500 kV交流海底電纜金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓研究

吳高波，岳 浩，李 健，羅楚軍，吳慶華

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋戰(zhàn)略的全面實(shí)施，海底電纜輸電工程呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，高電壓、大長(zhǎng)度海底電纜是研究的重要方向之一[1-7]。目前，中國(guó)已建成投運(yùn)海南聯(lián)網(wǎng)500 kV海底電纜工程(電纜長(zhǎng)度約30 km)和鎮(zhèn)海—舟山500 kV海底電纜工程(電纜長(zhǎng)度約17 km)。

在海底電纜結(jié)構(gòu)中，主絕緣層外通常設(shè)置有金屬護(hù)層和鎧裝層(有時(shí)統(tǒng)稱為金屬護(hù)層)，以及兩者之間的外護(hù)套。由于海底電纜一般較長(zhǎng)且敷設(shè)于海底，無法像陸地電纜一樣采取分段交叉互聯(lián)的接地方式。為了限制金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓，海底電纜通常都采用金屬護(hù)層兩端直接接地的方式[6]。但對(duì)于大長(zhǎng)度的海底電纜，仍需對(duì)金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算研究，以確保金屬護(hù)層在不同工況下的工頻和沖擊感應(yīng)電壓滿足限值要求。

目前，對(duì)陸地電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓的研究較多[8-15]，海底電纜的相關(guān)研究還較少。文獻(xiàn)[16]提出了半無限長(zhǎng)海底電纜線芯承受階躍型過電壓侵入波時(shí)，隨距離變化的金屬護(hù)層感應(yīng)電壓計(jì)算公式，即工程中常用的電容耦合法公式[17]。文獻(xiàn)[18]研究表明，在金屬護(hù)層兩端直接接地方式下，金屬護(hù)層工頻感應(yīng)電壓一般較小，易滿足限值要求；沖擊感應(yīng)電壓則可能超過外護(hù)套的絕緣耐受水平，是海底電纜安全運(yùn)行的控制因素。需采用電容耦合法進(jìn)行驗(yàn)算，必要時(shí)采取金屬護(hù)層與鎧裝層分段短接或采用半導(dǎo)電護(hù)套的方式以降低金屬護(hù)層的沖擊感應(yīng)電壓。電容耦合法雖然應(yīng)用較為方便，但由于其是基于半無限長(zhǎng)海纜推導(dǎo)的，計(jì)算結(jié)果偏于保守，且無法考慮侵入波波形等因素的影響[19]。文獻(xiàn)[20]應(yīng)用PSCAD/EMTDC軟件，對(duì)500 kV 交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethyene，XLPE)海底電纜在短路、操作和雷擊工況下的主絕緣暫態(tài)過電壓及護(hù)層感應(yīng)電壓進(jìn)行了計(jì)算，并分析了中間短接點(diǎn)對(duì)護(hù)層感應(yīng)電壓的影響，但暫未對(duì)護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓進(jìn)行系統(tǒng)分析。

下面采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC，對(duì)500 kV交流海底電纜金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)沖擊感應(yīng)電壓的影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)感應(yīng)電壓限值措施進(jìn)行研究，結(jié)果可為海底電纜工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓計(jì)算

1.1 電纜模型

鎮(zhèn)海—舟山500 kV輸電線路由海底電纜線路和兩側(cè)的架空線路組成，其中海底電纜線路長(zhǎng)度約17 km，兩側(cè)架空線路長(zhǎng)度分別約2.5 km和33 km。架空線路采用4 mm2×300 mm2截面導(dǎo)線，海底電纜采用單芯1800 mm2截面XLPE。海底電纜兩側(cè)終端處均安裝線路避雷器(Y20W-444/1106)，金屬護(hù)層和鎧裝層采用兩端互聯(lián)直接接地方式。

鎮(zhèn)海—舟山500 kV輸電線路海底電纜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 500 kV交聯(lián)海底電纜結(jié)構(gòu)

電纜模型各層結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電纜模型各層結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 沖擊電壓侵入波

對(duì)于架空線—海底電纜混合系統(tǒng)，海底電纜主絕緣的沖擊過電壓幅值與系統(tǒng)參數(shù)、架空線/海底電纜長(zhǎng)度、故障類型或雷擊位置、避雷器保護(hù)水平等有關(guān)。為了便于分析，進(jìn)行金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓計(jì)算時(shí)，侵入波幅值可取避雷器殘壓值[12]。而在工程設(shè)計(jì)時(shí)，為了偏嚴(yán)格考慮，可將侵入波幅值取為電纜主絕緣沖擊耐受電壓值的0.85倍[18]。仿真時(shí)參考工程設(shè)計(jì)習(xí)慣，采用1.2 μs/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波，幅值取為1550×0.85=1318 kV。此外，在分析侵入波波形的影響時(shí)，亦對(duì)250 μs/2500 μs的標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓計(jì)算

