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张煌1，黄嘉盛2，牛海清1，郭然1 (1. 华南理工大学电力学院，广州510640；2. 广州供电局有限公司，广州510310) 摘要：针对高压电缆外护层绝缘电阻普遍降低的现状以及其耐压水平降低的可能性，建立了单端接地和交叉互联接地电缆的ATP-EMTP仿真模型，研究了在雷电过电压、操作过电压和短路故障的情况下，配置低伏安特性保护器后保护器是否能正确动作且不损坏保护耐压水平降低的外护层。结果表明：在雷电过电压和操作过电压情况下，降低保护器伏安特性能有效降低作用于外护层的残压，流经保护器的电流仍然低于其标称放电电流；对于单相短路情况，单端接地条件下保护器需要吸收的短路能量较大，降低保护器伏安特性会使保护器爆炸，而对于交叉互联接地情况，降低保护器伏安特性保护器是否会爆炸与短路电流的大小有关，较大的短路电流会使得保护器爆炸。最后提出了电缆外护层绝缘降低时护层保护器配置的建议。 关键词：高压电缆；护层保护器；外护层；参数配置；绝缘降低 Abstract： Considering the universally decreased insulation resistance of high voltage cable sheath and the possibility of its decreased withstand voltage level, the paper studies whether the protector can act correctly without damage to protect the sheath with decreased insulation under lightning overvoltage, operation overvoltage and short circuit when configuring protectors with low voltage-current characteristics by establishing ATP-EMTP simulation models of single-ended grounding and crossbonding grounding. The results show that reducing the voltage-current characteristics of protector can reduce the residual voltage acting on the outer sheath, and the current flowing through the protector is still below its nominal discharge current; in the case of single-phase short circuit, under the condition of single-end grounding, the protector needs to absorb a large amount of short circuit energy, reducing the voltage-current characteristics will lead to protector explosion; under the condition of crossbonding grounding, whether the protector explode or not depends on the magnitude of short circuit current, while a larger short-circuit current will cause the protector to explode. Finally, suggestions of the protector configuration of the outer sheath with decreased insulation are proposed. Key words： high voltage cable; sheath protector; outer sheath; parameter configuration; decreased insulation 0 引言高压电缆在我国城市电网中使用的比重越来越大[1 - 2]，广州地区高压电缆线路总长度已增长到一千多千米，中心城区供电网的电缆占有率超过90%[3]。