沿電纜導電線芯流動的沖擊電壓波為什么使金屬屏蔽層不接地端產生很高的過電壓呢?圖1為電纜屏蔽層首端三相互聯接地,而末端不接地的示意圖。從圖中可知,當作用于首端的導電線芯上沖擊電壓為U0,電纜波阻抗為Z1時,加在電纜線芯上的沖擊電壓必定會作用于金屬屏蔽層與導電線芯之間,也就是說,將有幅值為U0的沖擊波在導電線芯上流動,那么導電線芯和金屬護套也將伴隨流過電流i,其值由電纜的波阻抗Z1決定,即i=U0?Z1。由于導電線芯的電流與屏蔽層電流方向相反,而大小基本相同,因此在金屬屏蔽層外面無磁力線的作用,故不產生護層的過電壓。但當沖擊電壓波到達電纜的末端的情況就不同了。以下分別對電纜導電線芯末端短路和開路等兩種極端情況進行討論。

(1)當電纜導電線芯末端開路時,流經導線的沖擊電壓波到達末端后,會發生全反射,使導電線芯末端電壓上升為入射波電壓的兩倍,同時電流會發生負的全反射,負反射的結果使導線上的電流為零,因此在電纜護層上不會產生電壓的升高,實測表明,金屬屏蔽層上電壓僅為導電線芯電壓的5%左右。

(2)當電纜導電線芯末端發生接地短路故障時,電壓波為發生負的全反射,使得線芯末端的電壓下降為零,同時電流會發生全反射,使線芯上的電流上升為入射波電流的兩倍,此時金屬屏蔽層會出現很高的感應電壓值。顯然如果電纜末端的導電線芯接入某一電阻并接地,則產生的感應電壓將比前者低一些。

為了限制這一過電壓,可在金屬屏蔽層末端接入一個電纜護層保護器Zb,當正常運行時,Zb的電阻為無窮大(相當于開路);當線路有較高過電壓流入時,Zb將導通(此時電阻值很小,相當于短路),過電流可以順利通過電纜護層保護器流入大地,而在電纜護層不會產生沖擊過電壓,作用于電纜護層上的沖擊過電壓將等于保護器的殘壓。根據彼得遜法可以方便求出,當電纜末端發生接地短路故障時,流經保護器的電流ib1= 2U0?Z1,若電纜末端接入某一電阻R并接地,那么流經電纜護層保護器的電流ib2= 2U0?(Z1+R),其值可能達10kA,在這沖擊電流作用下電纜護層保護器應不損壞,而電纜護層保護器的殘壓應低于電纜護層絕緣的沖擊耐壓值。