![]()
我们在生活中经常会碰到左右为难的事情，凡事讲究个“度”。在电缆附件中，也有这样的倒霉蛋，不能太左，也不能太右。它叫护层电压限制器。本文从基本概念、保护器参数、工作特性、参数选择等几个方面，扒扒它的“前世今生”。目前，国内外普遍用氧化锌避雷器作为电缆的护层电压限制器。在正常工作条件下，呈大电阻，保证单点互联状态下工作；当雷电波和操作过电压波进入电缆线芯，呈低阻，使电流泄入大地，此大电流下，保护器不损坏。这是 大家熟知的保护器基本工作原理。为什么说保护器有时候“左右为难”呢？在单相短路工况下，不直接接地端也会感应较高工频电压，根据GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》、GB 11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》，保护器应能承受规定时间下的工频过电压，且为了适应大长度电缆更高的工频电压，耐受时间由5s改为2s。（保护器是否应该动作，是另一个问题，后面再谈。）电缆投运后，电缆外护套绝缘水平迅速下降，保护器的残压应根据实际外护套绝缘水平来选择，尽量选择较低残压，较低残压又容易导致护层保护器工频耐压较低，发生击穿。（额定电压、持续运行电压、残压、工频耐压、起始动作电压是相互关联，相互制约的，不考虑压比，额定电压越高，残压越高）所以说，按照国标，保护器在规定时间工频电压下不动作，在雷电过电压下应该动作，且残压×1.4（配合系数）小于外护套的冲击耐压值，保护器的绝缘水平在工频耐压与较低的残压之间游走。护层电压限制器（SVL）的核心是金属氧化锌避雷器，展开之前。
伏安特性是初中物理概念，利用欧姆定律，测量电阻两端不同的电压电流，利用欧姆定律线性关系，得出电阻。（电压-电流曲线）
![]()
在上图中，在正常线路电压下，氧化锌电阻阀片特性曲线对应的电流为10～50μA，而碳化硅电阻阀片特性曲线对应的电流为200～400A，实际上相当于一个绝缘体，在冲击电压下，氧化锌电阻阀片上的电流显著增大，此时相当于一个导体。这一特征称为非线性特征即电流越大，电阻越小;电流越小，电阻越大。
当线路正常输电时，高阻状态，电缆末端相当于开路。而当雷电侵入波过电压沿线路袭来时，氧化锌避雷器动作，过电压作用产生的过电流经非线性电阻流入大地。由于非续性电阻的非线性饱和特性，其电阻在流过大电流时将变得很小，所以过电流在非线性电阻上产生的压降将不会高，这一压降称为残压。残压低于被保护设备的耐受电压水平，设备便得到避雷器的保护。当过电压消失后，火花间隙中由于受线路正常输电工频电压的作用而仍将流过工频续流。此工频续流由于受到非线性电阻的限制，其值甚小，而此时的非线性电阻则变大，这样就迸一步限制了工频续流，使之在第一次过零时就能够将电弧熄灭，恢复线路的正常输电。伏秒特性是重要的绝缘配合概念。电介质的击穿，冲击电压作用时间越长，击穿电压幅值越低。也就是说，优秀的绝缘配合，在一段时间内，避雷器的动作电压都要低于被保护设备的击穿电压（电压-时间曲线）。下图具体说明避雷器与被保护设备之间伏秒特性的配合关系。 左图，避雷器伏秒特性2上有一部分高于被保护设备的伏秒特性1，当沿线路侵入的过电压波具有较短的波头时间时，在这种过电压作用下，被保护设备将首先被击穿，避雷器将起不到保护作用。
中图，避雷器的整个伏秒特性2低于被保护设备的伏秒特性1，在过电压作用下可以起到保护作用，但由于避雷器伏秒特性2过低，甚至低于被保护设备上可能出现的最高工频电压3，这样即使在没有过电压作用时，避雷器也会在工频电压作用下发生误动作，因此它会妨碍被保护设备及其所在系统的正常运行，也是不可取的。 右图，才是比较合理的。为了实现理想的配合，不仅要求避雷器伏秒特性的位置要低，而且其整体形状要平坦，具有这种特性的避雷器才能发挥良好的保护作用。
首先，来看下220kV常用的接地箱里保护器的参数。 分别解释下上述参数的含义。因为GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》的术语字母表示与GB 11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》有差异，我们按照GB 11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》来解释，因为该国标是采用IEC 60099-4；2006的说法，具备国际通用性。1）额定电压（rated voltage of an arrester）Ur（在GB 50217-2018，此符号为残压）：
2）持续运行电压（continuous operating voltage of an arrester）Uc：
允许持久地施加在避雷器端子间的工频电压有效值。##采用单相短路电流引起的感应电压作为保护器的持续电压，这点与常规避雷器有区别##。3）残压（residual voltage of an arrester）Ures：
4）直流1mA参考电压（起始动作电压）（DC 1mA reference voltage of an arrester）U1mA,ref：
保护器通过1mA电流时测出的保护器的直流电压平均值。5）方波电流（current of a rectangular impulse）
