基于EMTP的交叉互聯(lián)型電纜雷電過電壓影響因素分析

汪旭旭，鄭賢龍，郭靖

(1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京 100032； 2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074； 3.寧夏送變電工程公司，銀川 750000)

基于EMTP的交叉互聯(lián)型電纜雷電過電壓影響因素分析

汪旭旭1，鄭賢龍2，郭靖3

(1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京 100032； 2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074； 3.寧夏送變電工程公司，銀川 750000)

通過建立交叉互聯(lián)型電纜電磁暫態(tài)程序(EMTP)仿真模型，研究雷電流波形、電纜布置方式、電纜長度、沖擊接地電阻的大小、土壤電阻率以及電纜末端負(fù)荷的性質(zhì)與電纜雷電過電壓的關(guān)系。結(jié)果表明：波頭越陡，導(dǎo)體上產(chǎn)生的過電壓越大；電纜水平布置時(shí)產(chǎn)生的雷電過電壓較小；電纜長度在3 000 m時(shí)雷電過電壓達(dá)最大值，均等長度設(shè)置有利于降低雷電過電壓；沖擊接地電阻及土壤電阻率對雷電過電壓影響較?。回?fù)荷數(shù)值越大電纜雷電過電壓越大，負(fù)荷為容性或是感性時(shí)，電纜雷電過電壓較電阻性負(fù)荷有所增大。

交叉互聯(lián)型電纜；雷電過電壓；EMTP；影響因素；仿真模型

0 引言

交叉連接的電纜系統(tǒng)[1-4]由若干個(gè)主段組成，各主段包括3個(gè)小段。如電纜對稱敷設(shè)，而且它們的長度、負(fù)載等均相同，這時(shí)電纜護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢就為零。在這種電纜系統(tǒng)的每一個(gè)交叉連接點(diǎn)上，交叉連接使阻抗不連續(xù)。這些阻抗的不連續(xù)對于由操作或其他系統(tǒng)擾動(dòng)所產(chǎn)生的波起著反射點(diǎn)的作用，對這種系統(tǒng)過電壓的計(jì)算是特別要關(guān)注的。當(dāng)有雷電或操作沖擊波在電纜中傳播時(shí)，導(dǎo)芯和屏蔽層上都會出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，可能損害絕緣，乃至發(fā)生故障。因此，對電纜交叉互聯(lián)時(shí)的雷電暫態(tài)過電壓進(jìn)行分析、研究也就顯得十分必要。

1 模型建立

計(jì)算中，電纜采用截面積為1 000 mm2的110 kV高壓電纜，雷電流沿架空線路侵入電纜，交叉互聯(lián)電纜處的電纜各小段都取500 m，雷電流選取1.2/50 μs和2.6/50 μs 2種波形、桿塔模型采用四段模型(四分段多波阻抗模型)[5]。圖1a為交叉互聯(lián)電纜示意圖，圖1b為交叉互聯(lián)電纜過電壓的電磁暫態(tài)程序(EMTP)仿真模型，其中J1，J2分別為交叉互聯(lián)電纜第1個(gè)接頭和第2個(gè)接頭，Y1，Y2分別為電纜交第1個(gè)和第2個(gè)絕緣接頭，D1，D2分別為交叉互聯(lián)電纜導(dǎo)體第1個(gè)點(diǎn)和第2個(gè)點(diǎn)。

圖1 交叉互聯(lián)電纜示意圖與仿真模型

2 電纜雷電過電壓的影響因素

2.1 雷電流波形與幅值對雷電過電壓的影響

雷擊地線桿塔上的地線時(shí)，采用1.2/50 μs和2.6/50 μs 2種波形對110 kV電纜上產(chǎn)生的雷電過電壓進(jìn)行對比分析。按照表1中給出的雷電流數(shù)據(jù)，改變仿真模型中的雷電流波形和幅值，其電纜J1，J2處的雷電過電壓仿真結(jié)果見表1。

以1.2/50 μs波形為例，由表1可以看出：當(dāng)初始電流為25 kA時(shí)，電纜交叉互聯(lián)的J1，J2的初始雷電壓約為1.1 kV；當(dāng)雷電流幅值達(dá)到125 kA時(shí)，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，電纜J1，J2處的雷電過電壓分別增大到10.9，11.5 kV，雷電過電壓的增幅均達(dá)到10倍；雷電流從125 kA上升到300 kA后，電纜雷電過電壓大約升高了20%。

