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1、高压电缆接地保护装置的优化设计摘要：近年来，江苏地区110kV及以上超高压电缆应用急剧增加，电缆事故 数量也在逐年上升。部分设计与施工单位对高压电缆接地保护装臵参数选择不合 理、设备的选择随意性较大，尤其是用于保护电缆安全稳定运行的接地系统，由 于接地电阻、保护器等选型没有统一标准，易发生保护器失效或损坏等不正常的 现象，引发高压电缆故障。文章分析了电缆护层保护器的不同接线方式对电缆外护套和保护器的影响， 研究了电缆护层保护器的额定电压、起始动作电压（参考电压）、最大持续运行 电压、工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等主要技术参 数与电缆保护之间的关系，提出了电缆护层过电压保
2、护器的优化设计方案，并通 过工程实践验证。现场应用表明该电缆附件参数设计以及接线方式选择方案能够 满足单芯电力电缆线路金属套过电压保护要求，有效减少了单芯电缆金属护层保 护接地故障率。关键词：电缆护层保护器 接线方式 保护器参数 优化设计1. 前言近年来，江苏地区110kV及以上超高压电缆应用急剧增加，电缆 事故数量也在逐年上升。部分设计与施工单位对高压电缆接地保护装 置（SVL）参数选择不合理、设备的选择随意性较大，尤其是用于保 护电缆安全稳定运行的接地系统，由于接线方式、接地电阻、保护器 参数等选型没有统一标准，易发生保护器失效或损坏等不正常的现 象，引发高压电缆故障。因此需要研究不同接线
3、方式对SVL和电缆的影响，研究电缆护层 保护器的额定电压、起始动作电压（参考电压）、最大持续运行电压、 工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等主要技 术参数与电缆保护之间的关系，规范SVL的设计。2. SVL 的接线方式选择江苏无锡某220KV线路交叉互联接SVL,基本参数如下，计算电 缆金属护层的感应电压。电缆导体正常工作电流 I=680 A短路电流 IF = 50 kA土壤电阻率p =2500 m频率 f =50 Hz地中等值电流的深度De=660vp；了 =660$250.50 =1475.8 m电缆间距离 S=0.25 m电缆护层长度 L=0.3 km电缆金属护层半径
4、rs=0.064 m接地电阻 R =0.4大地电阻 Rg 二Rgl, Rg=兀2fx10-3 0/km2.1电缆交叉互联接地SVL “Y”接线如图1是电缆金属护层交叉互联加“Y”接SVL接线图。采用这 种接线方式，SVL只需跨接在断连的金属护层两端，不必接在金属护 层和地之间。因为只要在金属护层被绝缘接头断开的两侧能在冲击电 压下使SVL接通，则线芯的冲击电流自然继续以金属护层为回路，这 时金属护层的电位就会大大减少。电缆金属护层的自感电抗X =j2 xlO 一 4lln DeSrS1475.8X = j2 x10-4 X 2兀 X 50 X 0.3ln = jo 1894 QS0.064边相
5、与边相金属的互感阻抗Z = j2X10-4 llnD002S1475.8Z = j2 x10-4 x 2兀 x 50 x 0.3ln =j0 1637 Q 000.25中相与边相金属的互感阻抗Z = j2x 10-4 llnD01 S1475.8Z = j2 x 2兀 x 50 x10-4 x 2兀 x 50 x 0.3ln = j0 1506 Q012x0.25Q电缆金属套电阻 RS = 0.1，Z = Z + Z + Z = 0.1 + j (0.1894+0.1637 + 0.1506)= 0.1 + j 0.5037 q a S 00 011）三相短路亘 I(X - Z )2 F S
6、00= - j 1113 V=- 50 x 103 (j0.1894 - j0.1637)2）两相短路A、C两相短路时：u =-1 (X -Z )Y F S 00U = -50x103 (j0.1894- j0.1637)= -j 1285 V3) 单相接地短路U =- 11（X -Z ）Y 2 F S 00U =-50x 103（jo.1894- j0.1637）= -j 642 5 VY2采用这种接线方式，保护器只需要跨接在断连的金属护套两端， 不必接在金属护套和地之间，也就是说，保护器只需采用“”接法或与 之等值的“Y接法。因为只要在金属护套被绝缘接头断开的两侧能在 冲击电压下使保护器接
7、通，则线芯的冲击电流自然继续以金属护套为 回路，这时金属护套的电位就会大为减少。这种接线的特点是：由于保护器采用了 “丫型接线，故单相接地故障时，保护器所受工频电压和接地电阻以及流经接地电阻的电流 无关，其值仅为两相短路的一半，保护器所受工频电压由两相短路决 定；保护器所受工频电压比“ Y。接法低得多，所以护层所受冲击电 压比“ Y。接法也要小。2.2电缆交叉互联接地SVL “Y0”接线如图2是电缆金属护层交叉互联加“Y。”接SVL接线图。即在A与地之间接有SVL，则此SVL所受的工频电压UY0 = 1 fR + Uaa。因为IFR 和 UAA 的值都很大，其相位差约为 90，所以 SVL 所
