第三单元第四节(电力电缆基本知识)

第三单元 电力电缆基本知识（林赟）

第四节 电缆线路的防雷保护和接地方式

培训目标

1．熟悉配电系统主要的防雷设施；

2．熟悉电缆线路的接地方式。

一、电缆线路的防雷保护

雷电将直接或间接导致电力系统的部分设备或线路产生雷电过电压危及电力系统安全运行，是电力系统发生故障的主要因素之一。尽管电缆线路大多数都埋设在地下、水下、管道等构筑物中，而架空绝缘电缆只占极少数，遭受雷击可能性很小，但它必定是与架空线或其它电气设备相连接的。因此同样有被雷击的可能，要对其采取防雷保护。故有必要了解电缆线路的防雷保护和与之相关的电缆接地装置设计的基本知识。

1.电缆主要绝缘的防雷保护措施及设备

为了保证电缆线路的安全运行，必须考虑对电缆的主绝缘和金属护套进行防雷保护设计。 电缆的主绝缘的防雷保护，可采用空气间隙保护装置和避雷器装置。

另外，在发电厂、变电所，除使用避雷器，也采用避雷针（线）作为防雷保护装置，处于这些地方的电缆也就因此而受到保护。

(1) 保护间隙

保护间隙结构形式较多，但基本是由两个金属电极构成，如图3-17所示。保护间隙一般用镀锌圆钢制成，两个电极分别为主间隙和辅助间隙。为了防止主间隙被外物短路而引起误动作，在下方还串联有辅助间隙。

保护间隙工作原理：在正常运行时，间隙对地绝缘，雷电流来临时，间隙被击穿，将雷电流泄入大地。由于保护间隙灭弧能力弱，一般要求与自动重合闸装置配套使用，以提高供电的可靠性。

图3-17 保护间隙

（2）避雷器

常用的阀式避雷器有普通阀式避雷器、磁吹阀式避雷器和金属氧化物阀式避雷器。普通阀式避雷器又有两种型式：一是火花间隙旁无并联电阻的FS型，适于保护10kV及以下中小型配变电所的电气设备；二火花间隙旁有并联电阻的FZ型，适于保护大中型配变电所的电气设备。

普通阀式避雷器结构如图3-18所示，主要由火花间隙和阀片组成，装在密封的瓷套管内。火花间隙由铜片冲制而成，每对间隙用厚0.5～1mm的云母片隔开，如图3-19所示。

（a) （b)

图3-18 阀式避雷器

（a)FS4-10型；（b) FS4-0.38型

图3-19 单个火花间隙

阀型避雷器工作原理：装在被保护设备的阀型避雷器，由于火花间隙组具有足够的对地绝缘强度，正常运行时不会被工频电压击穿，阀片电阻盘也不会有电流通过。当出现危险过电压时，例如遇到雷电过电压，火花间隙被击穿，雷电流通过火花间隙经阀片电阻引入大地。当雷电压作用在阀片电阻上时，阀片电阻的金刚砂颗粒间的小气隙被击穿，使颗粒间的接触面加大，电阻降低，雷电流容易通过，在阀片电阻上的压降减小。由于被保护电气设备和阀型避雷器是并联连接的，被保护设备上所承受的过电压为避雷器上的残压。通过适当配置阀片参数，可使残压不超过被保护电气设备的绝缘水平，保证了被保护电气设备的安全。

排气式（通称管型）避雷器如图3-20所示，由产气管、内部火花间隙和外部火花间隙等三部分组成，用于室外架空线路上防雷保护。

排气式避雷器工作原理：正常运行时外部间隙使避雷器与线路隔开，当线路上遭受雷击或感应雷时，雷电过电压使排气式避雷器的内、外火花间隙击穿，雷电流通过接地装置引入大地。由于避雷器放电时内阻接近于零，所以其残压极低，但工频续流极大，会使管子内部发生强烈电弧，电弧燃烧管壁会产生大量气体从管口喷出，很快地吹灭电弧。同时外部间隙恢复绝缘，使避雷器与线路隔开，系统恢复正常运行。