表3 電纜D2處雷電過電壓

表1 電纜J1，J2處雷電過電壓

同樣可以看出，1.2/50 μs和2.6/50 μs 2種雷電流波形下，1.2/50 μs雷電流波形在電纜上產(chǎn)生的雷電過電壓高于2.6/50 μs雷電流波形在電纜上產(chǎn)生的過電壓，這是因?yàn)?.2/50 μs雷電流波形的波頭明顯陡于2.6/50 μs雷電流波形的波頭。

其他條件不變，按照表1給出的雷電流數(shù)據(jù)，得出電纜D1和D2處的雷電過電壓仿真結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，隨著雷電流不斷增大，電纜導(dǎo)體D1和D2處的過電壓也不斷增大，1.2/50 μs雷電流波形在電纜導(dǎo)體上產(chǎn)生的雷電過電壓高于2.6/50 μs雷電流波形在電纜導(dǎo)體上產(chǎn)生的過電壓。

2.2 電纜布置方式對雷電過電壓的影響

以長1 500 m的電纜為例，通過改變直埋電纜的排列方式來研究雷電流沿著架空線路侵入電纜后雷電過電壓的變化特性。電纜[6-8]采用三角形排列和水平排列分別如圖2a和圖2b所示。仿真計(jì)算2種排列方式電纜各點(diǎn)雷電過電壓的最大值，見表3。

圖2 電纜2種排列方式

從表3中可以看出，電纜采用三角形排列時(shí)電纜的雷電過電壓明顯大于采用水平排列方式時(shí)的相應(yīng)值，這是因?yàn)槿切闻帕械碾娎|零序和正序阻抗大于電纜采用水平的相應(yīng)阻抗[9-10]，較大的阻抗增加了電能的損耗。分析表明，電纜采用水平排列方式優(yōu)于三角形排列方式。

2.3 電纜長度對雷電過電壓的影響

電纜長度對電纜雷電過電壓的影響較大，其他條件不變，僅改變電纜的長度，對首段和末段同時(shí)接地的交叉互聯(lián)電纜進(jìn)行仿真計(jì)算，得到護(hù)套上的絕緣接頭Y1點(diǎn)和Y2點(diǎn)過電壓的最大值，見表4。由于EMTP中電纜的頻率相關(guān)線路模型(Jmarti)在計(jì)算中具有發(fā)散性，當(dāng)電纜每小段的長度較長時(shí)，就改用LCC模塊中的Begeron模型。

從表4中可以看出：當(dāng)電纜長度不超過1 500 m時(shí)，電纜金屬護(hù)套的雷電過電壓值變化較??；當(dāng)電纜長度為3 000 m時(shí)，電纜金屬護(hù)套過電壓的值最大；當(dāng)電纜長度超過3 000 m時(shí)，電纜金屬護(hù)套的雷電過電壓呈下降趨勢。電纜的實(shí)際長度一般不會超過1 500 m，所以在電纜防雷設(shè)計(jì)中可以不考慮電纜長度對雷電過電壓的影響。

表4 電纜長度不同時(shí)電纜的雷電過電壓

為了探討電纜長度的不均勻性對電纜金屬護(hù)套雷電過電壓的影響，通過改變3小段電纜的長度，在交叉互聯(lián)的方式下得到金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接頭雷電過電壓的最大值，見表5。

表5 電纜每段長度不同時(shí)電纜的雷電過電壓

從表5中可以看出，電纜長度越不均勻，電纜護(hù)套過電壓值越大，可以得出分段均勻的電纜防雷效果優(yōu)于分段不均的電纜。

2.4 沖擊接地電阻大小對雷電過電壓的影響

當(dāng)雷電流流入大地時(shí)，大地表現(xiàn)出的電阻值就是沖擊接地電阻，沖擊接地電阻很難測量出來，它跟土壤的電阻率有關(guān)。改變沖擊接地電阻的大小，其他值不變，得到交叉互聯(lián)電纜金屬護(hù)套過電壓的最大值，見表6。

在一般電阻率的地區(qū)，沖擊接地電阻不會超過10.0 Ω。從表6中可以看出，沖擊接地電阻從0.2 Ω變化到10.0 Ω的過程中，電纜護(hù)套過電壓的最大值波動(dòng)較小，從中可以得出結(jié)論，沖擊接地電阻對電纜雷電過電壓的影響不大。

2.5 土壤電阻率對電纜的影響

高壓電纜埋于地下時(shí)，電纜的等效大地回路的深度是計(jì)算電纜雷電過電壓大小的一個(gè)關(guān)鍵因素，等效大地回路深度不但與頻率有關(guān)，而且與土壤的電阻率有關(guān)。通過改變土壤電阻率的大小來計(jì)算出電纜護(hù)套雷電過電壓的最大值，它們的關(guān)系見表7。

