110 kV海底电缆-架空线雷击过电压分析

张宇飞， 罗日成， 田迪凯， 肖宏峰， 王学禹， 吴勤斌

(长沙理工大学电气与信息工程学院， 长沙 410114)

0 引 言

为了将电能输送到离海较远的岛屿，一般采用海底电缆-架空线路的架设方式。海底电缆(以下简称海缆)铺设于海底，而且造价高，所以一旦发生故障，维修难度大，会造成巨大的经济损失[1]。电缆处于海底难以遭受直接雷击，但是一旦架空线路遭受雷击，雷电侵入波便会经过架空线路侵入海缆。海缆的参数与架空线有较大差异[2]，因此导致波阻抗与波速也不同，导致海缆的两端行波发生折反射，因此当架空线路遭受雷击时，会产生较大的雷电过电压，目前国内外对雷击架空线路-海缆做了大量研究，文献[3]通过建立雷击变电站模型分析了靠近变电站短距离电缆的过电压分布情况随着与变电站距离越远，雷电过电压越低；文献[4]研究了220 kV混合线路下，影响雷击过电压的因素；文献[5]使用ATP-EMTP仿真软件研究了220 kV海缆的工频与操作过电压，仿真结果表明侵入海缆的操作过电压在仅安装避雷器的条件下就可以将其抑制在安全范围内，工频过电压决定了长距离海缆的绝缘配合。

为了进一步研究雷电过电压在长距离海缆中的分布，探究在长距离海缆中的绝缘配合情况，笔者利用ATP-EMTP仿真软件对某岛屿的110 kV海缆-架空线路系统的雷电过电压进行计算，分析了雷电流波侵入海缆时的分布情况，避雷器配置，接地电阻，以及雷电流的陡度对海缆雷电流的影响，可以为提高长距离海缆线路的防雷水平提供参考。

1 雷电侵入波对海缆的影响

海缆位于海底，当架空线路遭到雷击之后，雷电侵入波会通过线路流入海缆内部[6]，由于海缆和架空线路的波阻抗有很大差异，因此当雷电流流过海缆接头处时，会发生波的反射和折射，同时海缆的内部会出现很强的电磁场，由此产生强烈的暂态过电压，这种暂态过电压会影响雷击过电压在海缆中的分布，从而导致波的叠加，使海缆的绝缘层损坏[6-8]。

2 仿真模型及相关参数

2.1 某地110 kV海缆概况

某地110 kV混合线路，电缆采用XLPE交联聚乙烯电缆，型号为YJQ41-64/110[9]，电缆横截面1 000 mm2，基本结构见图1，架空线路型号LGJ240/30，外径21.6 mm，直流电阻0.120 9 Ω/km，该混合线路段由海缆，架空线路，避雷器，电缆终端组成，其中海缆的屏蔽层一端接地，铠甲层双端接地[10]，敷设深度为1.5 m。

图1 海缆结构图Fig.1 Submarine cable structure diagram

2.2 雷电流模型

雷电的参数是防雷设计中的重要依据，本研究采用雷电流的双指数函数波，用公式可以表示为

i=KI(e-αt-e-βt)

(1)

式中：I表示雷电流的幅值，K是雷电流的修正系数，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数，雷电流波形选用2.6/50 μs波形[11]，见图2，其中Tf为波前时间2.6 μs，Tt为波长时间，由于35 kV以下的输电线路的绝缘水平低，会受到较大感应过电压的影响[12]，采用110 kV输电线路，绝缘水平高，直击雷对线路造成的危害大[13-14]，由于输电线路故障60%原因来源于雷电绕击[15]，因此笔者以绕击雷为例，其雷电流幅值取-30 kA。

图2 雷电流波形图Fig.2 Lightning current diagram

2.3 避雷器模型

避雷器是过电压限制器，可以迅速切断工频续流从而保证电力系统的安全运行，金属氧化物避雷器由于伏安特性、响应速度快、结构简单在线路中得到广泛应用[16]。避雷器模型采用ATP-EMTP中避雷器模型，模型基于氧化锌阀片的伏安特性参数，使用牛顿法迭代求解，约束方程具有较强非线性[17]，模型中采用的避雷器型号为Y5W-100/260无间隙氧化锌避雷器，在ATP-EMTP软件中使用type92氧化锌避雷器来模拟其伏安特性，方程式见公式(2)：

(2)