鎮(zhèn)海—舟山500 kV線路工程海底電纜長(zhǎng)度約17 km，雷電侵入波沿架空線侵入電纜導(dǎo)體，計(jì)算得到海底電纜沿線距首端(即雷電波侵入端)不同距離處的金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓如圖2所示。

圖2 舟山聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜不同位置處的護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓

由圖2可以看出，由于海底電纜金屬護(hù)層兩端直接接地，其沖擊感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在距首端約13 km處，幅值為9.96 kV。

2 沖擊感應(yīng)電壓的影響因素分析

2.1 電纜長(zhǎng)度

電纜長(zhǎng)度是海底電纜輸電工程的重要參數(shù)之一。保持其他條件不變，改變電纜長(zhǎng)度，對(duì)海底電纜沿線的金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓最大值進(jìn)行仿真計(jì)算。同時(shí)，亦采用電容耦合法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(1)

式中：U23為金屬護(hù)層與鎧裝層間的電壓；Utr為過電壓侵入波的幅值；C12為導(dǎo)體對(duì)金屬護(hù)層的電容；C23為金屬護(hù)層對(duì)鎧裝層的電容；x為電纜長(zhǎng)度；v為過電壓侵入波的波速；Rs為金屬護(hù)層的電阻。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同長(zhǎng)度海底電纜金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓

可見，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓增大。此外，電容耦合法的計(jì)算結(jié)果明顯大于仿真計(jì)算結(jié)果。這主要是因?yàn)殡娙蓠詈戏ㄓ?jì)算時(shí)認(rèn)為波的傳播距離即為電纜總長(zhǎng)度，感應(yīng)電壓隨電纜長(zhǎng)度增加而增大；而仿真計(jì)算時(shí)海底電纜金屬護(hù)層兩端直接接地，感應(yīng)電壓受到接地點(diǎn)的限制且感應(yīng)產(chǎn)生的電磁波會(huì)在電纜末端發(fā)生反射。

對(duì)于500 kV海底電纜，絕緣護(hù)套的沖擊耐受電壓若取72.5 kV[21]，并考慮1.4的安全系數(shù)[22]，則要求金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓不應(yīng)大于51.7 kV。顯然，若按電容耦合法的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)電纜長(zhǎng)度達(dá)到20 km時(shí)，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓已十分接近限值。而仿真計(jì)算結(jié)果表明，電纜長(zhǎng)度為30 km時(shí)仍有較大的裕度。

2.2 侵入波波形

由于電容耦合法不能考慮侵入波波形的影響，工程中一般認(rèn)為金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓由幅值較高的雷電侵入波控制。為了研究侵入波波形的影響，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算時(shí)幅值與雷電沖擊波取值一致(即1318 kV)，電纜長(zhǎng)度亦取17 km，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在相同的侵入波幅值和電纜長(zhǎng)度下，金屬護(hù)層操作沖擊感應(yīng)電壓的最大值為7.7 kV，小于雷電沖擊感應(yīng)電壓，且最大值出現(xiàn)在距電纜首端約9 km處。可見，侵入波波形對(duì)金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓的波形和幅值均有影響。操作沖擊侵入波的陡度較小，其護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓也較小。

圖3 海底電纜金屬護(hù)層操作沖擊感應(yīng)電壓

2.3 電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

目前，中國(guó)投運(yùn)的500 kV海底電纜工程主要有海南聯(lián)網(wǎng)工程和鎮(zhèn)海—舟山工程。其中，前者采用充油海底電纜，后者采用XLPE海底電纜。為了研究不同電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓的影響，采用海南聯(lián)網(wǎng)工程的電纜結(jié)構(gòu)(如表3所示)，電纜長(zhǎng)度亦取17 km，仿真得到海底電纜沿線的金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓，如圖4所示。

表3 電纜模型各層結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜不同位置處的護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓

對(duì)比圖4和圖2可以看出，在長(zhǎng)度相同的情況下，采用海南聯(lián)網(wǎng)工程的電纜參數(shù)，其金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)明顯增大，最大值出現(xiàn)在距首端約14 km處，幅值為34.4 kV。可見，電纜結(jié)構(gòu)對(duì)金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓的影響較為顯著。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)和長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，以確定其金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓是否超過限值要求。

