10kV电缆操作过电压分析

李宏亮

摘要：随着我国城市电网的不断改造和发展，电力电缆已经广泛应用于高压输电线路。过电压是威胁电缆线路安全的重要因素，近年来因操作过电压引起的电缆故障时有发生。因此，我们应注重对供电系统过电压保护体系的不断优化，以保证电子设备都可以规范而合理的运行。

关键词：10kV;电纜;过电压

引言

随着我国城市电网的不断改造和发展及海上风电大规模开发的送出需要，电力电缆已经广泛应用于高压输电线路。相较于架空输电线路，电力电缆具有故障率低、可靠性高、可适应恶劣天气环境等优点。随着电缆应用电压等级升高，对其绝缘配合要求也相应提高;所允许的操作过电压倍数逐渐减小。因此，研究电缆的操作过电压具有重要意义。

1. 10kV电缆过电压发生的机理

就工程的电力系统供应而言，10kV电缆是确保电力高效运行的重要基础，然而，会让整个系统的承载性能变得十分脆弱，且受到外部因素的影响，如若发生过电压的情况，会让瞬间电压值到达几十万伏，容易烧毁设备或导致设备发生短路的情况，极易造成很大的经济损失。除了相关的内部因素的影响之外，雷电是产生过电压的主要原因，且感应雷、直击雷等都会作用于电力设备，如，设备的防护措施不够，导致雷电会产生较大的电压，其会瞬间将设备击穿。一般条件下，雷电是设备接触时在固定空间中会产生的一种强大磁场，等到磁场或静电场在设备内会产生高电阻的电磁回路时，某个高电阻点就会滋生强大热能，会对设备产生强烈的损害。

2. 限制10kV电缆操作过电压的措施

2.1 改善断路器的结构

断路器的重燃是产生操作过电压的最根本原因，因此采用最优的措施就是改善断路器的结构，提高触头间的恢复强度和灭弧能力，避免发生重燃。目前电力系统中采用的六氟化硫断路器、空气断路器等都大大改善了断路器的灭弧性能。

2.2 装设泄流设备

在超、特高压系统中，线路上普遍安装有并联电抗器，10kV电缆线路由于充电功率大，部分线路也有装设高压电抗器，可使线路上残荷产生衰减振荡，其自振荡频率接近于电源频率，则线路上的电压就成为振荡的工频电压，最终降低断路器的恢复电压上升速度，减小重燃的可能性，降低了高幅值过电压的发生概率。

2.3 采用避雷器保护

安装在线路首、末两端的金属氧化物避雷器，能有效地限制过电压幅值。

2.4 断路器加装并联电阻

降低断路器操作时过电压的最有效措施之一是采用合闸（或分闸）电阻，可有效降低触头间的恢复电压，避免电弧重燃，一般并联或串联接线形式。分闸时先断开主触头1，经过一定时间间隔后再断开辅助触头2，合闸时的动作顺序与上述相反。在切除空载线路时，首先打开主触头1，这时电阻R被串联在回路中，线路上的剩余电荷通过R向外释放，合闸电阻R的最佳电阻值决定于线路长度和补偿度，投入时间通常为4～10ms，但加装合闸电阻后增加了出现故障的概率。

2.5 选相重合闸

选相投切技术于20世纪70年代提出，经过几十年的发展，技术逐渐成熟，各种相控开关产品陆续得到应用，相较于其他限制措施，选相重合闸具有下述优势：①经济性，可以有效抑制过电压和涌流，降低系统的绝缘水平，从而减少合闸电阻的使用;②延长设备使用寿命，降低过电压对设备的冲击;③提高系统稳定性，通过选相时开关在最合适时刻合闸，可提高系统的稳定性。

3.仿真分析

3.1 仿真模型

（1）电源模型。采用电压幅值为10kV电缆且相位差相差120°的三相电压源，在计算重合闸时采用1个用于提供残余电压的三相电压源。（2）电缆模型。电缆为3×300mm2三芯铠装电缆，采用ATP-EMTP的LCC电缆模型进行建模。（3）开关模型。分闸空载线路采用采用三相时控开关，三相开关同时打开;由于过电压水平受线路合闸时刻的随机性的影响较大，采用ATP-EMTP中的蒙特卡洛随机操作开关，利用StatisticSwitch进行统计分析。设置开关的合闸时刻在一个周期随机均匀分布，每种工况下仿真200次。（4）避雷器模型。避雷器采用ATP-EMTP中的非线性电阻元件MOV，额定电压为10kV。

3.2 仿真结果

对分闸过电压、合闸过电压等方式进行仿真计算，结果如下：（1）分闸空载线路。在计算电缆线路分闸空载线路过电压时，仿真模拟了断路器发生一次电弧重燃的情况。计算结果表明考虑避雷器影响，分闸空载线路其沿线最大过电压出现在线路75%左右的位置。（2）正常合闸空载线路。在计算电缆线路合闸空载线路过电压时，设定一个统计开关在一个周期内随机合闸200次。计算表明正常合闸空载线路的过电压标幺值水平在1.55～2.05之间，其沿线最大过电压出现在线路末端，原因是由于电容效应的存在，过电压水平随着电缆长度的增加而增加。（3）重合闸空载线路过电压。计算电缆线路重合闸三相线路过电压时，为研究残余电荷对过电压水平的影响，分别计算了60%、80%及100%残压下的重合闸三相线路过电压。计算结果表明：操作过电压水平随着残余电压的增大而增大，其最大值出现在线路末端。沿线过电压最大水平超过规程规范要求，因此在电缆实际运行过程中，一般不采用重合闸的方式。（4）选相合闸过电压。采用选相技术，使A、B、C三相非同期合闸，在各相过零点时合闸过电压水平将最小。设置A、B、C三相合闸时间分别为10ms、16.66ms和23.33ms。计算结果表明，通过选相重合闸选择合适的合闸时间，可以大大降低过电压水平，最大过电压水平仅约1.03p.u.。

4.仿真效果

（1）对于分闸空载线路过电压：沿线最大过电压出现在电缆线路75%左右的位置。（2）由于电容效应的存在，正常合闸空载线路的最大过电压出现在线路末端。（3）重合闸空载线路操作过电压水平最为严重，当残压达到100%时，线路过电压水平可达到3.35p.u.。（4）采用选相合闸可有效限制过电压水平，有利于系统稳定并降低线路的绝缘水平。

结束语

综上所述，持续性、稳定性的供电模式也是确保整个电力工程的重要基准。若想更大程度上保证供电系统不会受到外部环境的有效干扰，技术员需要结合容易出现的问题来制定相关的举措，充分发挥好过电压保护措施，注重挖掘其优势，进而更好地保证整个供电系统的安全性。

参考文献

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