電站山坡電纜溝雷害分析與防護(hù)

張永會，鄭智勇，高海鷗，張 淼

（1.白山發(fā)電廠，吉林樺甸132400；2.長沙科智防雷工程有限公司，長沙410000；3.長沙理工大學(xué)，長沙410004）

0 引言

隨著多年的運(yùn)行與實(shí)踐，各類發(fā)電場、變電站的整體防雷性能得到全面的提升，各個部位的防雷措施已得到很好的保護(hù)。但是在站內(nèi)電纜線路的防雷保護(hù)方面仍然存在一些不足之處，特別是針對10 kV電壓等級的架空輸電線路和電纜溝埋地電纜的防雷保護(hù)還停留在配電線路電壓等級的思路中。由于輸電線路的防雷規(guī)劃是按照電壓等級進(jìn)行分級配置防雷的。而10 kV線路一般是作為城市配電線路，對穩(wěn)定性要求相對較低，因此采用低端的防雷配置，這就導(dǎo)致目前對低壓等級的架空線路和電力電纜的研究相對缺少，直接采用高電壓等級的防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)不合理。但是，10 kV電壓等級作為各類電站的重要電壓等級，其安全性要求比一般的配電線路要求更高。特別是抽水蓄能類電站，由于其包含上下庫兩個庫體，在進(jìn)行閘門控制與監(jiān)測信號傳輸時，需要在山體表面架設(shè)10 kV電壓等級的高壓電纜與部分控制和信號電纜，一般在山體表面開挖電纜溝，采用上層高壓電纜，下層控制與信號電纜的同溝敷設(shè)方式。同時常規(guī)變電站電纜溝內(nèi)部通常會有與主網(wǎng)接地導(dǎo)體材質(zhì)及尺寸都相同的接地導(dǎo)體，這些接地導(dǎo)體和電纜支架焊連在一起，每隔一定距離與主接地網(wǎng)相連[1-2]。而一些電站通常包含沿山坡敷設(shè)的電纜溝區(qū)域，通常采用高壓電纜兩端接地的方式，由于沒有采用任何的防雷措施，僅僅采用屏蔽層兩端接地的方式，其雷害情況等同于架空電纜。當(dāng)線路遭受雷擊時，電纜的護(hù)層易被燒毀，護(hù)套芯線間的絕緣易被擊穿，嚴(yán)重時電纜線路會全部或部分中斷[3]。同時，當(dāng)沿山坡的電纜溝距離較長時，如抽水蓄能電站上下庫之間的電纜溝距離大多數(shù)在幾千米，當(dāng)雷擊高壓電纜中部時，由于雷電流無法及時泄放，將會在高壓電纜鎧甲層由雷擊點(diǎn)向接地處傳播，傳播過程中將會造成高壓電纜線芯電壓急劇升高，同時由于空間電磁耦合的影響，對埋設(shè)于同溝中的控制（信號）電纜將會感應(yīng)出很高的電壓，對二次設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

本文通過建立分布式電纜模型，采用ATP-EM?TP模擬高壓電纜遭受雷擊下，高壓電纜纜芯的雷擊感應(yīng)電壓，以及雷擊高壓電纜時對單端接地及雙端接地情況下二次電纜的影響，就二次電纜采用雙端接地時附加電流的影響進(jìn)行分析，最后在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)措施[4]。

1 電纜分布式參數(shù)及耦合模型的建立

1.1 電纜結(jié)構(gòu)及分布式參數(shù)模型

筆者主要對10 kV高壓電纜與多芯控制電纜進(jìn)行相應(yīng)分析，且這兩種電纜型號在電站電纜溝配置中具有普遍性的意義。單芯交聯(lián)聚乙烯電纜模型的結(jié)構(gòu)圖見圖1。。

圖1 單芯交聯(lián)聚乙烯電纜結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Single core crosslinked polyethylene cable structure model

對于控制電纜，本文采用多芯電纜，見圖2。

由于雷電流的波長一般在幾千米左右，而長距離的電纜溝中高壓電纜的長度與雷電流的波長接近。因此，在分析高壓電纜鎧甲層及纜芯電壓分布時，需要采取分布式參數(shù)進(jìn)行仿真計算才能夠得到相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[5-7]。同時，由于交聯(lián)聚乙烯高壓電纜良好的絕緣性能，當(dāng)絕緣沒有破壞時，鎧甲層對地的絕緣電阻以及纜芯對鎧甲層的絕緣電阻可以達(dá)到幾百兆歐的水平，所以我們建立起來的分布式參數(shù)模型忽略電纜各層之間的電導(dǎo)。建立分布式參數(shù)模型見圖3。

圖2 控制電纜結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Control cable structure model

圖3 電纜分布式參數(shù)模型Fig.3 Distributed parameter model of cable

1.2 參數(shù)計算

根據(jù)電線電纜手冊和電力工程電氣設(shè)備手冊，可以得到電纜參數(shù)的計算公式如下：

式中：R為高壓電纜纜芯電阻或者其鎧甲層電阻，Ω/cm；ρ20是導(dǎo)體在20℃時的電阻率，Ω?cm；A為導(dǎo)體截面積，mm2；α是溫度系數(shù)；t為溫度；L1和L2分別是電纜纜芯與鎧甲層單位長度電感，nH/cm；Li和Le分別是電纜纜芯單位長度的內(nèi)感和外感，nH/cm；S是導(dǎo)體之間的距離，cm；r1是電纜纜芯半徑，cm；r2是鎧甲層的平均半徑，cm。