图3-20 排气式避雷器

3）金属氧化物避雷器

金属氧化物避雷器是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的新型阀式避雷器，压敏电阻片是由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的阀特性。

金属氧化物避雷器工作原理：正常运行时避雷器工作在工频电压下，避雷器金属氧化物电阻片具有极高的阻值，呈绝缘状态。当出现雷电过电压或内部过电压时，电压超过启动值后，电阻片呈低阻状态，泄放电流，避雷器两端维持较低的残压，以保护电气设备不受过电压损坏。待过电压结束后，避雷器立即恢复极高电阻，继续保持绝缘状态，保证电力系统的正常运行。金属氧化物避雷器动作迅速、通流量大、残压低、无续流，对大气过电压和某些内部过电压都能起到保护作用。

2.电缆金属护套的防雷保护

雷电流不仅会浸入电缆的导体，还会浸入电缆的金属护套。当雷电流浸入时，雷电波在终端和绝缘接头的金属护套处会发生畸变，产生相当高的过电压，以至使电缆的外护层被击穿危及电缆的安全运行。因此，必须对电缆的金属护套、外护套采取防雷保护措施，一般都使用护层保护器。

电缆护层保护器，应用于单芯电力电缆线路中，限制电缆金属护层上的感应过电压，确保护层绝缘不被过电压击穿，在一端接地的电缆线路及交叉互联的电缆线路中都可使用它。护层保护器分单相式与三相式两种。主要元件是非线性电阻的阀片。其工作原理同金属氧化物避雷器工作原理相似。单相式是将一片或几片阀片装在一个密封灌内，或密封在一个环氧树脂的铸件内。三相式是将三组阀片接成星形接线，并进行密封，适用于终端或工作井内的绝缘接头。三相式的保护器与换位铜排一起装在特制的换位箱内，用三根同轴引出线（或称同轴电缆）与绝缘接头连接。

作防雷保护。

由于雷电流在金属护套的传输现象很复杂，而迄今为止，还没有研究出好的方法对电缆金属护套进行防雷保护的措施，对此世界各国正在加紧研究。如日本对电缆金属护套进行所防雷保护主要采用气体绝缘金属封闭电器（GIS）电缆终端保护。

图3-21所示为采用GIS电缆终端保护措施安装示意图。

图3-21 GIS电缆终端的保护措施

3.塔终端处的防雷保护

处于塔终端处的电缆，其金属护套也必须做好接地防雷保护。

间接接地方式，见图3-22（a）所示。电缆5的金属护套通过铁塔（铁塔本身是接地的）1间接连接接地。但因铁塔体与电缆金属护套处于同一电位，电缆金属护套的感应会流到铁塔上，对铁塔有一定的腐蚀作用。直接接地方式，见图3-22（b）所示。将位于铁塔1上的电缆5的金属护套用接地线3引至地面并接地。当接地线3过长时可另加装保护装置（多用避雷器）4并接铁塔。它与间接接地方式相比，电缆金属护套的电流不会流到塔体上，但雷电流浸入时，由于接地线长、波阻抗大，抑制雷电流不充分，将导致电缆金属护套与塔体之间的电位差很高。

（a) （b)

图3-22 铁塔上终端的保护方式

（a) 间接接地；（b) 直接接地

4．接头处的防雷保护

对于电缆线路交叉换位处的绝缘接头，必须采用外护层保护装置对接头的绝缘处作防雷保护。

避雷器应与保护设备并联，装在被保护设备的雷电波侵入侧，如图3-23所示。这样，当线路上出现危及设备绝缘的雷电过电压时，避雷器的火花间隙先被击穿，使过电压对地放电，从而保护了设备的绝缘。

