高壓單芯電纜交叉互聯(lián)接地方式優(yōu)化研究

邱 昊， 鄭志源

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州510663）

高壓單芯電纜交叉互聯(lián)接地方式優(yōu)化研究

邱 昊， 鄭志源

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州510663）

為優(yōu)化高壓單芯電纜交叉互聯(lián)接地方式，首先對(duì)交叉互聯(lián)接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，指出交叉互聯(lián)接地方式的主要缺陷，來自金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的不可避免以及線路改造時(shí)接地方式改造的困難。討論目前常用的幾種金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的抑制措施，指出它們在有效性和適用性上存在的問題，最后提出了金屬護(hù)層接地方式的優(yōu)化方案，能有效地解決感應(yīng)環(huán)流和線路改造困難等問題，可作為以后工程的推廣方向。

接地方式；交叉互聯(lián)；感應(yīng)電壓；感應(yīng)環(huán)流；獨(dú)立地網(wǎng)

0 引 言

隨著城市電力負(fù)荷的不斷增大，電纜線路建設(shè)正處于快速發(fā)展階段。交叉互聯(lián)接地方式是目前高壓單芯電纜常用的接地方式，主要用于較長的電纜線路。由于其具有降低金屬護(hù)層感應(yīng)電壓、有效保護(hù)護(hù)層保護(hù)器和外護(hù)套絕緣等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的運(yùn)用。

但是，由于設(shè)計(jì)、施工等造成的交叉互聯(lián)接地方式感應(yīng)環(huán)流過大的問題時(shí)有發(fā)生，因此感應(yīng)環(huán)流會(huì)帶來金屬護(hù)層環(huán)流損耗，造成電纜發(fā)熱，降低電纜壽命和輸送能力［1-4］。同時(shí)交叉互聯(lián)接地電纜線路在線路改造時(shí)也存在較大不便。

針對(duì)以上問題，本文首先對(duì)交叉互聯(lián)接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，通過討論目前常用的幾種金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的抑制措施，指出它們在有效性和適用性上存在的問題，最后提出了金屬護(hù)層接地方式的優(yōu)化方案，可以有效地解決感應(yīng)環(huán)流和線路改造困難等問題。

1 交叉互聯(lián)接地方式的優(yōu)點(diǎn)

交叉互聯(lián)接地方式的優(yōu)點(diǎn)主要來自以下三個(gè)方面。

1.1 降低金屬護(hù)層工頻感應(yīng)電壓

金屬護(hù)層感應(yīng)電壓由線芯電流引起，通過線芯與金屬護(hù)層之間的感性耦合產(chǎn)生。電纜線芯和金屬護(hù)層可以看作一個(gè)空心變壓器，線芯電流所產(chǎn)生的交變磁場，會(huì)在金屬護(hù)層中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。對(duì)于線路較長的電纜線路，若不對(duì)這一感應(yīng)電壓進(jìn)行限制，則有可能超過現(xiàn)行規(guī)范的要求，威脅電纜線路的安全運(yùn)行［5-6］。

采用交叉互聯(lián)接地方式可以很好地解決這一問題。由于三相線芯電流的相位近似相差120°，因此三相金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓相位也近似相差120°。交叉互聯(lián)接地方式將不同相的三小段金屬護(hù)層串聯(lián)在一起，利用不同相位感應(yīng)電壓的抵消作用，達(dá)到降低工頻感應(yīng)電壓的目的。

交叉互聯(lián)接地方式的工頻感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在線路的交叉互聯(lián)。若三小段電纜分段均勻，且三相線路始終保持對(duì)稱狀態(tài)，即實(shí)施了理想的交叉互聯(lián)接地，則金屬護(hù)層兩端直接接地點(diǎn)間的電壓差為零。沿線的感應(yīng)電壓的分布圖如圖2所示。

圖1 交叉互聯(lián)接地方式接線圖

圖2 沿線感應(yīng)電壓分布圖

若沒有實(shí)施理想的交叉互聯(lián)接地，則會(huì)形成金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流，帶來直接接地點(diǎn)的地電位升。地電位升由感應(yīng)環(huán)流的零序分量產(chǎn)生，根據(jù)理論計(jì)算和運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)可知，地電位升的絕對(duì)數(shù)值不高，不會(huì)使金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓超過規(guī)范要求。