式中，p和q为氧化锌阀片伏安特性有关常数，vref取额定电压的两倍。

2.4 雷击过电压模型

根据上述模型，利用ATP-EMTP搭建了雷击过电压模型，见图3，由于雷击位置距离海缆越近，海缆的雷电侵入波的幅值就越大，因此将雷击点设置在架空线路末端的杆塔上，此时的雷电侵入波的幅值最大[18]。

图3 雷击过电压的仿真模型Fig.3 Simulation model of lightning overvoltage

3 仿真结果与分析

3.1 海缆长度对雷电过电压影响

为了探究海缆长度的影响，首先将雷击点设置在架空线路的末端，海缆长18 km，每2 km记录一次过电压，得到结果见图4，同时记录雷击点的过电压见图5。

图4 海缆端过电压波形Fig.4 Overvoltage at submarine cable

图5 线路端过电压波形Fig.5 Overvoltage at overhead lines

从图上可以看出当雷电侵入波由架空线进入海缆之后，雷电过电压的幅值由0.65 MV减小到了约0.43 MV，这是因为海缆的波阻抗小于架空线的波阻抗。同时，在海缆首段装设了避雷器，避雷器也起到了限压的作用，从而减少了雷电侵入波的幅值。根据图4发现，雷击过电压在海缆上的分布并不是呈衰减趋势的，在海缆的前段，由于雷电流波的衰减作用，离雷击点越远，海缆的雷击过电压就越小，但是在海缆的后段却不满足这一规律，这是由于雷电侵入波的波速在海缆之中约为1.5×108m/s，雷电侵入波的波长时间Tt=50 μs，根据公式(3)可以计算出雷电流的波长l1为7.5 km，这就导致了雷电波首端在到达海缆末端之后经过折反射与雷电波的末端相叠加，从而造成了海缆末端的过电压高于首端。

l1=v×T

(3)

设定海缆长度是18 km，只需要考虑波的一次反射即可，因为此时线路较长，雷电侵入波的波长短，无法在海缆中进行多次折反射，当线路长度l0≤0.5l1时，此时雷电侵入波在海缆中会进行多次折反射，因此海缆长度对雷击过电压的影响需要分段考虑。分别是当l0≤3.75 km和l0≥3.75 km，当海缆长度大于3.75 km时雷击过电压的分布情况见表1。

表1 海缆长度对雷击过电压的影响Table 1 Influence of submarine cable length on lightning overvoltage

从表中可以看出随着海缆长度的增加，过电压的幅值在减少，但是过电压的幅值都是发生在海缆的末端，是因为海缆的末端连接了避雷器和另一段架空线路，其波阻抗并不是无穷大的，雷击过电压在海缆的末端没有发生全反射。当海缆长度小于3.75 km时，以3.2 km为例，每隔0.4 km记录一次电压，雷击过电压的分布见图6。

图6 3.2 km海缆过电压波形Fig.6 Overvoltage at 3.2 km submarine cable

从图6中可以得知，海缆由于首端末端都装设有避雷器，因此过电压的幅值小，过电压的幅值出现在距离海缆末端0.8 km处，同时与图4对比，当海缆长度l0≤0.5l1之后，雷电侵入波的过电压幅值也变小了。由以上分析得知，在有避雷器的情况下，海缆长度和雷电侵入波幅值关系如下：

1)在海缆长度l0≤0.5l1时雷电侵入波在海缆经过了多次的折反射，过电压的幅值出现在海缆的中后段，随着海缆长度的增大而变小，但是过电压幅值的差距不大，同时由于首末端避雷器的限压作用使得雷击过电压幅值相较于长距离海缆较小。

2)当海缆长度l0≥0.5l1时，雷电侵入波在海缆中将会进行一次折反射，从仿真中可以看出，过电压的幅值出现在海缆的末端，同时线路越长，过电压的幅值越短。

3.2 雷电侵入波在不同海缆布置方式下的影响

海缆由于铺设方式的不同，相与相之间的电磁耦合对雷电过电压也会有一定影响[19]，为了探究海缆的布置方式对雷击过电压的影响，本节通过改变图7所示的单芯海缆相间距离r，埋深距离h来研究海缆的布置方式对雷击过电压产生的影响，分别采用三芯海缆和单芯海缆，在几种不同的布置方式下，观察海缆的雷击过电压。