图3-23 避雷器的连接

对于排气式避雷器，外间隙的距离一般采用表3-15所列数值。为减少排气式避雷器在反击时动作，应降低与避雷线的总接地电阻，并增大外间隙距离，一般可增大到表3-15所列的外间隙最大距离。 表3-15 排气式避雷器外间隙的距离

对于保护间隙，主间隙的距离应采用表3-16所列数值。辅助间隙的距离可采用表3-17所列数值。

表3-17 辅助间隙的距离

6. 防雷设施和接地装置的巡视内容及检测周期

⑴巡视内容

1）防雷设施巡视内容

放电间隙有无烧损，间隙距离有无变化；避雷器瓷套有无裂纹、损伤、闪络痕迹，表面是否脏污；避雷针、避雷器的固定是否牢固；引线连接是否良好，与邻相和杆塔构件的距离是否符合规定；各部附件是否锈蚀，接地端焊接处有无开裂、脱落；保护间隙有无烧损、锈蚀或被外物短接，间隙距离是否符合规定；雷电观测装置是否完好。

2）接地装置巡视内容

护管有无破损、丢失、固定是否牢靠；接地体有无外露、严重腐蚀，在埋设范围内有无土方工程。

⑵检测周期

防雷装置检查、试验周期为：避雷器绝缘电阻试验，1~3年；避雷器工频放电试验，1~3年。

柱上变压器、变配电所、柱上开关设备、电容器设备的接地电阻测量每两年至少一次；独立避雷针的接地装置，每年在雨季前检查一次，接地电阻测量每五年至少一次；其他设备的接地电阻测量每四年至少一次。

7.防雷设施和接地装置的维护项目

⑴电气设备、接地线、接地网的连接有松动、脱落时，加固处理；

⑵接地线有损伤、腐蚀、断股时，更换接地线；

⑶接地电阻测量；

⑷接地电阻超过规定值时，采取措施降低接地电阻值；

⑸地中埋设件被水冲刷的埋土处理；

⑹避雷器损伤、绝缘电阻不符合要求，更换避雷器；

⑺放电间隙的调整；

⑻避雷器绝缘电阻试验；

⑼避雷针、其它铁构件的除锈、涮油漆；

⑽避雷器瓷套管或绝缘套管的清洁。

*二、金属护套感应电压计算及减少感应电压方法

接地是将电气设备的某些部分用导线（接地线）与埋设在土壤中或水中的金属导体（接地体或接地极）相连接。

为保证电缆金属护套对地保持良好的绝缘，安装时应根据线路的不同情况，按照经济合理的原则在金属护套的一定位置采用特殊的连接和接地方式，并同时装置护层保护器以防止电缆护层被击穿。

单芯电缆的导线与金属屏蔽可看作一个变压器的初级绕组与次级绕组。当电缆的导线通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来有达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。如果屏蔽两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路，屏蔽中将产生环形电流，电缆正常运行时，屏蔽上的环流与导体的负荷电流基本上为同一数量级，将产生很大的环流损耗，使电缆发热，影响电缆的载流量，减短电缆的使用寿命。因此，电缆屏蔽应可靠合理的接地，电缆外护套应有良好的绝缘。

1．金属护套感应电压计算

均采用单点接地或交叉互联接地方式，这样就会在金属屏蔽层上产生感应电压。

对于具有三芯公共金属屏蔽的三芯电缆，因线芯通过的三相电流的相量和为零，故在公共金属屏蔽层中的感应电压相量和亦为零，可忽略不计。但对单芯的高压和超高压电缆电缆，感应电压就可能达到很大的数值，尤其在短路情况下，可能使线芯通过十几倍于正常的电流，产生的感应电压不仅会危及人身安全，也可能击穿金属护套的外护层。因此，必须验算感应电压及采取限制措施。

