單芯高壓電力電纜接地方式研究

任保忠，王軍德，焦文明，王鯤鵬，吳振彥

（聊城供電公司，山東 聊城 252000）

0 引言

2012年5月，某220 kV變電站35 kV側(cè)電容器出線電纜發(fā)生事故。站內(nèi)35 kV側(cè)電容器于室外布置，母線及開關(guān)設備于小室內(nèi)布置，兩者采用3根單芯電纜相連，每根長度約200 m。事故發(fā)生后，靠近電容側(cè)出線電纜屏蔽層接地軟銅鞭處均已燒斷，其中A相燃燒痕跡明顯，電纜室內(nèi)出線側(cè)也有發(fā)熱冒煙的跡象。

經(jīng)查，事故電纜的接線方式和電纜布置圖分別如圖1、2所示，電纜采用了兩側(cè)直接接地的方式。為徹底了解單芯電纜接地方式的影響，分別就單芯電纜兩端接地和一端接地進行討論。

圖1 電纜接地方式示意圖

1 單芯電纜接地方式

電力系統(tǒng)中35 kV及以上電壓等級的電力電纜一般均為單芯電纜，單芯電纜的導線芯和金屬屏蔽層相當于變壓器的一組繞組，當導線中流過交流電流時，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與屏蔽層鉸鏈，在屏蔽層中產(chǎn)生感應電壓［1－3］。由電工理論知識得知，感應電壓的大小與電纜的長度和導線中流過電流的大小成正比。

圖2 電纜布置圖

1.1 兩端接地

兩端接地的電路圖如圖3所示，圖中M為屏蔽線和芯線之間的互感，Ls和r分別是屏蔽層中的電感和電阻。當芯線中流過電流I1時，如果電纜單端接地或不接地，此時屏蔽層中無電流流過，而當采用兩端接地方式時，電流I1將分為Is和Ie兩部分。其中

其中一般滿足r塏wM，故式（1）可簡化為

在單芯電纜中，芯線和屏蔽線中的互感M與Ls是可比的，最大環(huán)流可達芯線流過電流的50%以上，由此將在金屬外皮上產(chǎn)生大量的熱能損耗，而長此以往還將加速電纜絕緣的老化，所以單芯電纜一般不采用兩端接地的方式［4－5］。上文所列事故便是由于此原因，軟銅鞭處接觸電阻大，發(fā)熱嚴重，從而造成此次事故的發(fā)生。

圖3 兩端接地電路圖

1.2 一端接地

在電纜采用一端接地方式時，屏蔽層沒有環(huán)流，但會產(chǎn)生感應電壓，當電纜長度較長或者通過電流較大時，感應電壓幅值較高可能達到危及人身安全的程度，而當雷電波或者操作過電壓流過電纜芯線時，或者遭受短路故障流過較大短路電流時，會在屏蔽層非接地端產(chǎn)生更高的感應電壓，甚至可能損壞電纜外護套絕緣，造成多點接地故障。所以分析電纜在運行過程中的感應電壓非常必要。

單芯電纜屏蔽層的對地電壓和相間電壓，不但取決于芯線電流和電纜長度，同時也取決于三個單芯電纜的排列方式。表1列出了幾種常見電纜排列方式下感應電壓的計算公式，計算中，假定三相電流對稱。式中：S為相間距，mm；U 為感應電壓，V／km；w為電源角頻率，rad／s；I為負荷電流，A；r為電纜幾何平均半徑，mm。

表1 常見電纜排列方式感應電壓

2 計算實例

站內(nèi)使用型號為YJV26／351×185的單芯電纜，電纜一端接地，電纜的屏蔽層平均半徑為25 mm，經(jīng)監(jiān)測運行中每相流過電流約為200 A，且假定在方式3和方式4時每相的各根電纜平均分配該相電流。

當相間距S取450 mm時，此時每千米感應電壓計算如表2所示。

表2 感應電壓計算實例

由表2可以看出，各種排列方式中，均是邊相電壓大于中相電壓，但相差均不大，差別最大的是排列方式3，此時邊相比中相感應電壓高16%。方式1是最優(yōu)排列方式，但在實際操作中由于電纜溝中電纜較多，采用正三角形具有一定困難。在采用三相平行排列的方式4中，每相采用的電纜越多感應電壓越低，但差別也并不顯著，方式2和方式4相比，邊相和中相電壓分別減少25.6%和31.5%。但采用的電纜數(shù)增多，成本便會成倍增加，故在條件允許的應盡量使用方式2即直線型進行排列。

按照《電力工程電纜設計規(guī)程》的要求，單芯電纜線路單端接地時，屏蔽層的感應電壓不應超過

50～100 V。在現(xiàn)場使用中，電纜長度約為200 m，電纜排列方式如圖2所示。此時，最高感應電壓約為41.2×0.2＝8.24 V，考慮到電纜溝中其他電纜的影響，電壓上升15%，此時感應電壓約為8.24×1.15＝9.48 V，遠小于50 V，滿足規(guī)程要求。

3 結(jié)語

35 kV系統(tǒng)中廣泛采用單芯電纜接線方式，分析表明在單芯電纜接線方式中，不宜采用兩端接地方式，此時存在很大的環(huán)流。采用一端接地方式時，可優(yōu)先考慮采用直線型接線方式，通過對本站中的具體實例進行計算，采用此方式可保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

［1］鄭肇驥.高壓電纜線路［M］.北京：水利電力出版社，1983.

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