OF電纜與XLPE電纜混合線路雷電侵入波暫態(tài)特性分析

孫逸潔，馮湘，梁明亮

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，鄭州 451460）

0 引言

電纜作為電網(wǎng)傳輸中的重要組成部分，相較于架空輸電線路具有電磁輻射少、受惡劣天氣影響小等優(yōu)點[1]，其安全運行對于保障電力能源的運輸至關(guān)重要。早期電力部門主要電纜選型主要采用充油（OF）電纜，后來高壓、超高壓領域交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜逐漸占據(jù)了主導地位[2]。

XLPE電纜運行溫度高于OF電纜，同等條件下，其輸送容量比OF電纜大，XLPE電纜還具有施工工期短、適應場合多、運行維護簡單等優(yōu)點，但目前缺乏必要的線路監(jiān)測系統(tǒng)[2]；OF電纜施工工期較長、適用場合限制較多，但其使用較為成熟，可靠性較高。目前，110 kV線路電纜選用XLPE電纜較為合適，500 kV線路電纜選用OF電纜較多，而220 kV線路電纜選取應根據(jù)安裝及運行經(jīng)驗選取[2]，會存在OF電纜與XLPE電纜并存的現(xiàn)象。

國外對于OF電纜和XLPE電纜研究起步較早，運行經(jīng)驗較為成熟[3-4]。我國對于XLPE電纜的使用相對較晚，但對于采用XLPE電纜線路的雷擊暫態(tài)特性研究也很多[5-6]。對于OF電纜與XLPE電纜混合傳輸系統(tǒng)的雷電侵入波暫態(tài)特性研究很少。

筆者利用ATP-EMTP[7]搭建220 kV線路和桿塔模型，分析采用OF電纜與XLPE電纜混合傳輸系統(tǒng)繞擊和反擊情況下的暫態(tài)特性，比較3種不同安裝方式下電纜線芯暫態(tài)過電壓，討論電纜長度對暫態(tài)過電壓的影響，分析安裝護套層過電壓保護器對護套絕緣的防護效果。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)[8]表示，表達式如下：

式中：I0為峰值電流；τ1和τ2分別為波頭和波尾時間常數(shù)；n為電流陡度因子，取10。雷電流波形[9]取2.6/50 μs，幅值為50 kA，對應的雷電流通道波阻抗為700 Ω[9]。

1.2 線路及桿塔模型

在EMTP中建立220 kV線路模型，為減小雷電流高頻成分對輸電線路參數(shù)的影響，選用Jmarti線路模型[7]來反映頻率與線路參數(shù)的關(guān)系以及分布的損耗特性。線路全線架設雙回避雷線，線路檔距為500 m。導線型號為LGJ-400/35，避雷線型號為JLB4-150[10]。

雷電流在沿桿塔傳播過程中會產(chǎn)生衰減與畸變，因此選用有損多波阻抗桿塔模型，并在EMTP中建立多層桿塔模型。圖1給出了220 kV桿塔有損多波阻抗模型[11-12]。

圖1 桿塔有損多波阻抗模型Fig.1 Multi wave impedance model of tower loss

圖1中，Zt1、Zt2、Zt3、Zt4為桿塔從上至下各段波阻抗，數(shù)據(jù)根據(jù)試驗直接測量獲?。篫t1=Zt2=Zt3=ZT1=220 Ω，Zt4=ZT2=150 Ω；h1、h2、h3和h4為桿塔從上至下各段的長度；R-L并聯(lián)電路用來模擬雷電波在傳播過程中的衰減和畸變，各段電阻Ri和電感Li的值可由下式求出：

式中：vt為雷電波在桿塔中的傳播速度，仿真取光速；上下部衰減系數(shù)γ1=γ2=0.8。仿真中桿塔參數(shù)如下：h1=5 m、h2=6.4 m、h3=6.1 m、h4=30 m，桿塔接地電阻取10 Ω。

線路絕緣閃絡判斷采用相交法[13]，過電壓與絕緣子串伏秒特性曲線相交即發(fā)生閃絡，絕緣子串的伏秒特性曲線由下式給出：

式中：U0取1 550 kV[14]；U∞取1 050 kV；時間常數(shù)τ取0.8 μs。

1.3 OF和XLPE電纜模型

OF電纜和XLPE電纜均采用埋地敷設方式，結(jié)構(gòu)為單芯結(jié)構(gòu)，三相分開排列。在EMTP中對線路進行分段，利用其自帶的cable模型表示，每段長度500 m，每段兩端接地。圖2給出了架空線路與OF/XLPE混合傳輸系統(tǒng)布置示意。OF與XLPE電纜布置方式有3種：方式一為3段均采用OF電纜；方式二為OF+XLPE+OF；方式三為OF+OF+XLPE。

