雷擊高壓電纜過電壓分析研究

吳恒

摘 要：隨著城市電網規模的不斷擴張，城市中高壓電纜的應用也越來越普遍，電纜一端常與架空線路的一端相連。架空線路和電纜的接頭處是線路遭受雷電破壞的薄弱處，因此，架空線和電纜接頭處必須要安裝一定數量的避雷器來限制雷電過電壓入侵電纜。但是在實踐工程中，經常出現過雷電擊中高壓電纜的情況。因此，對此進行分析則有顯著性意義。

關鍵詞：高壓電纜；雷擊；過電壓

引言

電力電纜（下文簡稱電纜）一般埋在地面下，具有不占用地面空間、安全性高等特點，城市電網中越來越多地采用電纜來輸送電能。統計表明，發達國家的城市地下電纜化率已經達到80%-90%，有的甚至達到100%。目前，我國城市平均電纜入地率僅為10%。隨著我國國民經濟與電力事業的迅猛發展，除了大型發電項目需要高壓電纜以外，大規模的城市電網改造對高壓電纜的需求也非常迫切。現在，全國許多城市相繼出臺了架空線改走地下電纜的措施，城市街道高壓線入地已經成為一種趨勢，電纜線路將會最終取代架空線路。

1 電纜雷電過電壓的產生

電力系統過電壓對電力系統的絕緣配合有很大的影響。電力系統由于內部操作而引起的電壓叫做內部過電壓。雷電過電壓不同于內部過電壓，它是由于雷云放電而引起的電力系統過電壓，雷電過電壓屬于外部過電壓。直擊雷電過電壓和感應雷擊過電壓是雷電過電壓的兩種形式。直接雷擊過電壓是雷電直接擊中架空線或桿塔等物體而造成的過電壓，感應雷擊過電壓是雷電未擊中物體，而是在物體上感應出過電壓。對電力系統而言，直擊雷擊過電壓和感應雷擊過電壓對電力系統都會造成一定的損害。雷電過電壓是一種電磁暫態現象，研究雷電過電壓對電纜系統的安全運行具有重要的意義。

2 電力電纜結構組成

電力電纜結構復雜，它與架空線路相比有很大的區別。第一，電纜結構比較復雜，現在普遍應用的交聯聚乙烯電纜有導體、導體屏蔽層、絕緣層等多層結構，復雜的結構決定了電纜復雜的物理特性。第二，電纜的敷設方式與架空線路相比有很大的不同。電纜往往埋在地下，埋在地下的排列種類又有電纜溝、電纜槽、電纜隧道等方式，這樣電纜的電磁暫態特性與架空線路相比更復雜。110kV交聯聚乙烯單芯電纜主要由導體、導體屏蔽層、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、銅帶屏蔽、無紡布、外護層組成。電纜的金屬鎧裝護套可以被看作是一個薄壁的圓筒，同心地圍繞著電纜的導芯，磁通就會在導芯上產生。這部分磁通不僅與導芯相鏈，同時也與金屬護套相鏈，從而使金屬護套中產生感應電勢。

3 電纜遭受雷電損害的形式

當雷擊地下電纜或雷擊電纜附近大地時，一部分雷電流便會流過電纜的金屬護套，電纜導芯與金屬護套在耦合作用下便會產生電壓。當這一電壓達到一定值時，會擊穿芯線與護套之間的絕緣而形成故障。電纜遭受雷電過電壓分為三種狀況，雷電波沿架空線路侵入電纜，雷電直接擊中電纜，雷電間接擊中電纜。實踐表明，雷電波沿架空線路侵入電纜是電纜遭受雷害的最主要原因。本文就研究雷電波沿架空線路侵入電纜雷電過電壓的特性。

雷電直接擊中電纜。實際觀測表明，雷電的落雷率沿著電纜線路的地方比較大。直接雷的危害較大，在特殊狀況下，較強的雷電流甚至會直接擊穿大地，在大地上形成洞深——從地面至電纜的空洞。

雷電未擊中電纜而是擊中電纜附近的大地時，也可能使電纜遭受嚴重的破壞，這是由于落雷點的電位很高。電纜作為一個延伸很長的導體，電纜導體遠端的電位可以看成零電位，這樣較大的電位差就會在電纜和大地之間產生。這種電位差達到一定值而且超過土壤的耐壓程度后，土壤就會被雷電擊穿，放電通道就會在大地間和雷電擊點間形成，電流就會通過放電通道流向電纜，這種雷擊對電纜的損壞程度與直擊雷相當。

4 高壓XLPE電纜雷擊仿真模型的建立

電磁暫態過程分析的主要目的在于分析和計算故障或操作后可能出現的暫態過電壓和電流。以便對電力系統的絕緣保護等提供參考和依據。

雷電過電壓作為一種典型的電磁暫態過程。電磁暫態作用的時間極短，作用的電壓和電流一般都在ms級甚至？滋s的時間內。因此，在計算中要考慮多種影響因素，考慮線路計算電路中的電磁耦合元件，電壓和電流在輸電線路和電纜線路傳輸的波過程需要把元件作為分布參數的來計算。有時，還要考慮非對稱的三相結構、線路頻率特性參數和電暈及其他因素。研究電力系統電磁暫態過程的手段有系統的現場實測方法、應用暫態網絡分析儀的物理模擬方法和計算機的數值仿真方法。

電磁暫態分析程序EMTP是國際公認的電力系統電磁暫態分析的標準程序。ATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的業余時間和資金開發的BPA-EMTP的替代程序。ATP-EMTP堅持無償提供的原則，在全世界擁有最多的用戶，是目前國際上主流版本的EMTP的替代程序。DCG-EMTP是1981年成立的DCG（EMTP合作開發組織）開發的EMTP版本，需有償使用。EMTP擁有豐富的電路原件和強大的分析功能，可以用于電力系統的穩態和暫態分析，以下算例是通過軟件雷擊點和遭受雷電的桿塔時的過電壓。

圖1為雷電擊中桿塔地線時，雷擊點的過電壓波形，從圖中可以看出過電壓的峰值（即7.1MV）出現在A相。這是因為絕緣子串發生閃絡而導則A相電壓過高，而B相和C相的過電壓波形幾乎相同（峰值為2.9MV）。

5 結束語

隨著科學技術的發展和技術的進步，人們對雷電危害逐漸重視。世界各國對雷電的成因和危害做了大量的研究，取得了豐碩的結果。隨著電纜線路在城市電網中的大量使用，雷電對電纜線路的損壞也越來越頻繁。實際上，雷電過電壓是一種電磁暫態現象。為了合理解決電纜系統的過電壓防護、絕緣配合、電磁干擾等工程課題，需要深入研究電纜系統的電磁暫態過程。

參考文獻

[1]許繼葵.高壓單芯電纜載流量與護套過電壓的研究[D].廣州：華南理工大學，2004.

[2]趙丹丹，張嘉 ，黃華，等.220kV城市電纜及混合線路過電壓及絕緣配合研究[J].華東電力，2012，40（2）：270-273.

[3]李超群，張嘉 .500kV城市電纜線路過電壓研究[J].華東電力，2012，40（5）：869-872.