目前在我國單芯結(jié)構(gòu)的電纜多被用于110kV及以上的高壓電纜。對于單芯電纜，為了限制在電纜正常運行時外護(hù)套上的環(huán)流，一般采用電纜金屬外護(hù)套單端接地或交叉互聯(lián)接地。這樣一來，就會在電纜的非直接接地端感應(yīng)出較大的電壓，特別是在雷電沖擊電流或短路電流的作用下，產(chǎn)生的過電壓會擊穿電纜外護(hù)套。為了保護(hù)電纜外護(hù)套，通常采用在電纜的非直接接地端安裝電纜護(hù)套保護(hù)器（也稱電纜護(hù)套電壓限制器，簡稱SVL）。

電纜護(hù)套保護(hù)器的配置是否合理以及所選用的參數(shù)是否適當(dāng)，需要通過分析計算才能得出。本文采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)計算軟件，對侵入電纜系統(tǒng)的雷電過電壓和短路工頻過電壓進(jìn)行詳細(xì)仿真計算，為相關(guān)的設(shè)備選型提供依據(jù)。電纜外護(hù)套的雷電沖擊耐受電壓值應(yīng)不小于表1中的規(guī)定。

由表1可以看出，對110kV和220kV電纜，其外護(hù)套雷電沖擊耐受電壓值應(yīng)不小于37.5kV和47.5kV。工頻過電壓下電纜外護(hù)套的感應(yīng)電壓應(yīng)不超過25kV。

表1 電纜外護(hù)套雷電沖擊耐受電壓值（kV）

電纜無論采用交叉互聯(lián)接地還是采用單端接地，對于過電壓計算來講，其最大值往往出現(xiàn)在非直接接地端。因此計算時采用單端接地的模型即可。本文計算設(shè)定的邊界條件為：220kV電纜、長度為400m、直接接地端接地電阻為5Ω、單相短路電流為23.65kA、三相短路電流為25.5kA，電纜采用2500mm2銅纜。

1 雷電沖擊過電壓影響計算

對于330kV及以上的系統(tǒng)，電纜線路的主絕緣需要考慮操作過電壓的影響，而對于110kV及220kV系統(tǒng)來說，電纜線路的主絕緣主要是由外過電壓決定的，有學(xué)者的相關(guān)研究也未對電纜外護(hù)套的操作沖擊耐受電壓提出要求，因此本文只對電纜金屬護(hù)套上可能出現(xiàn)的雷電過電壓和短路時的工頻過電壓進(jìn)行詳細(xì)的仿真計算。

雷電流的模擬波形有多種，而雙指數(shù)波形是與實際雷電流波形最為接近的等值波形，其表達(dá)式為

式（1）

式中，常數(shù)A、α、◆由雷電流的波形確定。

雷電流的波形采用GB/T 50064—2014標(biāo)準(zhǔn)中推薦的2.6/50◆s標(biāo)準(zhǔn)雷電流進(jìn)行模擬仿真。計算取值：架空線路波阻抗為350Ω，雷電波電壓幅值取避雷器殘壓值，220kV為562kV。計算220kV電纜用雷電沖擊電壓模型波形圖如圖1所示。

圖1 計算220kV電纜用雷電沖擊電壓模型波形

電纜在ATP-EMTP中的雷電沖擊電路模型如圖2所示。

圖2 ATP-EMTP雷電沖擊電路模型

在雷電沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖3所示。

圖3 雷電沖擊電流作用下金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

在雷電沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖4所示。

圖4 雷電沖擊電流作用下金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形

如圖3和圖4所示，在雷電沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓最大值為92.24kV，超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓47.5/1.4kV的要求，而直接接地端感應(yīng)電壓最大值為5.39kV，滿足要求。因此，應(yīng)在電纜中間的絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器。

在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后，在雷電沖擊電流作用下，電纜線路金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖5所示。

圖5 雷電沖擊電流作用下、安裝電壓限制器后金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

如圖5所示，在雷電沖擊電流作用下，在電纜金屬護(hù)套非直接接地端安裝護(hù)套電壓限制器后，其感應(yīng)電壓最大值為19.59kV，不超過電纜金屬護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓47.5/1.4kV的要求。

2 短路工頻過電壓計算

在電力系統(tǒng)短路故障中，單相接地短路故障約占65%，三相短路故障約占5%，而三相短路對系統(tǒng)的影響最大。這里僅分析計算當(dāng)單相短路和三相短路時，電纜金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓。根據(jù)前文假設(shè)的短路電流值，其中單相短路電流為23.65kA，三相短路電流為25.5kA。

