高壓電纜護層保護器的性能與應用分析

摘要：單芯高壓電纜多采用保護器對電纜護層絕緣進行過電壓保護，本文對高壓電纜護層保護器的性能及選擇應用進行了分析，結合一起護層保護器預試不合格案例，采用試驗、解剖方法對其進行了研究，發現運行中的保護器不合格原因主要由受潮引起，并對保護器的檢驗安裝給出建議。

關鍵詞：護層保護器；氧化鋅；過電壓

隨著城市電網建設加快，高壓電纜線路輸電也朝著大長度、高負荷方向發展。為限制單芯高壓電纜護層多種形式的過電壓，通常采用交叉互聯加護層保護器方式對護層絕緣進行保護。由于材料和制造工藝發展進步，以氧化鋅閥片作為保護元件的護層保護器具有無串聯間隙、保護特性好、優良的伏安特性等優勢，并得到廣泛應用。但從實際運行情況來看，保護器經過一段時間的運行后不合格率偏高，失去了過壓保護效果，對電纜安全運行存在隱患。因此，需要從保護器性能、設計選擇到安裝應用、檢修等方面進行分析，提高保護器運行可靠性。

1 電纜護層保護器的性能

1.1 單芯電纜金屬護層過電壓

單芯電纜線芯中交變電流產生的磁場，磁場產生的磁鏈不僅和線芯相鏈，也和金屬屏蔽層及鎧裝層相鏈，必然會在電纜金屬屏蔽和鎧裝層上產生感應電壓。考慮到人身安全，電力安全規程規定，交流單相電纜的金屬護層都必須直接接地，且在金屬護套上任一點非接地處的正常感應電壓在未采取不能任意接觸金屬護套的安全措施時不得大于50V。此時，如果將鋁護套兩端接地，則鋁護套上將會出現很大的環流，其值可達線芯電流的50%-95%，使得鋁護套發熱，降低電纜輸送容量，最大可達60%-70%，并加速電纜的老化，因此，單芯電纜不應兩端接地。

當鋁護套或金屬屏蔽層有一端不接地后，接著帶來的問題是：當雷電波或內過電壓沿線芯流動時，電纜鋁護套或金屬屏蔽層不接地端會出現很高的沖擊電壓；在系統發生短路，短路電流流經線芯時，電纜鋁護套或金屬屏蔽層不接地端也會出現較高的工頻感應電壓。當電纜外護層絕緣不能承受這種過電壓的作用而損壞時，就會出現多點接地，形成環流。為了降低電纜鋁護套對地的過電壓，常在金屬護套不接地端與大地之間裝設護層保護器。

1.2 護層保護器的性能要求

護層保護器在正常工作條件下呈現很大的電阻，以保證電纜護套在單點互聯接地狀態下工作。當雷電波和內過電壓波進入電纜線芯，不接地端的護套出現較高電壓時，保護器卻呈現較小的電阻，是電流較容易經保護器泄入大地，此時保護器不應損壞，同時不接地端又應恢復呈現高阻。當然還要求保護器的殘壓應小于電纜護層沖擊絕緣水平，這樣保護器才能起到保護電纜護層絕緣的作用。

同時還應注意，在工頻短路時金屬護套的不接地端或絕緣接頭的兩端也會出現較高的工頻電壓。當接有保護器時，這一工頻過電壓也將作用在保護器上，工頻過電壓存在的時間很短，通常按線路后備保護動作時間考慮，這樣就要求保護器在這段時間內能承受這一工頻電壓而不損壞。保護器耐受工頻過電壓的能力用規定時間下的耐壓值（例如2s或4s工頻耐壓值）表示。

保護器的保護性能通常用殘工比K表示。

殘工比

保護器的殘工比K越小，其性能越好，理想的護層保護器殘工比K= 。早期的保護器采用的是碳化硅閥片，它的殘工比約為4.5左右。1985年后改用氧化鋅閥片，它的殘工比為2.75，顯然比前者優異的多。