1.2 抑制金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流

交叉互聯(lián)接地方式要求交叉互聯(lián)段內(nèi)三小段電纜長度盡可能均等，充分利用串聯(lián)連接的金屬護(hù)層感應(yīng)電壓的抵消作用，減小了兩端直接接地點(diǎn)間的感應(yīng)電壓差，從而抑制了金屬護(hù)層的感應(yīng)環(huán)流。

1.3 降低金屬護(hù)層短路感應(yīng)電壓

由于三相和兩相短路電流不以大地為回路，且回路的路程較近，因此短路電流在金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓較小。金屬護(hù)層對(duì)地的最高感應(yīng)電壓出現(xiàn)在線路發(fā)生單相短路時(shí)。對(duì)于交叉互聯(lián)線路，單相短路電流可以通過線路兩端直接接地的金屬護(hù)層實(shí)現(xiàn)短路電流的回流，起到降低金屬護(hù)層感應(yīng)電壓、抑制短路電流對(duì)外界的干擾的作用。這一天然的短路電流回流通道是交叉互聯(lián)接地方式相比單端直接接地方式的一個(gè)重要優(yōu)勢。

對(duì)于單端直接接地方式，若想達(dá)到這一抑制短路感應(yīng)電壓的效果，則必須沿線布置一根回流線。

2 交叉互聯(lián)接地方式的缺陷

隨著電纜線路規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來越多的運(yùn)行數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)表明，交叉互聯(lián)接地方式存在著一些固有的缺陷，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

2.1 金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的不可避免

交叉互聯(lián)接地方式要求金屬護(hù)層兩端直接接地，這樣就不可避免地帶來了金屬護(hù)層的感應(yīng)環(huán)流問題。若實(shí)施了理想的交叉互聯(lián)接地，則金屬護(hù)層兩端的感應(yīng)電壓差為零，因此沒有感應(yīng)環(huán)流。但是在實(shí)際工程中，受工程中各種實(shí)際條件的制約，電纜線路往往難以實(shí)施理想的交叉互聯(lián)接地，因此在金屬護(hù)層上存在不同程度的感應(yīng)環(huán)流。下面以某220 kV單回電纜線路為例，利用ATP軟件，分表1所列的幾種情況分別計(jì)算金屬護(hù)層的感應(yīng)環(huán)流。

表1 感應(yīng)環(huán)流與線芯電流的比值關(guān)系

對(duì)表1進(jìn)行分析可以得出：

（1）電纜分段長度完全相等時(shí)，只有品字形排列，感應(yīng)環(huán)流才等于零；

（2）電纜分段長度完全相等時(shí)，全線采用同一種排列方式，感應(yīng)環(huán)流不大；

（3）水平排列或垂直排列的中間相，感應(yīng)環(huán)流值相對(duì)較??；

（4）同一種排列方式，分段長度越不均勻，感應(yīng)環(huán)流越大；

（5）若線路為不同排列方式的組合，排列方式的區(qū)別越大，排列方式的占比越具有可比性，則感應(yīng)環(huán)流越大。在線路兩端接地電阻很小的情況下，該環(huán)流值可能達(dá)到較大的數(shù)值。

感應(yīng)環(huán)流帶來了金屬護(hù)層的環(huán)流損耗，造成電纜發(fā)熱，直接影響了電纜載流量，同時(shí)降低了電纜的傳輸效率。南方電網(wǎng)公司的《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》（Q/CSG114002-2011）中規(guī)定：金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流不超過線芯工作電流的10%［7］。

2.2 線路改造時(shí)接地方式改造的困難

隨著城市電網(wǎng)的不斷發(fā)展，新建變電站的接入、城市規(guī)劃的調(diào)整以及其他一些因素，都可能帶來已建電纜線路的改造。常見的電纜線路改造需求主要有線路解口、改接和T接。這些改造需求都可能使電纜分段和線路長度發(fā)生明顯的變化，而這些正是決定交叉互聯(lián)接地方式能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

對(duì)于解口和改接線路，若改造點(diǎn)沒有選于交叉互聯(lián)大段的端部，則會(huì)破壞原有線路的交叉互聯(lián)循環(huán)，造成金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的增大。對(duì)于T接線路，若T接點(diǎn)選在交叉互聯(lián)大段的中間，則會(huì)引起線芯電流的潮流變化，使得一個(gè)交叉互聯(lián)循環(huán)段內(nèi)各小段的潮流大小不一致，也會(huì)造成金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的增大。

