500 kV交流海底電纜金屬護層沖擊感應(yīng)電壓研究

吳高波，岳 浩，李 健，羅楚軍，吳慶華

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和海洋戰(zhàn)略的全面實施，海底電纜輸電工程呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，高電壓、大長度海底電纜是研究的重要方向之一[1-7]。目前，中國已建成投運海南聯(lián)網(wǎng)500 kV海底電纜工程(電纜長度約30 km)和鎮(zhèn)?！凵?00 kV海底電纜工程(電纜長度約17 km)。

在海底電纜結(jié)構(gòu)中，主絕緣層外通常設(shè)置有金屬護層和鎧裝層(有時統(tǒng)稱為金屬護層)，以及兩者之間的外護套。由于海底電纜一般較長且敷設(shè)于海底，無法像陸地電纜一樣采取分段交叉互聯(lián)的接地方式。為了限制金屬護層的感應(yīng)電壓，海底電纜通常都采用金屬護層兩端直接接地的方式[6]。但對于大長度的海底電纜，仍需對金屬護層的感應(yīng)電壓進行計算研究，以確保金屬護層在不同工況下的工頻和沖擊感應(yīng)電壓滿足限值要求。

目前，對陸地電纜金屬護層感應(yīng)電壓的研究較多[8-15]，海底電纜的相關(guān)研究還較少。文獻[16]提出了半無限長海底電纜線芯承受階躍型過電壓侵入波時，隨距離變化的金屬護層感應(yīng)電壓計算公式，即工程中常用的電容耦合法公式[17]。文獻[18]研究表明，在金屬護層兩端直接接地方式下，金屬護層工頻感應(yīng)電壓一般較小，易滿足限值要求；沖擊感應(yīng)電壓則可能超過外護套的絕緣耐受水平，是海底電纜安全運行的控制因素。需采用電容耦合法進行驗算，必要時采取金屬護層與鎧裝層分段短接或采用半導(dǎo)電護套的方式以降低金屬護層的沖擊感應(yīng)電壓。電容耦合法雖然應(yīng)用較為方便，但由于其是基于半無限長海纜推導(dǎo)的，計算結(jié)果偏于保守，且無法考慮侵入波波形等因素的影響[19]。文獻[20]應(yīng)用PSCAD/EMTDC軟件，對500 kV 交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethyene，XLPE)海底電纜在短路、操作和雷擊工況下的主絕緣暫態(tài)過電壓及護層感應(yīng)電壓進行了計算，并分析了中間短接點對護層感應(yīng)電壓的影響，但暫未對護層沖擊感應(yīng)電壓進行系統(tǒng)分析。

下面采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC，對500 kV交流海底電纜金屬護層沖擊感應(yīng)電壓進行仿真計算，對沖擊感應(yīng)電壓的影響因素進行分析，并對感應(yīng)電壓限值措施進行研究，結(jié)果可為海底電纜工程的設(shè)計提供參考。

1 金屬護層沖擊感應(yīng)電壓計算

1.1 電纜模型

鎮(zhèn)?！凵?00 kV輸電線路由海底電纜線路和兩側(cè)的架空線路組成，其中海底電纜線路長度約17 km，兩側(cè)架空線路長度分別約2.5 km和33 km。架空線路采用4 mm2×300 mm2截面導(dǎo)線，海底電纜采用單芯1800 mm2截面XLPE。海底電纜兩側(cè)終端處均安裝線路避雷器(Y20W-444/1106)，金屬護層和鎧裝層采用兩端互聯(lián)直接接地方式。

鎮(zhèn)海—舟山500 kV輸電線路海底電纜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 500 kV交聯(lián)海底電纜結(jié)構(gòu)

電纜模型各層結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電纜模型各層結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 沖擊電壓侵入波

對于架空線—海底電纜混合系統(tǒng)，海底電纜主絕緣的沖擊過電壓幅值與系統(tǒng)參數(shù)、架空線/海底電纜長度、故障類型或雷擊位置、避雷器保護水平等有關(guān)。為了便于分析，進行金屬護層沖擊感應(yīng)電壓計算時，侵入波幅值可取避雷器殘壓值[12]。而在工程設(shè)計時，為了偏嚴(yán)格考慮，可將侵入波幅值取為電纜主絕緣沖擊耐受電壓值的0.85倍[18]。仿真時參考工程設(shè)計習(xí)慣，采用1.2 μs/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波，幅值取為1550×0.85=1318 kV。此外，在分析侵入波波形的影響時，亦對250 μs/2500 μs的標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波進行仿真計算。