图7 海缆布置方式Fig.7 Submarine cable laying method

通过对不同布置方式的仿真得出结果见表2。

表2 不同布置方式下的雷击过电压计算结果Table 2 Calculation results of lightning overvoltage under different submarine cable arrangements

由上表可以看出，由于海缆的绝缘性能强，随着单芯海缆相间距离的提高，相间的电磁耦合变化较弱，相间感应阻抗变化小，从而雷击过电压的变化幅度不大，同时因为海缆的运行环境特殊，海缆在海底敷设时一般不选择换位，敷设间距也很大，一般轴向距离为7 m以上。

同时海缆的埋深对雷击过电压有着较为明显的影响，海缆埋深从1 m增加到2 m，海缆不同部位的雷电侵入波幅值平均减少了0.94%，但一般工程上所采用的海缆埋深通常为0.6 m～3 m，海缆埋设越深，施工成本越大，需要的设备也就更昂贵，从而增加海缆修理维护的难度，浪费成本和时间，因此应该在节约施工成本和维护成本的基础上尽可能将海缆埋深。

当敷设三芯海缆时，在同等埋深条件下，雷电过电压的幅值为424.18 kV，低于单芯海缆的476.04 kV，因此对于雷电过电压的防护能力要优于单芯海缆，因为三芯海缆的相间距固定，而单芯海缆由于不能换位，海缆的外护套易损坏，容易出现偏流不平衡和环流，因此对于雷电侵入波的防护，三芯海缆更为合适，但三芯海缆收到海缆净重和海缆盘的限制，只能通过海缆接头分段铺设，海缆的中间接头绝缘薄弱极易出现故障，因此在海缆短距离敷设的时候采用三芯海缆可以更好的对雷电侵入波进行防护。

3.3 雷电侵入波对不同海缆的影响

目前广泛用于工程的海缆主要是XLPE交联聚乙烯绝缘海缆和自容式充油海缆[20]，利用ATP-EMTP在绕击雷电流幅值为-30 kA的工况下，对两种类型的海缆的雷击过电压水平进行仿真，分别记录海缆首段，中间段和末段的雷电侵入波，所得结果见图8。

图8 两种海缆的雷击过电压Fig.8 Lightning overvoltage of two submarine cables

由于XLPE海缆的电容小于充油式海缆的电容，因此雷电侵入波在XLPE海缆中传播较快，可以看出XLPE海缆对应位置遭受到的雷电侵入波要早于充油海缆，由计算结果可知，XLPE海缆幅值出现在海缆末段，幅值为476.04 kV，而充油式海缆的过电压幅值出现在中段，约为599.97 kV，过电压幅值增大了25.84%，因此在110 kV海缆防雷设计中应该选择绝缘介电常数小，传播速度快的XLPE海缆。

4 结 论

通过ATP-EMTP对某地架空线路-海缆混合线路的雷击过电压进行了计算分析，研究了雷电侵入波在电缆中的传播规律，分析了雷电侵入波过电压的影响因素，结论如下：

1)对于110 kV等级的XLPE电缆，幅值为-30 kA的绕击雷电流在海缆沿线的过电压幅值最大值为476.14 kV，位于海缆末端0.6 km左右。

2)雷电侵入波在中长距离海缆前段和后段的传播规律不同。前段由于行波的衰减效应导致雷电侵入波幅值逐步减少，而后段由于雷电侵入波的反射和折射使得末端的雷击过电压高于首端，而对于短距离电缆由于行波的多次折反射，导致没有明显规律，雷击过电压在电缆的各个位置幅值相当。

3)由于海缆绝缘性能优越，因此随着海缆的相间距离的增加，相间的互阻抗变化可以忽略不计，对雷电侵入波的抑制作用有限，海缆的埋深会对雷电侵入波的幅值造成一定影响，但一般工程上电缆埋深约为0.6 m～3 m。为了减小雷电流幅值而增加海缆埋深会增加成本和维修难度，铺设三芯电缆可以有效降低海缆末端约10%的过电压。考虑到成本和安装难度，在实际工程领域中短距离海缆采用三芯电缆铺设，中长距离海缆采用三根单芯电缆铺设。

4)海缆类型对雷击过电压也有较大影响。在相同的工况下，充油电缆的雷电侵入波过电压比XLPE绝缘电缆高25.84%，同时由于XLPE绝缘电缆的传播速度快，介电常数小，输送容量大，工期短等优点，因此XLPE绝缘电缆优于自容式充油电缆。