一般为2ms的方波电流，与残压方波通流时间的乘积，表征保护器能量吸收能力。6）通流容量
一般保护器没有这个参数，这个厂家的参数，表征保护器通过2次100kA大电流不损坏。7）残压比（残工比）
10kA冲击电流下的残压幅值与2s工频耐压有效值的比值。8）一定时间内的工频耐压UAC，t
新版国标的切除故障时间由5s改为2s，保护器的工频耐受电压相应增加。
几个参数的相互关系如下：
额定电压Ur=工频电压最大值/配合系数（1.2）；
起始电压U1mA=sqrt（Ur）；
对于220kV电缆线路，1.4×Ures＜47.5kV==>Ures＜33.9kV。
设计人员需要关注额定电压、残压、起始动作电压、2ms方波电流、一定时间内的工频耐压5个数据。4个电压参数都是相互关联的，提高额定电压，残压、起始动作电压、工频耐压都会升高。
单芯高压电缆的导体与金属护套共同组成了一个多导体平行系统，可以想象成变压期的两个绕组。回忆一下单芯电缆感应电压的电磁原理：
单芯高压电力电缆的交变电流——>形成变化的磁场（变化的电流产生磁场，回忆麦克斯韦方程组4）——>护套感生电动势（麦克斯韦方程组3，法拉第电磁感应定律）——>如果护套形成环路产生环流（不形成回路，也有较小的电容电流）。应用单点接地和交叉互联接地的原因：
感应电压与线路的长度和电流成正比，高压电缆线路需要限制过电压（运行安全）或因此形成环流（损耗），就需要单点接地（一盘电缆长度），或者交叉互联接地（3×N盘电缆长度，免设置回流线）
单芯电缆的感应电压计算，大家都很熟悉，而且感应电压限值升高到300伏后，任意排列方式下，对电缆单段长度都不构成制约。架空电缆混合线路，会有雷电过电压侵入风险，按照架空避雷器残压计算，目前的保护器通流容量对电缆长度也限制（20kA标准雷电流冲击下，保护器吸收能力可以满足的最大电缆长度为2500m）。本文只讨论，单相接地情况下的感应过电压对保护器参数选择的影响。GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》的条文说明对保护器配置原则是：
1 保护器配置原则
感应电压限值100V→300V(增大三倍)，工频过电压Uov也增大三倍，由配置原则1，UR需要增大，可采用串联阀片，串联阀片后，残压会加大，就需要校核其是否＜UL。从上述配置原则可以看出，感应电压限制改为原来3倍后，电缆长度可以为原来的3倍，工频过电压也为原来的3倍，呈线性关系。但相关文献中，有两种观点，工频过电压与电缆长度不具备关联度，一种是与规范条文说明一致，具备线性关系。
应用ATP-EMTP仿真，输入条件为220kV，1000m2交联聚乙烯电缆，短路电流为12kA。首段保护器接地，末端直接接地，无回流线，短路发生在末端，首端的工频过电压为：（图1电缆长度为250m，图2电缆长度为500m，图3电缆长度为1000m，图4电缆长度为1500m，）因为是永久接地，工频过电压有暂态分量和稳态分量。从表1可以看出，工频过电压暂态最大值基本不随电缆长度的变化而改变，但数值都超过了外护套耐受电压，稳态值基本与电缆长度呈线性关系，与国标条文说明一致。增加回流线或采用交叉互联接地方式，工频过电压暂态最大值将降低，但也超过了保护器的起始电压值。
表1 电缆长度与工频过电压暂态分量与稳态分量计算值
序号 | 电缆长度（m） | 工频过电压暂态最大值kV | 工频过电压稳态最大值kV |
1 | 250 | 59 | 2.3 |
2 | 500 | 60 | 3.7 |
3 | 1000 | 61 | 6.8 |
4 | 1500 | 60 | 10.2 |
![]()
图1 电缆长度250米工频过电压
![]()
图2 电缆长度500米工频过电压
![]()
图3电缆长度1000米工频过电压
![]()
图4 电缆长度1500米工频过电压
上面计算的短路电流较小，在大短路电流情况下，按照GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》要求执行，即保护器不动作，则电缆几百米就要进行分段，这显然极为不经济，也降低了系统运行可靠性。因此，从运行的安全可靠性与经济性考虑，在验算保护器能够承受短路时的通流容量情况下，应允许保护器动作。
1）随着系统短路电流的逐渐增大，势必造成工频过电压水涨船高，保护器卡在工频过电压与残压之间选择的余度越来越小。保护器动作牺牲的是保护器的更换频率与运检工作量，换来的是电缆线路运行安全性。2）因为工频过电压时间相对较长，选择保护器动作，要验算工频过电压下的通流容量是否在保护器的通流能力范围内，避免造成保护器爆炸事故。3）选择电缆长度的工频过电压限制，推荐采用稳态值，与国标一致。4) 设计大盘长电缆线路，要重点考虑保护器的通流容量限制。5）因为保护器价格便宜，针对保护器的大电流试验，未在文献中查到，基本为解析式计算和仿真计算两种方法，工频过电压的暂态分量值还需要大电流试验进行验证。
![]()
本文转载于 地下工程那点事 微信公众号，本文原作者为 刘哲 ，图文版权归属原作者。欢迎更多的朋友分享您们的工作经历、工作经验、工作想法。本文为原作者个人观点，不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。