（1）正常运行是电力电缆金属屏蔽层（金属护套）中的感应电压计算

护套电感和线芯电感相同，且金属护套的厚度比线芯直径小得多，其内感是可以忽略不计的。电感的计算，已在前述介绍，不再重复。

对两根单芯电缆组成的单回路中的单位长度金属护套中感应电压Us(单位：Ω/m)可按下式计算 j2Iln UsjLsI



2s710 3-43 Ds或 Us2jln2s710 3-44 Ds

式中：S—电缆中心间的距离，mm；

DS—电缆金属护套的平均直径，mm。

对三相水平直线敷设和三相等边三角形敷设感应电压，先设电缆中心轴间距离为S（S1=S2=S，S3=2S）

I1200,II00,II1200，则金属护套中感应电压Us(单位：Ω/m)可按下且三相平衡电流I123

式计算

1Us1IXsXmj

XsXm22  3-45 1Us3IXsXmjXsXm2

各相感应电压的有效值（(单位：Ω

/m)

Us1s3式中： Xs2ln

2s7710;Xm2ln210 Ds

对三相等边三角形敷设（含三相分相屏蔽型电缆），其计算方法方法和单回路计算方法相同。

（2）电力电缆线芯短路时金属护套上的感应电压计算

）一般为电缆额定负载电流的十几倍至几时倍，将在金属电力系统中的电缆短路电流（这里记为IsoA

用，因此，按这种计算条件计算要比实际的大，较为安全。计算方法，是将大地等效为一根具有一定深度的抽象“导线”。接地电流以此和线芯形成一单回路，如图3-24所示。这时，该短路相金属护套感应电压为一般

 3-47 UsAERjXelIsoA

式中：R为接地电阻；Xe2ln2

sc

Ds710为大地的等效阻抗；l为电缆长度；Ds为金属护套的

外径；se

根据经验公式取e为土地的电阻率；若不能确切测定，se一般可取1000m。

图3-24 接地等效电路

2．减少金属护套感应电压的方法

（1）敷设回流线

回流线，即通常对于金屑护套只在一处互联接地的电缆线路，沿线路敷设一条或多条两端妥善接地的金属导线，这种两端接地的导线称为回流线。

采用敷设回流线方式，即减少了土地等值阻抗Xe数值，也排除了地网接地电阻的影响。因三相电缆发生短路的几率相等，因此应与三根电缆的平均距离相等。

在电缆线路正常运行时，要求三相线路在回线上感应电动势相量和应为零，以免产生感应电流造成损耗。为此，回流线敷设的方式和各相的距离应为

s11.7s s20.3s 3-48

s30.7s

式中S为各相中心间的距离，S1、S2、S3，见图3-25所示。在该三相回路系统中，单相短路回路电流不经过大地而经过回流线反回地点，短路相电缆单位长度金属护套感应电压为：

2s37jI2U2ln10 3-49 SAESAEDs

图3-25 三相电缆线路回流线布置示意图

（2）金属护套接地设计

1）护套接地

护套接地可设计成护套一端接地、两端接地和中点接地方式。

护套一端接地，它是指线路长度大约在500m及以下时，电缆护套可采用一端直接接地（通常在终端头位置接地），另一端经间隙或非间隙性电阻保护器接地，而护套的其他部位对是绝缘的。

护套一端接地接地方式如图3-26所示。该接线方式还必须安装一条沿电缆线路平行敷设的导体，导体的两端接地，该导体称回流线。为了避免正常运行时回流线内出现环行回流，敷设导体时应使它与中间一相电缆的距离为0.7S(S为相邻电缆轴间距离)，并在电缆线路的一半处换位。

图3-26 护套一端保护接地电缆

两端接地方式的优点，是不需装保护器，可减少维护工作，同时与护层损耗相比，有可能还回更经济。施工安装时，用多股绞线的一端在电缆终端头尾管铅封以下进行焊锡连接，另一端接至三相闸刀开关盒，并将中性点接地。电缆的接地引线（截面大小）应满足环行电流经济密度的要求。