表1給出了OF電纜和XLPE電纜相關(guān)參數(shù)選取[15]。

1.4 護層過電壓保護器模型

OF或XLPE電纜一端直接接地，另一端護層過電壓保護器接地，過電壓保護器采用氧化鋅電阻片，其電流與電壓間的關(guān)系服從下述規(guī)律：

式中：ib為陡波電流，kA；p、q是常數(shù)；q的典型值為20～30；Uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值。過電壓保護器直流參考電壓U1mA為4 kV，10 kA沖擊電流時殘壓為7 kV[16]。

圖2 架空線路與GIL/XLPE混合傳輸Fig.2 Transmission lines connected with OF/XLPE cable

表1 OF電纜和XLPE電纜參數(shù)Table 1 Parameters of OF and XLPE cable

2 仿真結(jié)果分析

2.1 繞擊和反擊侵入波過電壓

圖3給出了1號桿塔附近線路發(fā)生雷電繞擊時，3種方式下電纜線芯末端過電壓波形。

圖3 繞擊過電壓波形Fig.3 Overvoltage waveform of shielding failure

圖4給出了雷擊1號桿塔塔頂時，3種方式下電纜線芯末端過電壓波形。

由圖3和圖4可看出，相比于繞擊過電壓波形，反擊過電壓波形振蕩非常明顯，一方面因為Jmarti線路模型對于雷電流高頻分量存在衰減效果，另一方面因為雷擊桿塔時，雷電流傳播產(chǎn)生多次折反射。

無論是繞擊還反擊情況，OF+XLPE+OF安裝方式下末端過電壓幅值最高，OF+OF+XLPE安裝方式次之。由于OF電纜和XLPE電纜波阻抗不匹配，OF電纜波阻抗小于XLPE電纜波阻抗導致OF+XLPE+OF安裝方式下雷電波的折反射系數(shù)較高，線芯過電壓幅值也越大。OF+OF+OF安裝方式下不存在阻抗不匹配問題，線芯過電壓幅值也較小。

圖4 反擊過電壓波形Fig.4 Overvoltage waveforms of counterattacking

2.2 電纜長度影響

表2和表3給出了發(fā)生繞擊和反擊時，電纜線芯末端過電壓隨電纜長度變化情況。

表2 繞擊過電壓隨每段電纜長度變化Table 2 Overvoltage of shielding failure vs length of each cable

表3 反擊過電壓隨每段電纜長度變化Table 3 Overvoltage of counterattacking vs length of each cable

通過比較表2和表3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，繞擊電纜線芯末端過電壓明顯高于反擊情況，但繞擊、反擊侵入波過電壓幅值均隨著電纜長度的增加而降低。這主要是因為電纜長度越長，對地電容越大，對過電壓的衰減越嚴重。

無論是繞擊還是反擊情況下，電纜線芯末端過電壓均超過600 kV，IEC標準推薦的電纜內(nèi)絕緣安全因數(shù)取1.15[13]，再考慮實際電纜與試品絕緣水平的差異，留有一定裕度后差異系數(shù)取0.8[17]，電纜可能出現(xiàn)的最大雷電沖擊電壓不會超過900 kV，小于其雷電沖擊耐壓（1 050 kV），不會對電纜內(nèi)絕緣造成危害。

2.3 護套層過電壓

圖5給出了安裝護層過電壓保護器后，方式二下護套層過電壓波形。

圖5 GIL和XLPE雷電侵入波過電壓Fig.5 Lightning invaded wave overvoltage of GIL and XLPE

表4給出了方式二下護套層繞擊過電壓隨每段電纜長度變化。

表4 護套層過電壓隨每段電纜長度變化Table 4 Sheath induced voltage vs length of each cable

由圖5和表4可看出，護層過繞擊過電壓幅值隨著電纜長度的增加而減小。根據(jù)IEC的相關(guān)規(guī)定[13]，220 kV電纜外護層沖擊絕緣水平為47.5 kV，未安裝過電壓保護器時,過電壓幅值可能超過其絕緣，安裝護層過電壓保護器后，護套層過電壓幅值得到明顯的抑制，有效保護了護套層。

3 結(jié)論

利用ATP-EMTP建立220 kV OF電纜與XLPE電纜混合傳輸系統(tǒng)模型，分析線路雷電侵入波暫態(tài)特性，得到如下結(jié)論：

1）OF+XLPE+OF安裝方式下,電纜末端過電壓幅值最高，OF+OF+XLPE安裝方式次之。

2）繞擊和反擊侵入波過電壓幅值均隨著電纜長度的增加而降低。

3）安裝護層過電壓保護器能夠?qū)崿F(xiàn)有效護套層絕緣保護。

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