10kV電纜操作過電壓分析

李宏亮

摘要：隨著我國城市電網的不斷改造和發展，電力電纜已經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生。因此，我們應注重對供電系統過電壓保護體系的不斷優化，以保證電子設備都可以規范而合理的運行。

關鍵詞：10kV;電纜;過電壓

引言

隨著我國城市電網的不斷改造和發展及海上風電大規模開發的送出需要，電力電纜已經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、可適應惡劣天氣環境等優點。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電纜過電壓發生的機理

就工程的電力系統供應而言，10kV電纜是確保電力高效運行的重要基礎，然而，會讓整個系統的承載性能變得十分脆弱，且受到外部因素的影響，如若發生過電壓的情況，會讓瞬間電壓值到達幾十萬伏，容易燒毀設備或導致設備發生短路的情況，極易造成很大的經濟損失。除了相關的內部因素的影響之外，雷電是產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備，如，設備的防護措施不夠，導致雷電會產生較大的電壓，其會瞬間將設備擊穿。一般條件下，雷電是設備接觸時在固定空間中會產生的一種強大磁場，等到磁場或靜電場在設備內會產生高電阻的電磁回路時，某個高電阻點就會滋生強大熱能，會對設備產生強烈的損害。

2. 限制10kV電纜操作過電壓的措施

2.1 改善斷路器的結構

斷路器的重燃是產生操作過電壓的最根本原因，因此采用最優的措施就是改善斷路器的結構，提高觸頭間的恢復強度和滅弧能力，避免發生重燃。目前電力系統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 裝設泄流設備

在超、特高壓系統中，線路上普遍安裝有并聯電抗器，10kV電纜線路由于充電功率大，部分線路也有裝設高壓電抗器，可使線路上殘荷產生衰減振蕩，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，一般并聯或串聯接線形式。分閘時先斷開主觸頭1，經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故障的概率。

2.5 選相重合閘

選相投切技術于20世紀70年代提出，經過幾十年的發展，技術逐漸成熟，各種相控開關產品陸續得到應用，相較于其他限制措施，選相重合閘具有下述優勢：①經濟性，可以有效抑制過電壓和涌流，降低系統的絕緣水平，從而減少合閘電阻的使用;②延長設備使用壽命，降低過電壓對設備的沖擊;③提高系統穩定性，通過選相時開關在最合適時刻合閘，可提高系統的穩定性。

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）開關模型。分閘空載線路采用采用三相時控開關，三相開關同時打開;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，利用StatisticSwitch進行統計分析。設置開關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 仿真結果

對分閘過電壓、合閘過電壓等方式進行仿真計算，結果如下：（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生一次電弧重燃的情況。計算結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，設定一個統計開關在一個周期內隨機合閘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，其最大值出現在線路末端。沿線過電壓最大水平超過規程規范要求，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，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。設置A、B、C三相合閘時間分別為10ms、16.66ms和23.33ms。計算結果表明，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，有利于系統穩定并降低線路的絕緣水平。

結束語

綜上所述，持續性、穩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不會受到外部環境的有效干擾，技術員需要結合容易出現的問題來制定相關的舉措，充分發揮好過電壓保護措施，注重挖掘其優勢，進而更好地保證整個供電系統的安全性。

參考文獻

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