电缆线路的长度采用一端接地感到大长时，可采用护套中点接地的方式。即在电缆线路的中间将铅护套接地，电缆两端对地绝缘，并分别装一组保护器。

2）护套交叉互联

当线路长度大约在1000m及以上时，可采用设计成图3-27所示线方式。它是指电缆线路分成若干大段，每大段原则上分成长度相等的三小段，每小段之间以绝缘接头连接，绝缘接头处金属护套三相之间用

护套分别并联接地。

护套交叉互联方式的优点是：感应电流低，环流小；电缆线路可不装设回流线。

交叉互联的电缆线路每一小段为一盘电缆，当电缆线路太长时，根据供油量和防止电缆故障漏油扩大到整个线路的需要，采取分段供油。一般在大段之间装设塞止接头，将电缆油隔开，使油流互不相通。

图3-27 护套交叉互联电缆线路接地示意图

1—电缆；2—终端头3—接地箱；4—同轴电缆内导体；5—同轴电缆外导体；6—保护器；7

—接线换位接线；8—绝缘接头；B—电缆大段；L—电缆小段

3）电缆换位金属护套交叉互联

它是将电缆线路分段，护套互联，同时将三相电缆连续的进行换位。接线方式与护套交叉互联电缆线路基本相同。该方式的优点，不但对称排列的三相电缆护套电位向量和为零，而对于即使不对称的水平排列三相电缆中，其向量和也为零，也无环流。尽管该方式效果好，但只适用于电缆比较容易换位的场所，如隧道等。

三、保护器的安装和护套接注意事项

1．保护器的安装

目前电缆护套的保护普遍采用氧化锌电阻阀片避雷器。在正常工作电压下，保护器呈现高电阻，通过保护器的工作电流极其微小（微安级），基本处于截止状态，使护套与大地之间不形成通路。反之，电缆护套出现雷击或操作电压达到保护器的起始动作电压时，保护器的电阻很快下降。使过电压流较容易的由护套经保护器流入大地，这时保护器上的电压仅为残压，而保护器的残压和起始动作电压比冲击过电压低得多，比护套冲击试验电压也小得多，因而使护套绝缘免遭过电压的破坏。

运行的电缆线路也可能出现短路故障，这时护套上及绝缘片间必定感应产生较高的工频电压。此时过电压的时间较长（一般为后备保护切除短路故障的时间的2s），就保护器而言是能承受该过电压作用的，同样起到保护作用。

2．护套接地注意事项

（1）为了降低护套上的冲击过电压，应将电缆护套一端直接接地与架空线路相连接的一端，另一端装保护器。

（2）对在电缆线路在电缆终端头下部套有电流互感器（作电流测量和继电保护）电缆线路。当护套出现冲击过电压，保护器动作时，护套上会有很大的电流经接地线流入大地。为了抵消电流互感器上的电流，必须将套有电流互感器一端的护套接地或连接保护器的接地线自上而下穿过电流互感器，如图3-28所示。

图3-28 护器套接地线穿过电流互感器

（3）对高压充油电缆来说，除电缆线路规定接地的地方以外，其他部位不得有接地情况出现，因而护层绝缘显得极其重要。因为：①电缆线路非接地的护套有感应电流，当护套绝缘不良会引起铅护套交流腐蚀或火花放电而损坏铅套；②对于一端接地或交叉互联的电缆线路，有冲击过电压时，保护器尚未动作，护套薄弱的地方可能先被击穿；③两端接地或交叉互联的电缆线路，当电力系统发生单相接地时的故障电流是很大的，则护套中路电流也很大，如果护层绝缘不良也将会被击穿，从而烧坏护套和加强层；④护套绝缘损坏击穿后电缆线路将形成两点或多点接地，护套上将产生环形电流，因此电缆线路除规定接地的地方外，其他部位不得有接地的情况，护套绝缘必须良好。

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