1.3 金屬護層沖擊感應(yīng)電壓計算

鎮(zhèn)?！凵?00 kV線路工程海底電纜長度約17 km，雷電侵入波沿架空線侵入電纜導(dǎo)體，計算得到海底電纜沿線距首端(即雷電波侵入端)不同距離處的金屬護層沖擊感應(yīng)電壓如圖2所示。

圖2 舟山聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜不同位置處的護層沖擊感應(yīng)電壓

由圖2可以看出，由于海底電纜金屬護層兩端直接接地，其沖擊感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在距首端約13 km處，幅值為9.96 kV。

2 沖擊感應(yīng)電壓的影響因素分析

2.1 電纜長度

電纜長度是海底電纜輸電工程的重要參數(shù)之一。保持其他條件不變，改變電纜長度，對海底電纜沿線的金屬護層沖擊感應(yīng)電壓最大值進行仿真計算。同時，亦采用電容耦合法進行計算，計算公式為

(1)

式中：U23為金屬護層與鎧裝層間的電壓；Utr為過電壓侵入波的幅值；C12為導(dǎo)體對金屬護層的電容；C23為金屬護層對鎧裝層的電容；x為電纜長度；v為過電壓侵入波的波速；Rs為金屬護層的電阻。

計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同長度海底電纜金屬護層沖擊感應(yīng)電壓

可見，隨著電纜長度的增加，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓增大。此外，電容耦合法的計算結(jié)果明顯大于仿真計算結(jié)果。這主要是因為電容耦合法計算時認(rèn)為波的傳播距離即為電纜總長度，感應(yīng)電壓隨電纜長度增加而增大；而仿真計算時海底電纜金屬護層兩端直接接地，感應(yīng)電壓受到接地點的限制且感應(yīng)產(chǎn)生的電磁波會在電纜末端發(fā)生反射。

對于500 kV海底電纜，絕緣護套的沖擊耐受電壓若取72.5 kV[21]，并考慮1.4的安全系數(shù)[22]，則要求金屬護層沖擊感應(yīng)電壓不應(yīng)大于51.7 kV。顯然，若按電容耦合法的計算結(jié)果，當(dāng)電纜長度達到20 km時，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓已十分接近限值。而仿真計算結(jié)果表明，電纜長度為30 km時仍有較大的裕度。

2.2 侵入波波形

由于電容耦合法不能考慮侵入波波形的影響，工程中一般認(rèn)為金屬護層沖擊感應(yīng)電壓由幅值較高的雷電侵入波控制。為了研究侵入波波形的影響，對標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波進行仿真計算，計算時幅值與雷電沖擊波取值一致(即1318 kV)，電纜長度亦取17 km，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在相同的侵入波幅值和電纜長度下，金屬護層操作沖擊感應(yīng)電壓的最大值為7.7 kV，小于雷電沖擊感應(yīng)電壓，且最大值出現(xiàn)在距電纜首端約9 km處?？梢姡秩氩úㄐ螌饘僮o層沖擊感應(yīng)電壓的波形和幅值均有影響。操作沖擊侵入波的陡度較小，其護層沖擊感應(yīng)電壓也較小。

圖3 海底電纜金屬護層操作沖擊感應(yīng)電壓

2.3 電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

目前，中國投運的500 kV海底電纜工程主要有海南聯(lián)網(wǎng)工程和鎮(zhèn)?！凵焦こ?。其中，前者采用充油海底電纜，后者采用XLPE海底電纜。為了研究不同電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對護層沖擊感應(yīng)電壓的影響，采用海南聯(lián)網(wǎng)工程的電纜結(jié)構(gòu)(如表3所示)，電纜長度亦取17 km，仿真得到海底電纜沿線的金屬護層沖擊感應(yīng)電壓，如圖4所示。

表3 電纜模型各層結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜不同位置處的護層沖擊感應(yīng)電壓

對比圖4和圖2可以看出，在長度相同的情況下，采用海南聯(lián)網(wǎng)工程的電纜參數(shù)，其金屬護層沖擊感應(yīng)明顯增大，最大值出現(xiàn)在距首端約14 km處，幅值為34.4 kV。可見，電纜結(jié)構(gòu)對金屬護層沖擊感應(yīng)電壓的影響較為顯著。在工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)和長度進行計算，以確定其金屬護層沖擊感應(yīng)電壓是否超過限值要求。

3 沖擊感應(yīng)電壓限制措施

與陸地電纜不同，當(dāng)海底電纜長度較長，金屬護層感應(yīng)電壓超過限值要求時，通常需在產(chǎn)品生產(chǎn)時即采取必要的措施，主要有金屬護層與鎧裝層分段短接和采用半導(dǎo)電外護套兩種方式。