高压电缆一般为单芯电缆，其外护层主要起保护作用，同时也具有一定的绝缘作用。《电力设备预防性试验规程》规定：电缆外护层每千米的绝缘电阻不应低于0.5 MΩ；在金属护套与地之间施加1 min的5 kV直流电压，外护层不应被击穿[4]。有统计数据表明[3]，在广州地区，63%的输电电缆外护层绝缘电阻不合格，其中21%的外护层的绝缘电阻低于0.01 MΩ。 单芯电缆的金属护套必须接地，但不能两端直接接地。为了降低金属护套对地的过电压，避免外护层击穿，非直接接地金属护套通常经护层保护器再接地[5]。鉴于目前输电电缆外护层绝缘电阻普遍偏低，需要考虑其引起或伴随外护层耐压水平降低的可能性。当金属护套出现过电压时，若电缆外护层击穿电压低于电缆护层保护器的起始动作电压，很可能出现护层保护器还未动作外护层就被击穿的事故。因此，有必要研究外护层绝缘降低时护层保护器如何进行参数配置以及降低保护器绝缘水平以保护绝缘降低外护层的可行性。 文献[6]提出了需根据外护层绝缘水平的下降来选择护层保护器的技术参数，并考虑参数之间的相互制约因素来对保护器进行优化选取。文献[7]根据对多个高压电缆技术协议的调研，提出了大短路电流下可以通过并联多个保护器来提高能量吸收能力。但是，针对外护层绝缘老化后护层保护器如何进行参数配置仍少有报道。 《高压电缆选用导则》规定保护器在最大工频电压下需承受5 s不损坏[8]，即不要求保护器在短路故障时动作。但文献[9]提出，当电缆线路因接地故障出现工频过电压时护层保护器应动作以降低金属护套过电压；文献[7]提出，只要保护器能吸收工频过电压的能量，保护器在工频过电压下可以动作，其代价是保护器寿命的降低。可见，工频过电压下护层保护器是否应该动作仍没有定论，保护器动作后是否能吸收短路能量，短路能量如何计算，这些问题仍没有解决。 为论证是否能通过配置低伏安特性护层保护器来保护耐压水平降低的外护层，本文建立了雷电过电压、操作过电压以及单相短路情况下单端接地和交叉互联接地两种接地方式的电缆线路仿真模型，研究了降低护层保护器伏安特性(80%、60%)时电缆金属护套的过电压、流经保护器的电流及其爆炸的可能性。最后根据仿真结果和相关标准，对不同电缆线路提出了外护层绝缘降低时保护器的参数配置建议。 1 仿真计算模型及参数1.1 电缆线路模型及参数高压电缆一般采用单芯电缆结构。当线芯流过交变电流时，会在金属护套上产生感应电压。感应电压的大小与电缆结构、负荷电流和线路长度等因素[10]有关。一旦电缆线路遭受雷电冲击、操作过电压或发生短路故障时，将在金属护套上产生很高的感应过电压，不仅会危及人身安全，而且可能击穿外护层[11]。 本文利用J-Marti模型建立110 kV单芯电缆线路模型。仿真中金属护套的接地方式分为两种：单端接地和交叉互联接地[12]，如图1所示。由于采用末端直接接地时金属护套首端的过电压高于采用首端直接接地时末端的过电压[13]，本文考虑更严重的情况，只研究末端直接接地、首端经保护器接地(下文简称单端接地)的情况。  图1 110 kV电缆及其护层保护器仿真模型 单端接地电缆长度一般小于1 km，电缆的长度越长，其感应电压越大，考虑严重的情况，单端接地电缆长度取900 m。交叉互联接地电缆按照一定长度对电缆进行等距离分段(一般分为3段或3的整数倍段)来降低金属护套环流和感应电压，一般一个交叉互联大段的长度小于1.5 km，仿真中电缆分为3小段，每段长度为400 m。电缆三相呈水平排列，彼此相距0.25 m，埋深1 m。仿真采用横截面面积为1 000 mm2的110 kV电缆，电缆末端所接负荷简化为400 Ω的电阻，冲击接地电阻为0.6 Ω。110 kV电缆线路雷电冲击耐压水平为37.5 kV[8]。 1.2 护层保护器模型及参数护层保护器属于氧化锌避雷器[14]，国内外标准对护层保护器的一般要求如下： 1)正常运行时护层保护器不应动作，0.75U1mA下的泄漏电流不应大于50 μA[4]。 2)在雷电和操作冲击电压作用下，护层保护器应动作，保护器残压值的1.4倍仍应低于电缆外护层的冲击耐压值[8]。 3)护层保护器应能通过最大冲击电流20次不损坏[8]。 本文仿真使用的是110 kV的BHQ-8/600护层保护器，其主要技术参数如表1所示，伏安特性如图2所示。