的城市電網(wǎng)改造對(duì)高壓電纜的需求也非常迫切。現(xiàn)在，全國(guó)許多城市相繼出臺(tái)了架空線改走地下電纜的措施，城市街道高壓線入地已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，電纜線路將會(huì)最終取代架空線路。

1 電纜雷電過(guò)電壓的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)過(guò)電壓對(duì)電力系統(tǒng)的絕緣配合有很大的影響。電力系統(tǒng)由于內(nèi)部操作而引起的電壓叫做內(nèi)部過(guò)電壓。雷電過(guò)電壓不同于內(nèi)部過(guò)電壓，它是由于雷云放電而引起的電力系統(tǒng)過(guò)電壓，雷電過(guò)電壓屬于外部過(guò)電壓。直擊雷電過(guò)電壓和感應(yīng)雷擊過(guò)電壓是雷電過(guò)電壓的兩種形式。直接雷擊過(guò)電壓是雷電直接擊中架空線或桿塔等物體而造成的過(guò)電壓，感應(yīng)雷擊過(guò)電壓是雷電未擊中物體，而是在物體上感應(yīng)出過(guò)電壓。對(duì)電力系統(tǒng)而言，直擊雷擊過(guò)電壓和感應(yīng)雷擊過(guò)電壓對(duì)電力系統(tǒng)都會(huì)造成一定的損害。雷電過(guò)電壓是一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，研究雷電過(guò)電壓對(duì)電纜系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

2 電力電纜結(jié)構(gòu)組成

電力電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它與架空線路相比有很大的區(qū)別。第一，電纜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，現(xiàn)在普遍應(yīng)用的交聯(lián)聚乙烯電纜有導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層等多層結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了電纜復(fù)雜的物理特性。第二，電纜的敷設(shè)方式與架空線路相比有很大的不同。電纜往往埋在地下，埋在地下的排列種類又有電纜溝、電纜槽、電纜隧道等方式，這樣電纜的電磁暫態(tài)特性與架空線路相比更復(fù)雜。110kV交聯(lián)聚乙烯單芯電纜主要由導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、銅帶屏蔽、無(wú)紡布、外護(hù)層組成。電纜的金屬鎧裝護(hù)套可以被看作是一個(gè)薄壁的圓筒，同心地圍繞著電纜的導(dǎo)芯，磁通就會(huì)在導(dǎo)芯上產(chǎn)生。這部分磁通不僅與導(dǎo)芯相鏈，同時(shí)也與金屬護(hù)套相鏈，從而使金屬護(hù)套中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

3 電纜遭受雷電損害的形式

當(dāng)雷擊地下電纜或雷擊電纜附近大地時(shí)，一部分雷電流便會(huì)流過(guò)電纜的金屬護(hù)套，電纜導(dǎo)芯與金屬護(hù)套在耦合作用下便會(huì)產(chǎn)生電壓。當(dāng)這一電壓達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)擊穿芯線與護(hù)套之間的絕緣而形成故障。電纜遭受雷電過(guò)電壓分為三種狀況，雷電波沿架空線路侵入電纜，雷電直接擊中電纜，雷電間接擊中電纜。實(shí)踐表明，雷電波沿架空線路侵入電纜是電纜遭受雷害的最主要原因。本文就研究雷電波沿架空線路侵入電纜雷電過(guò)電壓的特性。

雷電直接擊中電纜。實(shí)際觀測(cè)表明，雷電的落雷率沿著電纜線路的地方比較大。直接雷的危害較大，在特殊狀況下，較強(qiáng)的雷電流甚至?xí)苯訐舸┐蟮?，在大地上形成洞深——從地面至電纜的空洞。

雷電未擊中電纜而是擊中電纜附近的大地時(shí)，也可能使電纜遭受嚴(yán)重的破壞，這是由于落雷點(diǎn)的電位很高。電纜作為一個(gè)延伸很長(zhǎng)的導(dǎo)體，電纜導(dǎo)體遠(yuǎn)端的電位可以看成零電位，這樣較大的電位差就會(huì)在電纜和大地之間產(chǎn)生。這種電位差達(dá)到一定值而且超過(guò)土壤的耐壓程度后，土壤就會(huì)被雷電擊穿，放電通道就會(huì)在大地間和雷電擊點(diǎn)間形成，電流就會(huì)通過(guò)放電通道流向電纜，這種雷擊對(duì)電纜的損壞程度與直擊雷相當(dāng)。

4 高壓XLPE電纜雷擊仿真模型的建立

電磁暫態(tài)過(guò)程分析的主要目的在于分析和計(jì)算故障或操作后可能出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓和電流。以便對(duì)電力系統(tǒng)的絕緣保護(hù)等提供參考和依據(jù)。

雷電過(guò)電壓作為一種典型的電磁暫態(tài)過(guò)程。電磁暫態(tài)作用的時(shí)間極短，作用的電壓和電流一般都在ms級(jí)甚至？滋s的時(shí)間內(nèi)。因此，在計(jì)算中要考慮多種影響因素，考慮線路計(jì)算電路中的電磁耦合元件，電壓和電流在輸電線路和電纜線路傳輸?shù)牟ㄟ^(guò)程需要把元件作為分布參數(shù)的來(lái)計(jì)算。有時(shí)，還要考慮非對(duì)稱的三相結(jié)構(gòu)、線路頻率特性參數(shù)和電暈及其他因素。研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程的手段有系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法、應(yīng)用暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀的物理模擬方法和計(jì)算機(jī)的數(shù)值仿真方法。

電磁暫態(tài)分析程序EMTP是國(guó)際公認(rèn)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的標(biāo)準(zhǔn)程序。ATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的業(yè)余時(shí)間和資金開發(fā)的BPA-EMTP的替代程序。ATP-EMTP堅(jiān)持無(wú)償提供的原則，在全世界擁有最多的用戶，是目前國(guó)際上主流版本的EMTP的替代程序。DCG-EMTP是1981年成立的DCG（EMTP合作開發(fā)組織）開發(fā)的EMTP版本，需有償使用。EMTP擁有豐富的電路原件和強(qiáng)大的分析功能，可以用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析，以下算例是通過(guò)軟件雷擊點(diǎn)和遭受雷電的桿塔時(shí)的過(guò)電壓。

圖1為雷電擊中桿塔地線時(shí)，雷擊點(diǎn)的過(guò)電壓波形，從圖中可以看出過(guò)電壓的峰值（即7.1MV）出現(xiàn)在A相。這是因?yàn)榻^緣子串發(fā)生閃絡(luò)而導(dǎo)則A相電壓過(guò)高，而B相和C相的過(guò)電壓波形幾乎相同（峰值為2.9MV）。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)雷電危害逐漸重視。世界各國(guó)對(duì)雷電的成因和危害做了大量的研究，取得了豐碩的結(jié)果。隨著電纜線路在城市電網(wǎng)中的大量使用，雷電對(duì)電纜線路的損壞也越來(lái)越頻繁。實(shí)際上，雷電過(guò)電壓是一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象。為了合理解決電纜系統(tǒng)的過(guò)電壓防護(hù)、絕緣配合、電磁干擾等工程課題，需要深入研究電纜系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過(guò)程。

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