2 電纜護層保護器的選擇及連接要求

2.1 保護器的選擇

電纜護層保護器是由非線性限流元件、金屬電極和硅橡膠外絕緣構成，其絕緣水平、保護效果取決于電氣參數設計和優化選取。護層保護器的參數選擇，應符合下列規定：

（1）可能最大沖擊電流作用下的殘壓，不得大于電纜護層的沖擊耐壓被1.4所除數值；

（2）可能最大工頻過電壓的5s作用下，應能耐受；

（3）可能最大沖擊電流累積作用20次后，保護器不得損壞；

（4）保護器閥片數由護層所受工頻過電壓確定，保護器閥片數為：

式中m—保護器閥片數；Us—護層工頻過電壓值，kV；U’—單片閥片所能承受的工頻電壓值，kV。

2.2電纜金屬護套與保護器連接的要求

（1）連接線應盡量短，宜在5m內且采用同軸電纜；

（2）連接線應與電纜護層的絕緣水平一致；

（3）連接線的截面，應滿足最大電流通過時的熱穩定要求。

3 電纜護層保護器的運行情況

目前，廣州地區運行的110kV及以上電纜線路基本都是采用氧化鋅保護器。自1985年第一條110kV投運以來，電纜線路所采用的保護器廠家眾多，產品質量及外形規格參差不齊，給高壓電纜的安全運行帶來隱患。

從廣州地區多年的高壓電纜運行經驗來看，基本每次的預防性試驗均發現有保護器不合格的現象。現將廣州一起110kV高壓電纜線路國產保護器試驗不合格的案例與大家分享。110kV電纜線路于2009年7月投產，在2012年2月進行的交叉互聯系統試驗中，三個互聯段共18個保護器，試驗結果有16個不合格。取回7個不合格保護器采取干燥后再進行絕緣電阻測量、U1ma電壓測量、I0.75U1ma泄漏電流測量，結果如表1：

從上述試驗結果可以看出，1-3號保護器經過干燥后試驗合格，4號保護器氧化鋅伏安特性不滿足要求，5-7號保護器干燥后試驗仍不合格。然后我們對5號保護器進行解剖分析，解剖發現保護器存在以下幾個問題：

（1）金屬連接部位與外絕緣之間存在明顯間隙（見圖1），導致水分可以輕易進入保護器內部；

（2）保護器環氧層有明顯裂縫（見圖2）；

（3）保護器環氧層內部發生氧化且有水跡（見圖3），水分已進入保護器內部。

通過干燥、試驗、解剖分析可知，保護器不合格主要原因是進水受潮。受潮到一定程度，內部構件受到侵蝕，改變保護器高壓保護特性；同時發生沿氧化鋅閥片表面的放電，使阻性泄漏電流增加，嚴重情況下會引起保護器爆炸。護層保護器通常安裝在接地保護箱內，結合實際運行情況可知，引起保護器受潮有如下幾個原因：

（1）互聯箱內浸水。按照互聯箱的技術要求，互聯箱浸泡在1米深的水中不應該浸水。從密封膠圈本身來看，這么短的運行時間，應該還不會發生老化，互聯箱進水原因可能是同軸電纜與互聯箱之間的防水處理不好，或者互聯箱蓋的螺栓未收緊；

（2）保護器自身沒有任何防水措施，一旦互聯箱進水，就可能導致保護器損壞；

（3）互聯箱平放導致箱內積水無法自行排出，長期積水導致保護器損壞，甚至導致箱內連接板發熱。

為了確保護層保護器功能長期穩定，必須做好保護器的受潮防護。相應的可以從如下幾個方面采取措施：

（1）選用合格的保護器，嚴格進行到貨檢驗，確保金屬連接部位與外部絕緣之間保持整體性，密封良好。

（2）對安裝保護器的互聯箱結構進行檢查，進線和出線防水處理施工工藝要到位，

（3）互聯箱密封圈和蓋體安裝到位，避免螺栓緊固和膠圈受力不平衡。

（4）有條件情況下，附井內的互聯箱保持豎向懸掛安裝，避免井底打平放置。安裝互聯箱的附井排水通暢，避免互聯箱長期浸水。

4 結束語

電纜護層保護器對降低護套過電壓，保證電纜大容量、可靠輸電有重要意義。隨著技術的發展，國產護層保護器的性能也在不斷的提高，但是在一些加工制作細節方面仍有提高的空間。另外，也存在一些問題有待于研究和討論。例如：電纜護層保護器使用至今，運行維護方面的資料和經驗還很少，國內目前還沒有統一的或推薦性的運行維護標準，用1000V兆歐表6年一次的絕緣電阻檢測能否充分判定護層保護器的運行狀況？保護器運行若干年后是否應該拿到實驗室進行類似出廠試驗的試驗？諸如此類，都有待進一步在以后的運行實踐中考證和規范。

參考文獻：

[1] Q/CSG11402-2001.電力設備預防性試驗規程[Q]。

[2] GB50217-1994.電力工程電纜設計規范[S].

[3] 江日洪.交聯聚乙烯電力電纜線路[M].北京.中國電力出版社。

[4] 卓金玉.電力電纜設計原理[M].北京.機械工業出版社