3 沖擊感應(yīng)電壓限制措施

與陸地電纜不同，當(dāng)海底電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，金屬護(hù)層感應(yīng)電壓超過限值要求時(shí)，通常需在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)即采取必要的措施，主要有金屬護(hù)層與鎧裝層分段短接和采用半導(dǎo)電外護(hù)套兩種方式。

3.1 金屬護(hù)層與鎧裝層分段短接

金屬護(hù)層與鎧裝層分段短接是指在海底電纜中間，每隔一定距離將金屬護(hù)層與鎧裝層短接一次。為了研究分段短接對(duì)護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓的影響，計(jì)算時(shí)，電纜總長(zhǎng)度取30 km，各短接段按等長(zhǎng)考慮，即設(shè)置1個(gè)短接點(diǎn)時(shí)，位于15 km處；設(shè)置2個(gè)短接點(diǎn)時(shí)，分別位于10 km、20 km處，以此類推。

當(dāng)設(shè)置1個(gè)短接點(diǎn)時(shí)，海底電纜沿線的金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓如圖5所示。

圖5 短接1次時(shí)金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓

由圖5可以看出，當(dāng)在海纜中部(15 km處)設(shè)置一個(gè)短接點(diǎn)時(shí)，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在第一個(gè)短接段內(nèi)，距首端約11 km處，幅值為8.6 kV，明顯小于無短接點(diǎn)時(shí)的17.8 kV。

進(jìn)一步對(duì)不同短接次數(shù)下的護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，隨著短接次數(shù)的增加，海底電纜金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓降低，但幅度逐漸減小。由于金屬護(hù)層和鎧裝層的短接對(duì)海底電纜制造工藝要求較高，短接點(diǎn)增多會(huì)增加海底電纜長(zhǎng)期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，因此工程中應(yīng)盡量減少短接次數(shù)。

表4 不同短接次數(shù)下金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓

3.2 采用半導(dǎo)電外護(hù)套

半導(dǎo)電外護(hù)套即在金屬護(hù)層外采用半導(dǎo)電材料的外護(hù)套(可通過在原絕緣外護(hù)套材料中添加具有導(dǎo)電特性的炭黑等實(shí)現(xiàn))，以降低金屬護(hù)層與鎧裝層之間的電壓差。通過在電纜模型的金屬護(hù)層及鎧裝層之間設(shè)置并聯(lián)電阻的方式來等效半導(dǎo)電外護(hù)套，對(duì)半導(dǎo)電外護(hù)套采用不同電阻率時(shí)的金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 不同外護(hù)套電阻率下金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓

由表5可以看出，隨著外護(hù)套電阻率的降低，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓減小。當(dāng)外護(hù)套電阻率為1×105Ω·m時(shí)，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓僅0.8 kV。但是，外護(hù)套電阻率較低時(shí)，正常工作時(shí)外護(hù)套中流過的電流將較大，需考慮外護(hù)套的電流腐蝕。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮金屬護(hù)層感應(yīng)電壓，外護(hù)套泄漏電流和材料的耐受特性，合理選擇外護(hù)套的電阻率。

4 結(jié) 論

采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC，對(duì)沖擊電壓沿架空線侵入導(dǎo)體時(shí)，海底電纜金屬護(hù)層的沖擊感應(yīng)電壓及其影響因素進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)感應(yīng)過電壓限制措施進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1)海底電纜通常采用金屬護(hù)層兩端直接接地的方式，其護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓最大值一般出現(xiàn)在電纜后半段。電容耦合法計(jì)算時(shí)認(rèn)為波的傳播距離為電纜總長(zhǎng)度，未考慮金屬護(hù)層末端接地的情況，計(jì)算結(jié)果偏于保守。

2)電纜長(zhǎng)度、侵入波波形和電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)海底電纜金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓的影響較大。護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓隨著電纜長(zhǎng)度的增加而增大；操作沖擊侵入波陡度較小，其護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓小于雷電沖擊侵入波；電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓的影響顯著，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。

3)采用金屬護(hù)層與鎧裝層分段短接方式可以有效降低金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓。設(shè)置短接點(diǎn)后，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓一般出現(xiàn)在第一個(gè)短接段內(nèi)；隨著短接點(diǎn)的增加，護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓降低，但降幅逐漸減小。

4)采用半導(dǎo)電外護(hù)套同樣可以有效降低金屬護(hù)層的沖擊感應(yīng)電壓。當(dāng)外護(hù)套電阻率由1×107Ω·m減小至1×105Ω·m時(shí)，金屬護(hù)層沖擊感應(yīng)電壓快速降低。在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮金屬護(hù)層感應(yīng)電壓，外護(hù)套泄漏電流和材料的耐受特性，合理選擇外護(hù)套的電阻率。