李宏亮

摘要：隨著我國(guó)城市電網(wǎng)的不斷改造和發(fā)展，電力電纜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路。過(guò)電壓是威脅電纜線路安全的重要因素，近年來(lái)因操作過(guò)電壓引起的電纜故障時(shí)有發(fā)生。因此，我們應(yīng)注重對(duì)供電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)體系的不斷優(yōu)化，以保證電子設(shè)備都可以規(guī)范而合理的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：10kV;電纜;過(guò)電壓

引言

隨著我國(guó)城市電網(wǎng)的不斷改造和發(fā)展及海上風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)的送出需要，電力電纜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路。相較于架空輸電線路，電力電纜具有故障率低、可靠性高、可適應(yīng)惡劣天氣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。隨著電纜應(yīng)用電壓等級(jí)升高，對(duì)其絕緣配合要求也相應(yīng)提高;所允許的操作過(guò)電壓倍數(shù)逐漸減小。因此，研究電纜的操作過(guò)電壓具有重要意義。

1. 10kV電纜過(guò)電壓發(fā)生的機(jī)理

就工程的電力系統(tǒng)供應(yīng)而言，10kV電纜是確保電力高效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，然而，會(huì)讓整個(gè)系統(tǒng)的承載性能變得十分脆弱，且受到外部因素的影響，如若發(fā)生過(guò)電壓的情況，會(huì)讓瞬間電壓值到達(dá)幾十萬(wàn)伏，容易燒毀設(shè)備或?qū)е略O(shè)備發(fā)生短路的情況，極易造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。除了相關(guān)的內(nèi)部因素的影響之外，雷電是產(chǎn)生過(guò)電壓的主要原因，且感應(yīng)雷、直擊雷等都會(huì)作用于電力設(shè)備，如，設(shè)備的防護(hù)措施不夠，導(dǎo)致雷電會(huì)產(chǎn)生較大的電壓，其會(huì)瞬間將設(shè)備擊穿。一般條件下，雷電是設(shè)備接觸時(shí)在固定空間中會(huì)產(chǎn)生的一種強(qiáng)大磁場(chǎng)，等到磁場(chǎng)或靜電場(chǎng)在設(shè)備內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高電阻的電磁回路時(shí)，某個(gè)高電阻點(diǎn)就會(huì)滋生強(qiáng)大熱能，會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的損害。

2. 限制10kV電纜操作過(guò)電壓的措施

2.1 改善斷路器的結(jié)構(gòu)

斷路器的重燃是產(chǎn)生操作過(guò)電壓的最根本原因，因此采用最優(yōu)的措施就是改善斷路器的結(jié)構(gòu)，提高觸頭間的恢復(fù)強(qiáng)度和滅弧能力，避免發(fā)生重燃。目前電力系統(tǒng)中采用的六氟化硫斷路器、空氣斷路器等都大大改善了斷路器的滅弧性能。

2.2 裝設(shè)泄流設(shè)備

在超、特高壓系統(tǒng)中，線路上普遍安裝有并聯(lián)電抗器，10kV電纜線路由于充電功率大，部分線路也有裝設(shè)高壓電抗器，可使線路上殘荷產(chǎn)生衰減振蕩，其自振蕩頻率接近于電源頻率，則線路上的電壓就成為振蕩的工頻電壓，最終降低斷路器的恢復(fù)電壓上升速度，減小重燃的可能性，降低了高幅值過(guò)電壓的發(fā)生概率。

2.3 采用避雷器保護(hù)

安裝在線路首、末兩端的金屬氧化物避雷器，能有效地限制過(guò)電壓幅值。

2.4 斷路器加裝并聯(lián)電阻

降低斷路器操作時(shí)過(guò)電壓的最有效措施之一是采用合閘（或分閘）電阻，可有效降低觸頭間的恢復(fù)電壓，避免電弧重燃，一般并聯(lián)或串聯(lián)接線形式。分閘時(shí)先斷開(kāi)主觸頭1，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔后再斷開(kāi)輔助觸頭2，合閘時(shí)的動(dòng)作順序與上述相反。在切除空載線路時(shí)，首先打開(kāi)主觸頭1，這時(shí)電阻R被串聯(lián)在回路中，線路上的剩余電荷通過(guò)R向外釋放，合閘電阻R的最佳電阻值決定于線路長(zhǎng)度和補(bǔ)償度，投入時(shí)間通常為4～10ms，但加裝合閘電阻后增加了出現(xiàn)故障的概率。

