电力电缆的电压参数设计
电缆在运行中，电缆绝缘不仅要承受工频电压及其过电压，而且还要 承受操作过电压和大气过电压。为此，必须对其进行分析和计算。
一、工频电压
是指工业频率所用电压。我国频率为 50Hz。工频电压是电缆绝缘结 构在整个运行过程中长期、连续承受的工作电压。一般所说额定电压，均 指工频时的线电压。我国目前的电压等级(单位均为 kV)为 1、3、6、10、35、 110、220、330、500，均为额定工作线电压。绝缘结构实际承受的是相电压。 电缆线路电压在正常工作条件下允许有一定的波动，线路电压越高，这一 允许变化愈小。200kV 以下不 允许超过 15%，330kV 以上不 允许超过 10%。
二、内部过电压
所谓过电压，即危及绝缘的电压升高。过电压根据形成的机理不同 分为内部过电压和外部过电压。内部过电压是由于系统内部的原因造成 的，可分为两类。一类为操作过电压，即操作及故障时在过渡过程中出现 的过电压。其持续时间较短，以单相电弧接地和开合线路，切断长线路容 性负载等过电压为主。另一类为谐振过电压。是在某些操作或故障后形 成的回路，在振荡频率与电源频率满足一定关系时出现的谐振现象。谐 振时，将出现持续时间较长，波形有周期重复的过电压。
研究内部过电压有很重要的意义。它与大气过电压一样是决定电力 系统绝缘水平的重要依据，我们应分析、研究其产生的原因和影响因素，
制定限制过电压的措施，以满足电力系统经济、安全运行的要求。
内部过电压的能量来自电网本身，所以它的幅值是和电网的工频电 压基本上成正比的，其幅值与工频相电压幅值之比，称为内部过电压倍
数，以 k0 表示。一般 k0 =2 ~ 4 。若以 Uxg表示最高相电压，则过电压一般 可取(2 ~ 4)Uxg。
我们以操作过电压为例，着重分析一下其产生的原因和物理过程。
1 . 单相电弧接地过电压 三相系统中，若发生单相电弧接地，就会在 健全相产生过电压。据中心点接地方式不同，健全相产生的过电压大小 也不同。我国目前电力系统主要是中性点不接地，中性点非有效接地和 中性点直接接地系统。前者主要用于低压系统，后者主要用于 110kV 以 上的高压系统。
(1)中性点不接地系统 电压系统发展初期，中性点都是是对地绝缘 的。在中性点绝缘的电网中，发生单相接地，将会引起健全相对的对地电 压升高几倍。但线压基本保持不变。
①线路分析 如图 24 - 1 所示。在三相系统中令 UA，UB，UC 为三相
在各相导线之间和相对地之间沿导线全长均有分布电容。因而在电 压作用下，通过这些电容将流过附加的电容电流。在一般实际工程中可 用集中参数来计算这些电容。当导线经换位后，各相对地电容是相等的， 即 CA = CB = CC 。因而在对称三相电压下，各相流过的附加电容电流也相 等，记为 IC0，只是相位差 120o，所以相量和为零。即无电容电流流过大 地。一般变压器的中性点是接地的，具有地的电位。三相线路和变压器 相连。当三相对称，且各相电容相等时，则中性点虽然不直接接地，但电 位也为零。
但当中性点不接地系统的各相对地导纳(容性电纳)大小不等时，即 使正常状态，中性点的地电位也不再为零，即“中性点位移”。
(24 - 3)
即健全相的对地电压升高了、3倍，由相电压升高为线电压。
②过电压产生的物理过程 一般发生一相电弧接地过电压产生的过 程是发弧—振荡—熄弧(零值) —发弧。在振荡过程中健全相可能出现的 最大过电压据拉氏变换可得
过电压 = 2 倍稳态值 - 初始值
若 c 相对地短路，其对地电压立即降为零，而健全相( A、B 两相)的 相电压(对地电压)的振荡过程中增加到线电压。
我们分析最严重的时刻：
式(25 - 5)可视为振荡前的初始值。此时线电压为
uAC =〔0 . 5 - ( - 1)〕Uxg = 1 . 5 Uxg (24 - 6)
假设此时间隙 D 击穿，故障点发弧，即 C 相接地，uC = 0 。但由于时 间很短，电荷不能立即泄漏掉，故 A 相健全相对故障相仍维持原线电压， 但此时已变成对地电压，即
uAC = UAd = 1 . 5 Uxg (24 - 7)
或者可以说健全相的相电压升为线电压，此电压可视为振荡中的稳态值。 实际上以 CA 而论，这一过程是由线电压 uAC通过系统电感Ls 对 C1 充
电来进行的。这是一个高频振荡过程，其振荡角频率为 О = 1 。振荡 ^
LsCA
过程中 CA 上电压的初始值为 Uxg，稳态值为 1 . 5 Uxg，故振荡中 CA 上的
最大电压值为
uAm1 1 = 2 倍稳态值 - 初始值
= 1 . 5 x 2 Uxg - 0 . 5 Uxg
= 2 . 5 Uxg
(24 - 8)
这时流过故障点 D 的电流正是流经 CA，CB 的高频振荡电容电流。当 电压振荡到最大值 uAm1 1 时，流过 D 点的高频电流因容性电流越前电压 ，电压达最大值时电流为零，电弧就此熄灭。此时整个系统中的电荷积
累为
2 . 5 Uxg( CA + CB ) = 5 UxgCA (24 - 9)