電纜在ATP-EMTP中的單相短路模型和三相短路模型分別如圖6和圖7所示。

圖6 ATP-EMTP單相短路模型

圖7 ATP-EMTP三相短路模型

計算結(jié)果分析如下：在單相短路電流23.65kA作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖8所示。

在單相短路電流作用下，電纜金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖9所示。

如圖8和圖9所示，在單相短路電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓最大值為23.2kV，超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求，而直接接地端感應(yīng)電壓最大值為0.47kV。因此，需在電纜非直接接地端的絕緣接頭處安裝電壓限制器。

圖8 單相短路電流作用下金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

圖9 單相短路電流作用下金屬外護(hù)套直接接地端的感應(yīng)電壓波形

在電纜非直接接地端絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后，在單相短路沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形如圖10所示。

圖10 單相短路電流作用下、安裝電壓限制器后金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓波形

如圖10所示，在單相短路沖擊電流作用下，在電纜金屬外護(hù)套非直接接地端安裝護(hù)套電壓限制器后，其感應(yīng)電壓最大值為8.79kV，不超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求。

同單相短路電流計算方法一樣，在三相短路電流25.5kA沖擊電流作用下，電纜金屬外護(hù)套非直接接地端的感應(yīng)電壓最大值為64.69kV，超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求，而直接接地端感應(yīng)電壓最大值為4.13kV，滿足要求。因此，需在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器。

在電纜絕緣接頭處安裝護(hù)套電壓保護(hù)器后，在三相短路沖擊電流作用下，電纜感應(yīng)電壓最大值為15.69kV，不超過電纜金屬外護(hù)套絕緣沖擊耐受電壓25/1.4kV的要求。

3 電纜護(hù)套電壓保護(hù)器的選型和配置

通過上述分析計算可以看出，電纜在外過電壓或工頻過電壓作用下，其非直接接地端的外護(hù)套感應(yīng)電壓均會超過其耐受值，為了保護(hù)電纜，目前最行之有效的措施就是安裝電纜護(hù)套保護(hù)器。

目前常用的電纜護(hù)套保護(hù)器是一種金屬氧化物避雷器。現(xiàn)行的電壓限制器是用的串聯(lián)閥片，在選擇護(hù)套電壓限制器時，應(yīng)滿足：①在系統(tǒng)短路故障切除時間內(nèi)產(chǎn)生的工頻過電壓，不能超出電壓限制器的工頻耐受電壓Uac,t值；②護(hù)套電壓限制器的殘壓值Ur不得超過電纜外護(hù)套沖擊過電壓作用的保護(hù)水平，在工頻過電壓時不應(yīng)被擊穿。

保護(hù)器耐受工頻過電壓的能力用規(guī)定時間下的耐壓值（例如2s或4s工頻耐壓值）表示。殘工比K是保護(hù)器的保護(hù)性能的重要指標(biāo)，其表達(dá)式為

式（2）

保護(hù)器的殘工比K越小，其性能越好。目前常用的氧化鋅閥片，它的殘工比已經(jīng)達(dá)到2.7。

綜上所述，保護(hù)器的選擇應(yīng)滿足以下幾個條件：

• 1）電纜護(hù)套絕緣的沖擊耐壓值應(yīng)大于保護(hù)器通過沖擊電流時的殘壓值乘以1.4。
• 2）在最大工頻電壓5s內(nèi)，保護(hù)器不被損壞。
• 3）在通過最大沖擊電流累計20次，保護(hù)器不被損壞。
• 4）電纜護(hù)套保護(hù)器氧化鋅閥片的數(shù)量，由護(hù)套所受工頻過電壓確定，保護(hù)器閥片數(shù)為

式（3）

結(jié)論

• 1）本文所提供的高壓單芯電纜在過電壓時，外護(hù)套的感應(yīng)電壓分析計算方法，是利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，該軟件主要算法基于麥克斯韋電磁場理論。本文在計算電纜過電壓外護(hù)套的感應(yīng)電壓時，其大小受電纜非直接接地端的接地電阻影響不大，而與電流的變化頻率有很大關(guān)系，這一點與基于電工原理的計算方法有很大差別。
• 2）采用本文提供的計算方法可以準(zhǔn)確計算出電纜在外過電壓和短路工頻過電壓時其金屬外護(hù)套的感應(yīng)電壓，為合理配置電纜護(hù)套電壓限制器提供選型依據(jù)。
• 3）本文計算模型采用的是電纜單端接地模型，但是需注意：對于單端接地的電纜，為了限制單相短路時工頻過電壓對電纜護(hù)套保護(hù)器的影響往往需要安裝回流線；對于交叉互聯(lián)接地方式，則不需要單獨敷設(shè)回流線。