2.5 選相重合閘

選相投切技術(shù)于20世紀(jì)70年代提出，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，各種相控開(kāi)關(guān)產(chǎn)品陸續(xù)得到應(yīng)用，相較于其他限制措施，選相重合閘具有下述優(yōu)勢(shì)：①經(jīng)濟(jì)性，可以有效抑制過(guò)電壓和涌流，降低系統(tǒng)的絕緣水平，從而減少合閘電阻的使用;②延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的沖擊;③提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過(guò)選相時(shí)開(kāi)關(guān)在最合適時(shí)刻合閘，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.仿真分析

3.1 仿真模型

（1）電源模型。采用電壓幅值為10kV電纜且相位差相差120°的三相電壓源，在計(jì)算重合閘時(shí)采用1個(gè)用于提供殘余電壓的三相電壓源。（2）電纜模型。電纜為3×300mm2三芯鎧裝電纜，采用ATP-EMTP的LCC電纜模型進(jìn)行建模。（3）開(kāi)關(guān)模型。分閘空載線路采用采用三相時(shí)控開(kāi)關(guān)，三相開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi);由于過(guò)電壓水平受線路合閘時(shí)刻的隨機(jī)性的影響較大，采用ATP-EMTP中的蒙特卡洛隨機(jī)操作開(kāi)關(guān)，利用StatisticSwitch進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)置開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)刻在一個(gè)周期隨機(jī)均勻分布，每種工況下仿真200次。（4）避雷器模型。避雷器采用ATP-EMTP中的非線性電阻元件MOV，額定電壓為10kV。

3.2 仿真結(jié)果

對(duì)分閘過(guò)電壓、合閘過(guò)電壓等方式進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如下：（1）分閘空載線路。在計(jì)算電纜線路分閘空載線路過(guò)電壓時(shí)，仿真模擬了斷路器發(fā)生一次電弧重燃的情況。計(jì)算結(jié)果表明考慮避雷器影響，分閘空載線路其沿線最大過(guò)電壓出現(xiàn)在線路75%左右的位置。（2）正常合閘空載線路。在計(jì)算電纜線路合閘空載線路過(guò)電壓時(shí)，設(shè)定一個(gè)統(tǒng)計(jì)開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)隨機(jī)合閘200次。計(jì)算表明正常合閘空載線路的過(guò)電壓標(biāo)幺值水平在1.55～2.05之間，其沿線最大過(guò)電壓出現(xiàn)在線路末端，原因是由于電容效應(yīng)的存在，過(guò)電壓水平隨著電纜長(zhǎng)度的增加而增加。（3）重合閘空載線路過(guò)電壓。計(jì)算電纜線路重合閘三相線路過(guò)電壓時(shí)，為研究殘余電荷對(duì)過(guò)電壓水平的影響，分別計(jì)算了60%、80%及100%殘壓下的重合閘三相線路過(guò)電壓。計(jì)算結(jié)果表明：操作過(guò)電壓水平隨著殘余電壓的增大而增大，其最大值出現(xiàn)在線路末端。沿線過(guò)電壓最大水平超過(guò)規(guī)程規(guī)范要求，因此在電纜實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一般不采用重合閘的方式。（4）選相合閘過(guò)電壓。采用選相技術(shù)，使A、B、C三相非同期合閘，在各相過(guò)零點(diǎn)時(shí)合閘過(guò)電壓水平將最小。設(shè)置A、B、C三相合閘時(shí)間分別為10ms、16.66ms和23.33ms。計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)選相重合閘選擇合適的合閘時(shí)間，可以大大降低過(guò)電壓水平，最大過(guò)電壓水平僅約1.03p.u.。

4.仿真效果

（1）對(duì)于分閘空載線路過(guò)電壓：沿線最大過(guò)電壓出現(xiàn)在電纜線路75%左右的位置。（2）由于電容效應(yīng)的存在，正常合閘空載線路的最大過(guò)電壓出現(xiàn)在線路末端。（3）重合閘空載線路操作過(guò)電壓水平最為嚴(yán)重，當(dāng)殘壓達(dá)到100%時(shí)，線路過(guò)電壓水平可達(dá)到3.35p.u.。（4）采用選相合閘可有效限制過(guò)電壓水平，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定并降低線路的絕緣水平。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，持續(xù)性、穩(wěn)定性的供電模式也是確保整個(gè)電力工程的重要基準(zhǔn)。若想更大程度上保證供電系統(tǒng)不會(huì)受到外部環(huán)境的有效干擾，技術(shù)員需要結(jié)合容易出現(xiàn)的問(wèn)題來(lái)制定相關(guān)的舉措，充分發(fā)揮好過(guò)電壓保護(hù)措施，注重挖掘其優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而更好地保證整個(gè)供電系統(tǒng)的安全性。

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