式中：C1和C2分別是纜芯與鎧甲之間的電容、鎧甲與大地之間的電容，F(xiàn)/cm；ε0是真空介電常數(shù)，其值為8.86×10-12F/m；εr為電纜各層的相對介電常數(shù)；do、di為電纜各層的內(nèi)徑與外徑。

1.3 控制電纜耦合模型

由于控制電纜與高壓電纜同溝敷設(shè)，當(dāng)雷電流沿高壓電纜鎧甲層傳播時，由于場線耦合與強(qiáng)烈的空間電磁場發(fā)射，將會導(dǎo)致控制電纜纜芯產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓，危及二次系統(tǒng)。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)，電纜溝一般采用上層敷設(shè)高壓電纜，下層敷設(shè)控制與信號電纜的方式。對于10 kV高壓電纜，其敷設(shè)間距一般為50 mm。

目前對于電磁場干擾方面的分析較為全面，就其傳播方式來說，主要有4種途徑，即電場耦合、磁場耦合、電磁場耦合以及直接電路耦合[8]。對于距離較近的高壓電纜與控制電纜同溝敷設(shè)的情況，我們近似認(rèn)為起主要干擾作用的是電場耦合與磁場耦合，對于距離較遠(yuǎn)時，分析多以空間電磁場干擾為主。

對于電場干擾的情況來說，任何電子設(shè)備之間都存在著分布電容，高壓電纜與控制電纜之間距離較近，分布電容作用非常明顯，當(dāng)高壓電纜鎧甲層有高頻感應(yīng)電壓時，會在控制電纜表面形成傳導(dǎo)型干擾。電場耦合模型見圖4，磁場耦合模型見圖5。

圖4 電場耦合模型Fig.4 Electric field coupling model

圖5 磁場耦合模型Fig.5 Magnetic field coupling model

以1號線代表高壓電纜鎧甲層，2號線代表控制電纜屏蔽層，根據(jù)等效運(yùn)算公式，可以得到1號線對地電壓為

當(dāng)R很大時，可以簡化得到對應(yīng)公式

當(dāng)R很小時，可簡化為另一種形式

對于磁場干擾的情況，我們以電感之間的相互耦合為出發(fā)點(diǎn)，可以得到高壓電纜在控制電纜屏蔽層的感應(yīng)電壓為

同時，當(dāng)控制電纜屏蔽層感應(yīng)出耦合電壓時，當(dāng)控制電纜屏蔽層采用不同的接地方式時，可能得到不同的感應(yīng)電壓幅值[9]。

2 雷電直擊高壓電纜時纜芯及二次電纜的感應(yīng)電壓仿真

2.1 高壓電纜纜芯感應(yīng)過電壓仿真

采用ATP-EMTP對高壓電纜進(jìn)行仿真，雷電流波形采用標(biāo)準(zhǔn)的2.6/50 μs波形，仿真雷電流采用Heidler沖擊波電源模擬。由于多數(shù)電站山坡電纜溝中電纜兩端接地的地網(wǎng)配置不均勻，且此類電站多處在巖層區(qū)域，其土壤電阻率很高。在本仿真過程中，我們將接地電阻設(shè)定為5 Ω，根據(jù)DL/T-620的統(tǒng)計與當(dāng)?shù)氐睦纂姸ㄎ幌到y(tǒng)，我們可以知道雷電流波形的幅值大部分集中在7.8～65 kA。以平均的10 kA作為實(shí)驗(yàn)雷電流，對雷擊電纜中部進(jìn)行仿真。

對高壓電纜，每隔500 m設(shè)置一個觀測點(diǎn)。V0-電纜端頭，V5-距端頭500 m，V10-距電纜端頭1 km，V15-距電纜端頭1.5 km。可以得到仿真結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 鎧甲層電壓分布Fig.6 Armor layer voltage distribution

圖7 電纜纜芯層電壓分布Fig.7 Cable core voltage distribution

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷擊中高壓電纜的鎧甲層中央時，鎧甲層的電壓幅值分布按照從雷擊點(diǎn)到接地點(diǎn)不斷減少，且由于電纜鎧甲層的電感與電容的作用，導(dǎo)致雷電流波形傳播有一定的延時，分析電纜鎧甲層中間部位的電壓分布，我們可以發(fā)現(xiàn)在0.03 ms和0.06 ms的時候，由于分布式參數(shù)的原因，導(dǎo)致電纜中間位置發(fā)生了雷電流波形的疊加。

分析電纜纜芯的電壓幅值分布，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜鎧甲層中部遭受雷擊時，電纜纜芯中部的感應(yīng)電壓幅值并不是最大的，其電壓幅值相對于鎧甲層接地位置對應(yīng)的纜芯電壓幅值還稍微小一些。