8、受的电压FAAuy0的值很大。图 2 电缆金属护层交叉互联加 Y0 接 SVL 接线1）单相接地短路由于金属护层电压和地网电压部分抵消，因此A相接地时，C相 护层和SVL所受的工频电压要比A相高。a ）地网内短路首端U =-1 Z +1（X + R ）X（R +-R （R + 込）1 C F 00 Z + R + RS 21 3 F 1 23 2a21U =50 X103 X j0.1637 +-(jO.1894 + 0.4) x (0.4 + 0.1 + j0.5037)50 x 103C0.1 + j0.5037 + 0.4 + 0.43(2 0.1 + j0.5037)0.4(0.4 +
9、)I 32=9521-j5223 = 10859Z-28.7V末端UCZ(X + R )(R + 才)=I Z + R S 223 IF 002 Z + R + R Fa 21ZR (R + 才) 123 iZ + R + R 2a 21U =50X103X j0.1637 + 0.4 C(jO.1894 + 0.4)(0.4 + 0.1 + j0.5037)0.1 + j0.5037 + 0.4 + 0.4卩 X10=10479+j5223 = 11708Z26.5。Vb)地网外短路首端U = I Z +1X (R + 冬)I R (R + 竺)I C F 00 Z + R + R S 13
10、 F 1232a21U =50x103 x j0.1637 +1j0.1894x(0.4 + 0.1 + j0.5037)50x 103C0.1+ j0.5037+ 0.4+ 0.43(2 0.1+j0.5037)0.4(0.4 +)I 32=598-j3960 = 4004 Z-81.4 V末端I X +I R Z末端U = I Z _&2_ (R +)C F 00 Z + R + R 23a210.1 + j0.5037 J0.1894 x (0.4 +)U = 50 x 103 x j0.1637 + 350 x103C0.1 + j0.5037 + 0.4 + 0.4=-598+j39
11、60 = 4004Z 98.6 V2)两相短路A、C 两相短路时U = I(X - Z )C F S 00Uc = 50 x103(0.18940.1637)= j1285 V3)三相短路U =-1 -1(X + Z - 2Z )+ j竺(X - Z 力C F 2 S 00 01 2 S 00Uc =-50 X103- 2j(0.1894 + 0.1637 - 2 x 0.1506)-f(0.1894 - 0.1637 )=1113+ j1297.5 = 1709.5Z49.38 V这种接线方式的特点是：单相接地时护层和保护器所受工频电 压和接地电阻和流经电阻的电流有关。当流经接地电阻的电流大
12、时， 工频电压可以达到很高的数值；网内单电源时，由于大部分电流以 金属护套为回路，所以护层和保护器所受电压将大为降低。此时护层 和保护器所受工频电压主要取决于两相接地故障；和保护器“Y接 线相比，保护器所受工频电压高，所以其残压及护层所受冲击电压随 之升高。2.3 SVL 接线方式选择建议电缆外护套所受的工频电压主要与线路两端接地电阻、工频短 路电流大小、短路方式密切相关。金属护套两端接地电阻越高，护 层和保护器所受的工频电压越高，这对选择保护器参数是不利的， 所以应采取适当措施降低当地的接地电阻并加强接地电阻的测量工 作。当保护器采用Y接线时，短路时保护器所受工频电压和接地电阻 无关，保护器
13、所受工频电压由两相短路决定。保护器采用Y0接线时, 其所受的工频电压比Y或者接线方式要大的多，所以电缆外护套所 受的残压及冲击电压也会较大。短路时保护器所受的工频电压除与工 频短路电流大小、短路方式密切相关外，与保护器自身的接线方式也 有很大关系。保护器采用Y0接线时，短路时保护器所受工频电压和接地电阻 有关，当发生单相短路的情况下，保护器受到的工频电压可能达到很 大的数值，甚至存在被击穿的可能。因此如果交叉互联的电缆线路每 段较长、短路电流过大或者接地电阻较大等情况下，建议保护器的接线方式改为Y接线。3.SVL 的参数设计3.1 SVL 的工作特性电力电缆线路设计中强制规定电缆金属护套运行时
14、的感应电压 不得超过50 V。当电缆载流量较大时、线路较长，特别是电力电缆线 路发生短路故障或者过电压入侵时，其金属护套可能中的感应电势可 能击穿电缆外护套造成电缆线路多点接地。因此，电力电缆线路保护 即电力电缆金属护层通过护层保护器可靠接地，将电缆线路接地位臵 的电位钳制在允许的接地电位范围内。作为有效保障电力电缆线路安 全运行的重要保护措施之一，电缆护层保护器通常安装在电缆线路交 叉互联接地箱体内和电缆终端箱内，其作用一是限制电缆线路金属套 中的工频感应电压，二是迅速抑制或释放电缆线路金属套中的工频过 电压和冲击过电压。在电缆线路正常工作状态时，电缆护层保护器呈现高阻状态，截 断电缆金属套中的工频感应电压与大地形成的回路，限制环行感应电 流，将工频感应电压钳制在设计电压范围内；一旦电缆线路出现短路 故障、雷电过电压或者内部操作过电压导致电缆金属套中出现很高的 工频过电压或冲击过电压时，电缆护层保护器呈现低电阻导通状态， 使得故障电流经保护器迅速泻入大地，将暂态过电压钳制在自身残压 范围内，起到保护电缆外护套绝缘的作用。3.2 SVL 的主要技术参数目前电缆金属护套的保护也普遍采用氧化锌阀片保护器。通常氧 化锌阀片保护器电气性能的基本技术指标包括：额定电压、起始动作 电压（参考电压）、最大持续运行电压、工频耐受电压、通流容量、 残压、电压比、荷电率、保护比等。图3电缆护层过电压