3.1 金屬護層與鎧裝層分段短接

金屬護層與鎧裝層分段短接是指在海底電纜中間，每隔一定距離將金屬護層與鎧裝層短接一次。為了研究分段短接對護層沖擊感應(yīng)電壓的影響，計算時，電纜總長度取30 km，各短接段按等長考慮，即設(shè)置1個短接點時，位于15 km處；設(shè)置2個短接點時，分別位于10 km、20 km處，以此類推。

當(dāng)設(shè)置1個短接點時，海底電纜沿線的金屬護層沖擊感應(yīng)電壓如圖5所示。

圖5 短接1次時金屬護層沖擊感應(yīng)電壓

由圖5可以看出，當(dāng)在海纜中部(15 km處)設(shè)置一個短接點時，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在第一個短接段內(nèi)，距首端約11 km處，幅值為8.6 kV，明顯小于無短接點時的17.8 kV。

進一步對不同短接次數(shù)下的護層沖擊感應(yīng)電壓進行計算，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，隨著短接次數(shù)的增加，海底電纜金屬護層沖擊感應(yīng)電壓降低，但幅度逐漸減小。由于金屬護層和鎧裝層的短接對海底電纜制造工藝要求較高，短接點增多會增加海底電纜長期運行的風(fēng)險，因此工程中應(yīng)盡量減少短接次數(shù)。

表4 不同短接次數(shù)下金屬護層沖擊感應(yīng)電壓

3.2 采用半導(dǎo)電外護套

半導(dǎo)電外護套即在金屬護層外采用半導(dǎo)電材料的外護套(可通過在原絕緣外護套材料中添加具有導(dǎo)電特性的炭黑等實現(xiàn))，以降低金屬護層與鎧裝層之間的電壓差。通過在電纜模型的金屬護層及鎧裝層之間設(shè)置并聯(lián)電阻的方式來等效半導(dǎo)電外護套，對半導(dǎo)電外護套采用不同電阻率時的金屬護層沖擊感應(yīng)電壓進行計算，結(jié)果如表5所示。

表5 不同外護套電阻率下金屬護層沖擊感應(yīng)電壓

由表5可以看出，隨著外護套電阻率的降低，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓減小。當(dāng)外護套電阻率為1×105Ω·m時，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓僅0.8 kV。但是，外護套電阻率較低時，正常工作時外護套中流過的電流將較大，需考慮外護套的電流腐蝕。因此，在實際工程中，應(yīng)綜合考慮金屬護層感應(yīng)電壓，外護套泄漏電流和材料的耐受特性，合理選擇外護套的電阻率。

4 結(jié) 論

采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC，對沖擊電壓沿架空線侵入導(dǎo)體時，海底電纜金屬護層的沖擊感應(yīng)電壓及其影響因素進行了仿真分析，并對感應(yīng)過電壓限制措施進行了研究，主要結(jié)論如下：

1)海底電纜通常采用金屬護層兩端直接接地的方式，其護層沖擊感應(yīng)電壓最大值一般出現(xiàn)在電纜后半段。電容耦合法計算時認(rèn)為波的傳播距離為電纜總長度，未考慮金屬護層末端接地的情況，計算結(jié)果偏于保守。

2)電纜長度、侵入波波形和電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對海底電纜金屬護層沖擊感應(yīng)電壓的影響較大。護層沖擊感應(yīng)電壓隨著電纜長度的增加而增大；操作沖擊侵入波陡度較小，其護層沖擊感應(yīng)電壓小于雷電沖擊侵入波；電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對金屬護層沖擊感應(yīng)電壓的影響顯著，工程設(shè)計時應(yīng)予以關(guān)注。

3)采用金屬護層與鎧裝層分段短接方式可以有效降低金屬護層沖擊感應(yīng)電壓。設(shè)置短接點后，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓一般出現(xiàn)在第一個短接段內(nèi)；隨著短接點的增加，護層沖擊感應(yīng)電壓降低，但降幅逐漸減小。

4)采用半導(dǎo)電外護套同樣可以有效降低金屬護層的沖擊感應(yīng)電壓。當(dāng)外護套電阻率由1×107Ω·m減小至1×105Ω·m時，金屬護層沖擊感應(yīng)電壓快速降低。在實際工程中，應(yīng)綜合考慮金屬護層感應(yīng)電壓，外護套泄漏電流和材料的耐受特性，合理選擇外護套的電阻率。