又经过半周 C后，uC = Uxg，uA = uB = - 0 . 5 Uxg，5 UxgCA 的电荷在三相 上重新分布，则每相增加电荷 UxgCA 。则每相叠加电压 UxgCA / CA =
Uxg。
这样，在第二次发弧之前 A 相 CA 上的初始电压已由第一次的 0 . 5 Uxg 变为
UA = - 0 . 5 Uxg + Uxg = 1 . 17 Uxg (24 - 10)
而稳态值为 UAC = - 0 . 5 Uxg - Uxg = - 1 . 5 Uxg (24 - 11)
当 D 再次击穿后 uC = 0，而健全相 A 相上的过电压为
2( - 1 . 5 Uxg ) - 1 . 17 Uxg = - 4 . 17 Uxg (24 - 12)
如图 24 - 2。
这种振荡回路思想是由高列夫 1937 年提出的，彼烈考夫近年来又在
广泛试验基础上做了修正。他指出，过电压的发展过程以及它的幅值，首 先是和中性点电位上升有关，而熄弧的条件是和电流过零后弧道上的耐 电强度恢复有关。
对于低压系统，若一相接地是短时的，电弧过零值时可自行熄灭，系 统可以很快恢复工作，无须采取特别的措施予以限制。
但是对高压和超高压系统，单相接地的短路电流较大，电弧不可能自 行熄灭，易造成间歇性电弧接地，就会产生很高的过电压。可能使另外两 相和接在两相上的设备发生故障，一相接地变成多相接地，造成供电中 断。为此，高压系统必须将中性点直接或间接接地。
(2)中性点直接接地系统 如图 24 - 3 中性点直接接地。当单相接地 时，故障相上的电压降为零，而其他两健全相上的电压仍等于相电压。中 性点电位永远为零，不会发生位移。(当然也可能有一些位移，产生一点 振荡，但数值不大)。
在电压较低的系统，若采用中性点接地的运行方式则会自动重合闸 操作次数多，增加了设备成本。为此在电容电流超过规定值(3 - 10kV 电 网 30A)电弧不易熄灭时，采用中性点经消弧圈接地，这种电网称为补偿电 网，或称为非有效接地。
(3)非有效接地 如图 24 - 4 为非有效接地示意图。其原理是 1919 年彼得森提出利用中性点通过电感线圈接地。故障点流过的电容电流恰 好是在相电压作用下，流过三相电容电流之和。接入消弧圈后，故障点还 将流过电感 Lp 上的电感电流。
当补偿度为 1 时 1 IC 1 = 1 IL 1 ，二者恰好抵消，即消弧圈上的感性电流 补偿了单相故障点电弧中的电容电流，使电弧中的电流接近于零。故电 弧易于熄灭，并大大降低了电弧重燃的概率。所以在大多数情况下，能够 迅速消除单相瞬间接地电弧，而不破坏电网的正常运行。
但是消弧圈的阻抗较大，既不能释放线路上的残余电荷，也不能降低 过电压的稳态分量，对其他过电压不起作用。在高压电网中，有功泄漏电 流分量较大，使用不当还会引起某些谐振过电压，不宜在电压等级高的电 网中使用。消弧圈上的压降大约为相电压的 15% 将叠加在线路上。 以
110kV电缆为例，在非有 效接地 系 统 中其相 电压为 1 × 110 × 1 . 15 × ^3
1 . 15kV = 85kV。
2 . 切断空载长线或容性负荷所引起的过电压
当切断电容负荷时，例如切断空载输电线路时，由于断路器中电弧重 燃，可能使线路上产生很高的过电压。研究这种过电压是非常必要的，在 一定程度上，这种过电压决定电缆的绝缘水平。
切断空载线路时，断路器触头的分离可能在电源相位角为任何一数 值时发生。如果此时的电流不为零，就会在触头间产生电弧，线路就没有 切断。一般交流电弧要在电流过零时，加上灭弧室吹弧作用而熄灭。 由 于空载线路的电流是容性的，线路电流过零时，线路上的电压恰为最大 值。如图 24 - 5 电容电流 ic 越前电源电压 90。。设在 I 1 时电流过零，ic = 0，将线路断开。此时电压为最大 Uxg。
如果开关触头间耐游离能力很强，电弧从此熄灭，线路被断开，则线 路上不会产生任何过电压。但若开关性能不良，开关拉开后，由于导线上
的电荷不能立即泄漏掉，触头间电压仍维持 Uxg不变。而电源仍按余弦变 化，经半周后，当电源电压变到 - Uxg 时，触头间(开关断口上)的电位差达 到 Uxg - ( - Uxg ) = 2 Uxg，因而间隙可能被击穿和出现重燃，引起电容上的
过渡过程，此时过电压 = 2 倍稳态值 - 初始值。初始值为 U王g，稳态值为 - U王g，所以过电压为
2( - U王g ) - U王g = - 3 U王g (24 - 13)
此时，高频振荡电流过零值熄灭，触头上获得 - 3 U王g 的电压。又经半 周后在 t4 时，电源电压符号改变为 U王g，此时过电压为
2 U王g - ( - 3 U王g ) = 5 U王g (24 - 14 )
如果断路器反复重燃，就可能出现更高的过电压。但实际上断路器 往往最多只发生一次重燃，且重燃也不一定在电源电压达到最大值时发 生。同时线路电阻和过电压下的电晕损耗都限制了过电压的发展。实际 测量过电压约为相电压的 3 ~ 4 倍。
对操作过电压，可采用在断路器断口上加装并联电阻加以限制。