保护器的比能量约为7 kJ/kV，动作时需吸收能量[15]为： W= (1)  图2 BHQ-8/600伏安特性曲线 表1 BHQ-8/600主要技术参数  额定电压/kV8/20μs标称放电电流/kA直流参考电压/kV标称放电电流下的残压/kV2.810≥4.0≤8 实际操作中可以通过减小阀片规格(厚度)来降低伏安特性。由于保护器阀片通过电流的能力主要与其横截面积大小有关[16]，改变后保护器的放电电流、标称电流、比能量不变；额定电压、直流参考电压、动作残压和能量吸收能力都会按照厚度降低的比例对应下降。 2 降低护层保护器伏安特性仿真及分析本节通过降低伏安特性后电缆金属护套的过电压、流经保护器的电流及其爆炸的可能性是否符合要求来研究降低护层保护器伏安特性以保护绝缘降低电缆外护层的可行性。将护层保护器分别按照图2伏安特性曲线的100%、80%和60%进行仿真(下文简称100%保护器，80%保护器和60%保护器)。 2.1 正常工作根据《电力工程电缆设计规范》规定，正常运行时金属护套的感应电压不应超过300 V，能与人体直接接触部分的感应电压不应超过50 V。正常工作下保护器电压(即金属护套电压)和保护器泄露电流仿真结果如表2所示。 表2 正常工作时电缆金属护套电压和流经保护器电流  接地型式保护器型式安装位置保护器电压/V保护器电流/μA单端接地100%保护器首端28.7917.2480%保护器首端28.8021.5560%保护器首端28.8028.75交叉互联接地100%保护器80%保护器60%保护器J115.389.21J213.598.14J115.3811.52J213.5910.18J115.3815.35J213.5913.57 由表2可以看出，无论采用100%保护器还是降低伏安特性后的80%或60%保护器，在正常运行时金属护套上的电压均小于50 V，流经保护器的泄露电流在50 μA以内。由于保护器没有动作，降低保护器的伏安特性后金属护套上的感应电压基本保持不变，保护器的泄露电流虽有上升，但仍为微安级。可见，降低护层保护器伏安特性后金属护套电压和泄漏电流仍能满足要求。 2.2 雷电过电压沿线入侵电缆电缆线路埋于地下，其雷电过电压一般沿架空线入侵。广州地区110 kV、220 kV架空线路都配置了避雷器，故侵入电缆导体中的过电压最大值为避雷器动作后的残压。假设雷电过电压沿A相入侵电缆线路，采用8/20 μs的斜角波来模拟入侵到电缆导体上的雷电过电压，幅值取110 kV避雷器(Y10W-108/268)的残压值268 kV。仿真表明，雷电过电压入侵时仅故障相保护器动作，其残压和放电电流如图3和表3所示。由于交叉互联电缆保护器的动作波形与单端接地电缆相似，本文只给出了单端接地电缆保护器的波形图。 由表1可知，BHQ-8/600护层保护器标称放电电流为10 kA，则雷电冲击电流小于10 kA时保护器能正常工作。由图2和表3可以看出，加装100%保护器后，雷电过电压入侵电缆时，单端接地电缆不接地的首端过电压幅值被限制为6.68 kV，交叉互联电缆J1和J2上的电压被限制为6.65 kV和6.55 kV，乘以1.4后均远低于37.5 kV；流经首端、J1和J2处的保护器的放电电流最大值分别为9.51 kA、8.09 kA和4.87 kA，均小于保护器的标称放电电流10kA，说明100%护层保护器选型正确。  图3 雷击过电压沿线入侵时保护器波形 表3 雷击过电压沿线入侵时保护器数据(幅值)  接地方式保护器型式安装位置保护器电压/kV保护器电流/kA单端接地100%保护器首端6.699.5180%保护器首端5.359.6260%保护器首端3.999.72交叉互联接地100%保护器80%保护器60%保护器J16.658.09J26.554.87J15.348.41J25.235.07J13.988.75J23.925.29 若电缆外护层的绝缘水平降低(如降低到37.5 kV×60%=22.5 kV)，本文试图相应降低护层保护器的伏安特性(降低到60%)与之匹配。由图3可知，降低保护器伏安特性后，电压电流波形基本保持不变，只是幅值上的变化。以交叉互联电缆为例，保护器的残压(3.98 kV和3.92 kV)乘以1.4的值(5.57 kV和5.49 kV)低于外护层的雷电冲击耐受电压22.5 kV。降低保护器绝缘水平后，其放电电流(8.75 kA和5.29 kA)仍小于标称放电电流。 