表6 沖擊接地電阻值不同時(shí)電纜的雷電過電壓

表7 土壤電阻率不同時(shí)電纜的雷電過電壓

從表7中可以看出，土壤電阻率從5 Ω·m變化到1 000 Ω·m的過程中，電纜護(hù)套雷電過電壓的值變化不大，因此，可以得出土壤電阻率的大小對電纜雷電過電壓的影響較小。

2.6 負(fù)荷對電纜的影響

電纜末端負(fù)荷設(shè)為316 Ω。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)的負(fù)荷是各式各樣的，系統(tǒng)負(fù)荷的大小和性質(zhì)在不同的電纜中也是不同的，因此，有必要對電纜末端不同負(fù)荷下電纜雷電的過電壓進(jìn)行討論。通過改變阻性負(fù)荷的大小，得到負(fù)荷大小與電纜雷電過電壓的關(guān)系見表8。

保持負(fù)荷的大小在工頻下為400 Ω不變，改變電纜末端負(fù)荷的性質(zhì)，得到電纜的雷電過電壓與負(fù)荷性質(zhì)的關(guān)系，見表9。

表8 電纜末端負(fù)荷大小(阻性)不同時(shí)電纜的雷電過電壓

表9 電纜末端負(fù)荷性質(zhì)不同時(shí)電纜的雷電過電壓

從表8中可以看出：當(dāng)電纜末端的負(fù)荷逐漸增大時(shí)，交叉互聯(lián)的電纜末端的絕緣接頭電壓呈上升趨勢；當(dāng)電纜末端短路或斷路時(shí)，電纜首端絕緣接頭和末端絕緣接頭的電壓都有所增大。

從表9中可以看出：當(dāng)電纜末端的負(fù)荷從容性逐漸變到感性的過程中，負(fù)荷為純阻性時(shí)，電纜絕緣接頭處的雷電過電壓相對較??；負(fù)荷為純?nèi)菪载?fù)荷和純感性負(fù)荷時(shí)，電纜絕緣接頭的過電壓都有所增大，這是因?yàn)榧內(nèi)菪载?fù)荷相當(dāng)于電纜斷路，純感性負(fù)荷相當(dāng)于電纜開路。

3 結(jié)論

(1)對于1.2/50 μs和2.6/50 μs 2種類型的雷電波擊中桿塔，雷電流沿著架空線路侵入電纜時(shí)，通過改變雷電流幅值大小來研究雷電流與電纜雷電過電壓的關(guān)系，結(jié)果表明，在其他條件相同時(shí)，1.2/50 μs雷電波在電纜上產(chǎn)生的雷電過電壓大于2.6/50 μs雷電波在電纜上產(chǎn)生的雷電過電壓。

(2)改變電纜排列方式，仿真表明，水平排列電纜上的雷電過電壓小于三角形排列電纜上的雷電過電壓；改變電纜長度，結(jié)果表明，電纜長度對電纜雷電過電壓影響較??；改變電纜分段的長度，結(jié)果表明，電纜分段越均勻，電纜上的雷電過電壓越小。

(3)改變沖擊接地電阻的大小和土壤的電阻率，仿真分析表明，接地電阻大小和土壤電阻率大小對電纜雷電過電壓的影響較小。

(4)改變電纜末端負(fù)荷大小和性質(zhì)，結(jié)果表明，電纜末端雷電過電壓隨阻性負(fù)荷的增大而變大，純?nèi)菪载?fù)荷相當(dāng)于電纜斷路，純感性負(fù)荷相當(dāng)于電纜開路，2種狀況下電纜上的雷電過電壓都會增大。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-05-08；

2017-06-09

TM 8

A

1674-1951(2017)07-0020-04

汪旭旭(1988—)，男，湖北遠(yuǎn)安人，助理工程師，工學(xué)碩士，從事特高壓直流輸電工程技術(shù)研究方面的工作(E-mail:wxx1481@163.com)。

鄭賢龍(1988—)，男，湖北荊門人，助理工程師，從事超高壓輸電線路運(yùn)行檢修與維護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用方面的工作(E-mail:13971455361@163.com)。

郭靖(1985—)，男，寧夏銀川人，工程師，從事變電站建設(shè)施工技術(shù)研究方面的工作(E-mail:guojing_0802@163.com)。