2.2 控制電纜感應(yīng)過電壓仿真

由于控制電纜屏蔽層在任意一端接地時都能消除容性耦合，只有將屏蔽層兩端都接地時才會消除感性耦合，但同時又可能會導(dǎo)致兩接地端電壓差形成附加電流[7]。

根據(jù)分布式參數(shù)模型，進(jìn)行ATP-EMPT仿真，同樣每隔500 m設(shè)置一個觀測點(diǎn)。C0-電纜端頭，C5-距端頭500 m，C10-距電纜端頭1 km，C15-距電纜端頭1.5 km。

可以得到控制電纜屏蔽層感應(yīng)電壓幅值分布見圖8和圖9。

圖8 控制電纜單端接地非接地側(cè)Fig.8 Control cable single-ended ground non-grounded side

圖9 控制電纜雙端接地Fig.9 Control cable double-ended ground

通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)對控制電纜采用單端接地時，當(dāng)雷電流幅值為10 kA時，控制電纜屏蔽層的電壓幅值出現(xiàn)在屏蔽層非接地端的首段，可以達(dá)到5 kV的高壓，可能會造成控制電纜的絕緣層擊穿。當(dāng)采用屏蔽層雙端接地時，電壓幅值僅僅達(dá)到2 kV，處于控制電纜絕緣耐受電壓范圍內(nèi)。

若采用每隔400 m設(shè)置一個接地裝置時，通過仿真分析可以得到控制電纜電壓幅值分布見圖10。

圖10 沿途設(shè)置接地極Fig.10 Set the grounding pole along the way

可以發(fā)現(xiàn)，雷電流擊中點(diǎn)附近的控制電纜電壓幅值較高，其他點(diǎn)的電壓幅值普遍偏小。其防雷保護(hù)效果非常明顯。

若采用電纜溝上端加裝避雷線的防護(hù)措施時，設(shè)置避雷線的架設(shè)高度為0.5 m，沿途每隔100 m設(shè)置一個避雷線接地支架。仿真分析雷電直接擊中避雷線時，控制電纜采用雙端接地時，由于耦合作用在控制電纜感應(yīng)的電壓幅值見圖11。

圖11 控制電纜感應(yīng)電壓Fig.11 Control cable induced voltage

通過仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)，在采用避雷線的防雷改進(jìn)措施后，控制電纜的感應(yīng)過電壓幅值能夠有效地控制在一個很小的電壓幅值，對控制電纜的危害得到有效的保障。

2.3 屏蔽層接地點(diǎn)兩端電位不等時感應(yīng)電壓分析

屏蔽電纜兩端由于接在不同的地網(wǎng)上，當(dāng)雷電流進(jìn)入地網(wǎng)后，會造成屏蔽層接地兩端電位不等，產(chǎn)生附加電流[8]。

當(dāng)與主接地網(wǎng)相連接的接地端由于雷電流入地作用，使得其相對地點(diǎn)電位達(dá)到2 kV時，就可能導(dǎo)致控制電纜感應(yīng)出較高的電壓，影響二次電纜的安全。

通過設(shè)置n×n的等效接地網(wǎng)，接地網(wǎng)所在地區(qū)的電阻率為100Ω?m的情況下，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入地雷電流幅值達(dá)到50 kA時，距離主避雷針的雷電流入地點(diǎn)分別為V1-10m、V2-20m、V3-30m、V4-40m、V5-50 m處的地電位隨時間的變化見圖12[10-11]。

圖12 地點(diǎn)電位分布圖Fig.12 Ground potenial distrbution

通過圖形可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入地雷電流幅值為50 kA時，距離主避雷針為40 m以后的位置的電位幅值不會超過2 kV，可以保證控制電纜的屏蔽效果[12-15]。

3 結(jié)論

1）建立了電纜分布式參數(shù)模型，就雷擊高壓電纜中部進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)在鎧甲層端部及纜芯層中部的雷電過電壓幅值最高；并提出了采用增設(shè)電纜溝擊中接地裝置、架設(shè)可以保護(hù)電纜溝的避雷針或在電纜溝的兩側(cè)分別實(shí)施獨(dú)立的鎧甲層集中接地裝置和避雷針擊中接地裝置等防雷改進(jìn)措施。

2）針對二次電纜的耦合感應(yīng)過電壓，仿真發(fā)現(xiàn)采用雙端接地時感應(yīng)過電壓較小，并就每隔一段距離設(shè)置獨(dú)立的接地裝置進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)可以有效抑制感應(yīng)過電壓的幅值；并對在電纜溝上端架設(shè)避雷線的保護(hù)措施進(jìn)行了仿真，同時發(fā)現(xiàn)能夠更加有效地抑制感應(yīng)過電壓的幅值。

3）針對山坡電纜溝中控制電纜采用雙端接地時，由于雷電入地導(dǎo)致與主接地網(wǎng)相連的接地點(diǎn)一端電位抬升，形成的附加電流對控制電纜的影響，分析確定了在50 kA的雷電流入地的情況下，距離主避雷針入地點(diǎn)40 m以上時，可以有效抑制控制電纜附加電流的影響。

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