因而若电缆外护层的绝缘水平降低，可以相应降低护层保护器的伏安特性与之匹配来实现外护层的保护，但必然引起保护器动作次数的增多，降低保护器的寿命[17]。 2.3 空载合闸过电压我国110 kV及以上的电力系统均属于直接接地系统，可不考虑电弧接地过电压。随着高压电器制造水平的提高以及并联电阻的应用[13]，断路器切除小电流时基本达到不重燃，切除空载线路和切除空载变压器时的过电压不再重要。因此，本文只研究最典型的操作过电压：空载合闸过电压[18]。计划性的合闸通常出现在线路检修后的试送电，此时线路不存在任何异常，线路电压的初始值为0。假设线路在B相电压达到最大值时合闸(6.6 ms)，此时三相保护器都会动作，波形相似，其中B相幅值最大。由于单端接地电缆操作过电压很小，本文只给出了交叉互联电缆的仿真结果，B相残压和电流如图4和表4所示。 由图4和表4可见，合闸空载线路时，若电缆外护层绝缘水平正常、配以100%护层保护器，保护器动作后J1和J2的残压分别为6.51 kV和6.30 kV，流经保护器的电流为3.90 kA和3.33 kA；若电缆外护层的绝缘水平降低，同时降低护层保护器的伏安特性(降低到60%)，保护器动作后的残压为3.90 kV和3.80 kV，流经保护器的电流为4.68 kA和3.94 kA。   图4 空载合闸时保护器波形 表4 空载合闸时保护器数据(幅值)  保护器型式安装位置保护器电压/kV保护器电流/kA100%保护器J16.513.90J26.303.3380%保护器J15.234.29J25.083.6360%保护器J13.904.68J23.803.94 由于保护器伏安特性降低后的标称电流仍为10 kA，仿真表明，操作过电压作用下流经保护器的电流均远低于该值，操作波持续时间不长，且通过式(1)计算得出保护器需要吸收的能量较低(降低前后均小于0.25 kJ)，保护器可以吸收操作冲击能量。另一方面，相关标准规范中没有规定电缆外护层操作耐压水平[8]，鉴于保护器动作后的残压并不大，认为可以耐受；或者严格来说只要电缆外护层的操作耐压不低于5.46 kV(3.90 kV × 1.4=5.46 kV)就可以用60%的保护器进行保护。因而认为在操作过电压作用下，降低保护器伏安特性后保护器能正常工作以保护绝缘降低的外护层。 2.4 单相短路过电压及能量分析不对称短路是输电线路常见的故障模式，其中单相接地故障最为常见[19]，故障将产生很大的相电流和零序电流。本文对永久性单相接地故障进行了仿真。 考虑最严重情况，假设C相电压达最大值(13.3 ms)时C相发生单相接地。110 kV断路器LW-126W的额定短路开断电流为40 kA，由于该值考虑了一定的裕度，实际运行中110 kV电缆短路电流一般不超过30 kA，故仿真计算中短路电流取30 kA。 前期仿真表明，单端接地电缆长度取900 m时短路过电压过大，保护器动作电流巨大，保护器会发生爆炸，无法降低保护器伏安特性，因而此处长度取400 m研究短电缆降低保护器伏安特性的可行性。电缆短路时三相保护器均需吸收短路能量，其中故障相最为严重，C相波形如图5所示，仿真结果如表5所示。  图5 单相短路时保护器波形 表5 单相短路时保护器数据(幅值) 接地方式保护器型式安装位置保护器电压/kV保护器电流/kA单端接地100%保护器首端6.334.7080%保护器首端5.296.3260%保护器首端3.978.43交叉互联接地100%保护器80%保护器60%保护器J16.371.89J26.412.36J15.122.19J25.152.69J13.946.54J23.946.37 当发生单相短路时，若电缆外护层绝缘水平正常，配以100%护层保护器，单端接地电缆故障相保护器将动作，动作后不接地首端电压幅值为6.33 kV，流经保护器电流幅值为4.70 kA。而交叉互联接地电缆J1和J2的电压幅值分别为6.37 kV和6.41 kV，电流幅值分别为1.89 kA和2.36 kA，相对单端接地电缆要低一些。可见，交叉互联电缆保护器需要吸收的短路能量要低于单端接地电缆保护器所需吸收的能量。 由图5和表5可以看出，降低保护器伏安特性虽然能降低金属护套的短路过电压，但是流经保护器电流增加明显。由图5(a)可见，由于单端接地不接地端金属护套短路过电压较高，保护器从发生短路故障直到继保切断故障这段时间都会动作，且流经保护器的电流较大，保护器需要吸收巨大的短路能量，很有可能发生热崩溃而爆炸。 