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【电气技术】高压单芯电缆护层过电压保护原理、接地及保护方式

孤立电网技术2021-02-09 15:55:10
1. 护层保护原理

1.1三芯电缆

通常都采用两端金属护层直接接地方式 (35kV以下)。因为在正常运行中,流过三个线芯的电流向量总和为零,在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链,这样,在铝包或金属屏蔽层两端就基本上没有感应电压,所以两端接地后不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层 。


1.2单芯电缆

按照经济合理的原则采用不同的接地方式(110kV及以上,部分35kV也采用单芯电缆)。因为单芯电缆的线芯与金属护层的关系,可看作一个单匝变压器。当单芯电缆线芯通过电流时,就会有磁力线交链铝包或金属屏蔽层,使它的两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比,电缆很长时,护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度 

感应电压的大小还与电缆排列方式、距离以及屏蔽层的平均直径有关

以对称敷设(正三角形敷设) 时, 电缆金属护套的感应电动势最小且相等

平行敷设时, 两边电缆护套上产生的感应电动势最大,中间相最小。


与单芯电缆护层感应电压有关的因素为:

  1. 电缆线路的长度

  2. 线芯电流(负荷)

  3. 电缆的排列方式

  4. 电缆的中心距离

  5. 外屏蔽的平均直径


单芯电缆护层感应电压的计算:

也可以通过查护层感应电压曲线得到相应的护层电压值


根据GB50217-2007《电力工程电缆设计规程》的要求:

单芯电缆线路的金属护层上任一点的感应电压不得大于300V

(未采取不能任意接触金属护层的安全措施时,不得大于50 V)


金属护层必须接地,如果两端都直接接地 ——

金属护层将会出现很大的环流,其值可达线芯电流的50%--95%,使金属护层发热,这不仅浪费了大量电能,而且降低了电缆的载流量,并加速了电缆绝缘老化,因此单芯电缆不应两端接地。(仅在个别情况使用,护层<10V或者电缆很短,功率很小的情况下)。


属护套一端接地 ——

当雷击或操作过电压波沿线芯流动时,金属护层不接地端会出现很高的冲击电压;在系统发生短路时,短路电流流经线芯时,护层不接地端也会出现较高的工频感应电压。过电压可能会导致出现多点接地,形成环流 。需特殊接地方式+保护器。





2. 护层接地及保护方式

2.1接地方式

按照经济合理的原则采用不同的接地方式(110kV及以上):

一端直接接地,另一端通过保护器接地----可采用方式

中点直接接地,两端屏蔽通过护层保护接地---常用方式

中点通过护层保护接地,两端直接接地---可采用方式

护层交叉互联----常用方式


2.2一端直接接地,另一端通过保护器接地

电缆长度一般小于500m;

合理选择接地保护箱和保护元件;

加回流线时,回流线需换位、两端需接地。


回流线的作用

高压单芯电缆线路的金属护套只在一处互联接地时,在沿线路一段距离内平行敷设一根阻抗较低的绝缘导线并两端接地,该接地的绝缘导线称为回流线。

回流线又称屏蔽导体,回流线的磁屏蔽作用可使邻近通信信号电缆的导体上由于电力电缆短路引起的感应电压明显下降,据计算其值为不安装回流线时的27%。回流线的分流作用是当电缆线路发生短路接地故障时一部分短路电流将通过回流线流回系统的中性点。 


回流线截面选择及安装

回流线选用150-400mm2铜芯塑料绝缘线。回流线应敷设在边相和中相之间,并在线路中点换位,如下图所示。



2.3中点直接接地,两端通过护层保护接地

可看作一端接地线路长度的两倍; 护套中间接地,两端各加一组保护器。

 注意检查金属护套至少有一点直接接地。


2.4中点通过护层保护接地,两端直接接地


电缆线路为两盘电缆;

护套断开,中间装设绝缘头;

绝缘头两侧各加一组保护器;

 电缆线路两端分别接地。


2.5护层交叉互联

交叉互联是将每大段电缆分为长度相等的三小段,每段之间装绝缘接头,接头处护层三相之间用同轴电缆引线经交叉互联箱及保护器进行换位连接。



通过两个交叉互联箱,两次互换,实现感应电压叠加后向量为零,起到限制感应电压的作用。


(第一个互相箱连接示意)




护层交叉互联的目的:

使各大段电缆上的感应电压幅值相等,相位相差120度;

总感应电压的向量和为零;

不可能产生环形电流;

感应电压最高值小于50V。


护层交叉互联的作用:

通过交叉互联箱换位 —— 限制护层感应电压小于50V;

两端直接接地 —— 环流很小;

不受电缆线路长度限制 —— 可装多个绝缘接头满足要求;

装设护层保护器 —— 有效限制雷电及操作过电压。





3. 护层保护器选择及应用

护层保护器一般安装在电缆线路交叉互联箱体内和接地保护箱内



3.1护层保护器的作用

1)限制电缆线路金属护层中的工频感应电压

——在电缆线路正常工作状态时,高压电缆护  层保护器呈现高电阻状态,截断电缆金属护层中的工频感应电流回路 。


2)迅速减小电缆线路金属护层中的工频和冲击过电压 

 ——当电缆线路出现接地故障、雷电过电压或内部过电压导致金属护层中出现很高过电压时,护层保护器呈现出低电阻导通状态,使得故障电流经保护器迅速泻入大地


3.2护层保护器的选择

1)可能最大冲击电流作用下的残压, 不得大于电缆护层冲击耐压电压被1. 4 所除数值(计入绝缘配合系数) 。

2)可能最大工频过电压在5s 作用下, 应能耐受, 不击穿或损坏。

3)可能最大冲击电流累积作用20 次后, 保护器不得损坏。


3.3护层保护器的性能

常用残工比K 来表示护层保护器的保护性能:

保护器的残工比K 愈小, 则保护性能愈好。


3.4护层保护器的定期检验和维护

定期测量电缆护层保护器在1mA时的直流参考电压和0.75倍参考电压时的泄漏电流,特别是在系统故障之后测试。


可通过电缆护层过电压保护器特性参数测试仪进行测试。



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