雷击高压电缆过电压分析研究

吴恒

摘 要：随着城市电网规模的不断扩张，城市中高压电缆的应用也越来越普遍，电缆一端常与架空线路的一端相连。架空线路和电缆的接头处是线路遭受雷电破坏的薄弱处，因此，架空线和电缆接头处必须要安装一定数量的避雷器来限制雷电过电压入侵电缆。但是在实践工程中，经常出现过雷电击中高压电缆的情况。因此，对此进行分析则有显著性意义。

关键词：高压电缆；雷击；过电压

引言

电力电缆（下文简称电缆）一般埋在地面下，具有不占用地面空间、安全性高等特点，城市电网中越来越多地采用电缆来输送电能。统计表明，发达国家的城市地下电缆化率已经达到80%-90%，有的甚至达到100%。目前，我国城市平均电缆入地率仅为10%。随着我国国民经济与电力事业的迅猛发展，除了大型发电项目需要高压电缆以外，大规模的城市电网改造对高压电缆的需求也非常迫切。现在，全国许多城市相继出台了架空线改走地下电缆的措施，城市街道高压线入地已经成为一种趋势，电缆线路将会最终取代架空线路。

1 电缆雷电过电压的产生

电力系统过电压对电力系统的绝缘配合有很大的影响。电力系统由于内部操作而引起的电压叫做内部过电压。雷电过电压不同于内部过电压，它是由于雷云放电而引起的电力系统过电压，雷电过电压属于外部过电压。直击雷电过电压和感应雷击过电压是雷电过电压的两种形式。直接雷击过电压是雷电直接击中架空线或杆塔等物体而造成的过电压，感应雷击过电压是雷电未击中物体，而是在物体上感应出过电压。对电力系统而言，直击雷击过电压和感应雷击过电压对电力系统都会造成一定的损害。雷电过电压是一种电磁暂态现象，研究雷电过电压对电缆系统的安全运行具有重要的意义。

2 电力电缆结构组成

电力电缆结构复杂，它与架空线路相比有很大的区别。第一，电缆结构比较复杂，现在普遍应用的交联聚乙烯电缆有导体、导体屏蔽层、绝缘层等多层结构，复杂的结构决定了电缆复杂的物理特性。第二，电缆的敷设方式与架空线路相比有很大的不同。电缆往往埋在地下，埋在地下的排列种类又有电缆沟、电缆槽、电缆隧道等方式，这样电缆的电磁暂态特性与架空线路相比更复杂。110kV交联聚乙烯单芯电缆主要由导体、导体屏蔽层、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、铜带屏蔽、无纺布、外护层组成。电缆的金属铠装护套可以被看作是一个薄壁的圆筒，同心地围绕着电缆的导芯，磁通就会在导芯上产生。这部分磁通不仅与导芯相链，同时也与金属护套相链，从而使金属护套中产生感应电势。

3 电缆遭受雷电损害的形式

当雷击地下电缆或雷击电缆附近大地时，一部分雷电流便会流过电缆的金属护套，电缆导芯与金属护套在耦合作用下便会产生电压。当这一电压达到一定值时，会击穿芯线与护套之间的绝缘而形成故障。电缆遭受雷电过电压分为三种状况，雷电波沿架空线路侵入电缆，雷电直接击中电缆，雷电间接击中电缆。实践表明，雷电波沿架空线路侵入电缆是电缆遭受雷害的最主要原因。本文就研究雷电波沿架空线路侵入电缆雷电过电压的特性。

雷电直接击中电缆。实际观测表明，雷电的落雷率沿着电缆线路的地方比较大。直接雷的危害较大，在特殊状况下，较强的雷电流甚至会直接击穿大地，在大地上形成洞深——从地面至电缆的空洞。

雷电未击中电缆而是击中电缆附近的大地时，也可能使电缆遭受严重的破坏，这是由于落雷点的电位很高。电缆作为一个延伸很长的导体，电缆导体远端的电位可以看成零电位，这样较大的电位差就会在电缆和大地之间产生。这种电位差达到一定值而且超过土壤的耐压程度后，土壤就会被雷电击穿，放电通道就会在大地间和雷电击点间形成，电流就会通过放电通道流向电缆，这种雷击对电缆的损坏程度与直击雷相当。

4 高压XLPE电缆雷击仿真模型的建立

电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和电流。以便对电力系统的绝缘保护等提供参考和依据。

雷电过电压作为一种典型的电磁暂态过程。电磁暂态作用的时间极短，作用的电压和电流一般都在ms级甚至？滋s的时间内。因此，在计算中要考虑多种影响因素，考虑线路计算电路中的电磁耦合元件，电压和电流在输电线路和电缆线路传输的波过程需要把元件作为分布参数的来计算。有时，还要考虑非对称的三相结构、线路频率特性参数和电晕及其他因素。研究电力系统电磁暂态过程的手段有系统的现场实测方法、应用暂态网络分析仪的物理模拟方法和计算机的数值仿真方法。

电磁暂态分析程序EMTP是国际公认的电力系统电磁暂态分析的标准程序。ATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的业余时间和资金开发的BPA-EMTP的替代程序。ATP-EMTP坚持无偿提供的原则，在全世界拥有最多的用户，是目前国际上主流版本的EMTP的替代程序。DCG-EMTP是1981年成立的DCG（EMTP合作開发组织）开发的EMTP版本，需有偿使用。EMTP拥有丰富的电路原件和强大的分析功能，可以用于电力系统的稳态和暂态分析，以下算例是通过软件雷击点和遭受雷电的杆塔时的过电压。

图1为雷电击中杆塔地线时，雷击点的过电压波形，从图中可以看出过电压的峰值（即7.1MV）出现在A相。这是因为绝缘子串发生闪络而导则A相电压过高，而B相和C相的过电压波形几乎相同（峰值为2.9MV）。

5 结束语

随着科学技术的发展和技术的进步，人们对雷电危害逐渐重视。世界各国对雷电的成因和危害做了大量的研究，取得了丰硕的结果。随着电缆线路在城市电网中的大量使用，雷电对电缆线路的损坏也越来越频繁。实际上，雷电过电压是一种电磁暂态现象。为了合理解决电缆系统的过电压防护、绝缘配合、电磁干扰等工程课题，需要深入研究电缆系统的电磁暂态过程。

参考文献

[1]许继葵.高压单芯电缆载流量与护套过电压的研究[D].广州：华南理工大学，2004.

[2]赵丹丹，张嘉 ，黄华，等.220kV城市电缆及混合线路过电压及绝缘配合研究[J].华东电力，2012，40（2）：270-273.

[3]李超群，张嘉 .500kV城市电缆线路过电压研究[J].华东电力，2012，40（5）：869-872.