BHQ-8/600型号的比能量为7 kJ/kV，根据保护器的额定电压可计算得出不同伏安特性保护器的能量吸收能力，如表6所示。 表6 保护器能量吸收能力 保护器型式额定电压/kV能量吸收能力/kJ100%保护器2.8019.6080%保护器2.2415.6860%保护器1.6811.76 由于电缆线路没有自动重合闸[20]，断路器跳闸时间一般整定为0 s，从短路故障到继保切断故障的时间一般低于0.1 s，故本文仿真中短路时间取0.1 s。改变线路的短路电流进行仿真，根据式(1)计算出0.1 s保护器需要吸收的能量值，结果如表7所示。 表7 不同短路电流下护层保护器所吸收的能量 接地方式短路电流/kA保护器型式安装位置0.1s内吸收总能量/kJ单端接地30201510100%保护器首端1190100%保护器首端69.79100%保护器首端4.4680%保护器首端48.8060%保护器首端189.49100%保护器首端0.0480%保护器首端0.7060%保护器首端11.15交叉互联接地302520100%保护器80%保护器60%保护器100%保护器80%保护器60%保护器100%保护器80%保护器60%保护器J15.85J21.70J158.48J27.44J1762.26J252.41J11.00J21.13J17.06J21.92J1113.15J214.62J10.39J21.04J10.89J21.18J19.92J22.28 对于400 m单端接地电缆，由表7可以看出，如果短路电流超过20 kA，100%护层保护器在0.1 s内需吸收能量将超过其吸收能力，保护器将会在动作后发生爆炸。降低伏安特性后流经保护器的电流提高，所需吸收的能量也必然升高，保护器最终也会动作发生爆炸。只有将短路电流限制在10 kA以内，保护器的吸收能力才能满足降低伏安特性后对能量吸收的要求。 对于交叉互联电缆，由表7可以看出，短路电流为30 kA时，100%保护器动作0.1 s吸收的能量小于保护器的吸收能力。短路电流为25 kA时，100%和80%保护器动作后能吸收0.1 s短路能量，60%保护器则会发生爆炸。 文献[7]提出可以通过并联保护器增大保护器能量吸收能力来满足能量吸收要求。但是表7表明，降低伏安特性后保护器所需要吸收的短路能量远远大于单个保护器的吸收能力，需要多个甚至十多个并联保护器才能满足要求。因此，通过并联保护器来提高吸收能力的方法缺乏可操作性。 若考虑到电缆线路发生单相短路的可能性较小、且保护器爆炸不会直接影响电缆运行，仍然可以通过降低保护器的伏安特性来保护绝缘降低的电缆外护层。 3 结论本文分别建立了雷电过电压、操作过电压以及单相短路情况下单端接地和交叉互联接地电缆线路的仿真模型，通过研究配置不同伏安特性保护器时电缆金属护套的过电压、流经保护器的电流及其爆炸的可能性是否符合要求来论证是否能通过配置低伏安特性护层保护器来保护耐压水平降低的外护层，得出以下结论： 1)雷电过电压沿线入侵电缆时，降低护层保护器伏安特性，保护器动作后的残压降低，可以保护绝缘水平降低的电缆外护层，同时保护器仍能耐受雷电冲击电流。 2)电缆系统出现操作过电压时，降低护层保护器伏安特性能降低保护器动作后的残压；流经保护器的电流较低，且操作波持续时间不长，操作冲击能量小，可以认为其能耐受操作过电压。 3)电缆系统出现短路故障时，护层保护器需吸收较大的能量；对于单端接地电缆，较小的短路电流仍能使保护器发生爆炸，降低伏安特性可行性不高；对于交叉互联电缆，短路电流小于25 kA时保护器伏安特性可降低为80%，小于20 kA时可降低为60%。 结合以上几点，鉴于电缆线路发生短路的概率较低，本文提出电缆外护层绝缘降低时保护器的参数配置建议：对于重要的电缆线路，建议适当降低保护器的绝缘水平以保护绝缘降低的电缆外护层，同时注意短路时保护器爆炸的可能性；对于一般的单端接地电缆，不建议降低保护器伏安特性来保护绝缘降低的外护层；对于一般的交叉互联接地电缆，可先计算短路电流大小，再根据短路电流适当降低保护器的伏安特性。 参考文献 [1] 朱晓辉，孟峥峥，王浩鸣，等. 运行高压交联聚乙烯电力电缆的介电性能[J]. 高电压技术, 2015, 41(4): 1090-1095. 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