10kV電纜操作過電壓分析

李宏亮

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

關(guān)鍵詞：10kV;電纜;過電壓

引言

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

1. 10kV電纜過電壓發(fā)生的機理

就工程的電力系統(tǒng)供應而言，10kV電纜是確保電力高效運行的重要基礎(chǔ)，然而，會讓整個系統(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)生過電壓的情況，會讓瞬間電壓值到達幾十萬伏，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)生過電壓的主要原因，且感應雷、直擊雷等都會作用于電力設(shè)備，如，設(shè)備的防護措施不夠，導致雷電會產(chǎn)生較大的電壓，其會瞬間將設(shè)備擊穿。一般條件下，雷電是設(shè)備接觸時在固定空間中會產(chǎn)生的一種強大磁場，等到磁場或靜電場在設(shè)備內(nèi)會產(chǎn)生高電阻的電磁回路時，某個高電阻點就會滋生強大熱能，會對設(shè)備產(chǎn)生強烈的損害。

2. 限制10kV電纜操作過電壓的措施

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)，提高觸頭間的恢復強度和滅弧能力，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電壓上升速度，減小重燃的可能性，降低了高幅值過電壓的發(fā)生概率。

2.3 采用避雷器保護

安裝在線路首、末兩端的金屬氧化物避雷器，能有效地限制過電壓幅值。

2.4 斷路器加裝并聯(lián)電阻

降低斷路器操作時過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電壓，避免電弧重燃，一般并聯(lián)或串聯(lián)接線形式。分閘時先斷開主觸頭1，經(jīng)過一定時間間隔后再斷開輔助觸頭2，合閘時的動作順序與上述相反。在切除空載線路時，首先打開主觸頭1，這時電阻R被串聯(lián)在回路中，線路上的剩余電荷通過R向外釋放，合閘電阻R的最佳電阻值決定于線路長度和補償度，投入時間通常為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70年代提出，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，各種相控開關(guān)產(chǎn)品陸續(xù)得到應用，相較于其他限制措施，選相重合閘具有下述優(yōu)勢：①經(jīng)濟性，可以有效抑制過電壓和涌流，降低系統(tǒng)的絕緣水平，從而減少合閘電阻的使用;②延長設(shè)備使用壽命，降低過電壓對設(shè)備的沖擊;③提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過選相時開關(guān)在最合適時刻合閘，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，在計算重合閘時采用1個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電纜模型進行建模。（3）開關(guān)模型。分閘空載線路采用采用三相時控開關(guān)，三相開關(guān)同時打開;由于過電壓水平受線路合閘時刻的隨機性的影響較大，采用ATP-EMTP中的蒙特卡洛隨機操作開關(guān)，利用StatisticSwitch進行統(tǒng)計分析。設(shè)置開關(guān)的合閘時刻在一個周期隨機均勻分布，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

對分閘過電壓、合閘過電壓等方式進行仿真計算，結(jié)果如下：（1）分閘空載線路。在計算電纜線路分閘空載線路過電壓時，仿真模擬了斷路器發(fā)生一次電弧重燃的情況。計算結(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。在計算電纜線路合閘空載線路過電壓時，設(shè)定一個統(tǒng)計開關(guān)在一個周期內(nèi)隨機合閘200次。計算表明正常合閘空載線路的過電壓標幺值水平在1.55～2.05之間，其沿線最大過電壓出現(xiàn)在線路末端，原因是由于電容效應的存在，過電壓水平隨著電纜長度的增加而增加。（3）重合閘空載線路過電壓。計算電纜線路重合閘三相線路過電壓時，為研究殘余電荷對過電壓水平的影響，分別計算了60%、80%及100%殘壓下的重合閘三相線路過電壓。計算結(jié)果表明：操作過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。沿線過電壓最大水平超過規(guī)程規(guī)范要求，因此在電纜實際運行過程中，一般不采用重合閘的方式。（4）選相合閘過電壓。采用選相技術(shù)，使A、B、C三相非同期合閘，在各相過零點時合閘過電壓水平將最小。設(shè)置A、B、C三相合閘時間分別為10ms、16.66ms和23.33ms。計算結(jié)果表明，通過選相重合閘選擇合適的合閘時間，可以大大降低過電壓水平，最大過電壓水平僅約1.03p.u.。

4.仿真效果

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

結(jié)束語

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

參考文獻

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