為避免感應(yīng)環(huán)流的增大，常見的接地方式改造方案主要有以下二種：

（1）若改造前后線路長度及分段變化不大，可采用直通接頭，恢復(fù)原有交叉互聯(lián)接地方式。這種改造需求較為少見，處理起來也相對(duì)容易。

（2）若改造前后線路長度及分段變化較大，可采用“假接頭技術(shù)”對(duì)原有的電纜分段進(jìn)行重新配置，形成新的交叉互聯(lián)循環(huán)。這種改造需求較為常見，但假接頭技術(shù)的認(rèn)可度不高，多用于110 kV及以下電纜線路。

對(duì)于交叉互聯(lián)接地的電纜線路來說，線路改造帶來的接地方式改造是一件較為復(fù)雜和困難的工作，需綜合考慮正常運(yùn)行工況、工頻短路工況以及過電壓工況的諸多影響［8-9］，同時(shí)還需考慮改造方案的可實(shí)施性，然后制定出合理可行的改造方案。需要注意的是，改造方案不當(dāng)還易造成金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的增大。

3 金屬護(hù)層環(huán)流的抑制措施

根據(jù)以上的分析可知，交叉互聯(lián)接地方式金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流不可避免，在某些特殊的情況，此環(huán)流還可達(dá)到較大的數(shù)值。本章重點(diǎn)針對(duì)此問題，探討幾種金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的抑制措施。

3.1 采用扼流電抗器

扼流電抗器簡單來說為一個(gè)飽和電抗器，串接在金屬護(hù)層和大地之間。當(dāng)電抗器不飽和時(shí)，電抗器呈現(xiàn)出“較大”的電抗值（如10Ω），可以起到抑制金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的效果；在系統(tǒng)發(fā)生單相短路時(shí)，短路電流從金屬護(hù)層實(shí)現(xiàn)回流，使得電抗器趨于飽和，電抗值減少，有利于短路電流的回流。同時(shí)為防止暫態(tài)過電壓對(duì)扼流圈的危害，還需設(shè)計(jì)專門的保護(hù)器與其并聯(lián)配置，使其伏安特性曲線被護(hù)層絕緣保護(hù)器伏安特性曲線覆蓋。

此抑制措施已在珠海供電局的某一電纜線路的改造工程中采用，并取得了一定的效果。但考慮到扼流電抗器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要專門場地進(jìn)行安置，同時(shí)增加了以后的運(yùn)行維護(hù)工作量，其應(yīng)用效果的穩(wěn)定性還需要經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)。

3.2 補(bǔ)償電感

補(bǔ)償電感法由文獻(xiàn)［10］提出：其基本原理是將該補(bǔ)償裝置套裝于終端處的電纜上，并將此補(bǔ)償裝置串聯(lián)接入金屬護(hù)層與大地的回路之間，當(dāng)線芯中通過電流時(shí)，由若干匝線圈組成的補(bǔ)償裝置產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，以抵消交叉互聯(lián)后不均衡的金屬護(hù)層感應(yīng)電壓，抑制金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流。

圖3 感應(yīng)電動(dòng)勢相量關(guān)系圖

對(duì)其原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此法的適用性不強(qiáng)，原因如下：補(bǔ)償電感法所采用的是電抗器，其電感數(shù)值大小可以通過線圈匝數(shù)和氣隙厚度來控制，但其相位卻無法進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)電路原理，補(bǔ)償電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E1′、E2′和E3′與線芯電流相位相差90°（如圖3b所示）。但金屬護(hù)層所需補(bǔ)償?shù)母袘?yīng)電動(dòng)勢E1、E2和E3（如圖3a所示）與所對(duì)應(yīng)的線芯電流的相位關(guān)系卻并不唯一，這樣就使得需補(bǔ)償量和實(shí)際補(bǔ)償量的相位關(guān)系在0°～360°變化，且隨時(shí)間的變化也有所不同。因此補(bǔ)償電感只能在某一特殊的相位區(qū)間內(nèi)有效，而在其他相位區(qū)間則甚至有可能起到相反的作用。

因此，要想解決這一問題，這個(gè)補(bǔ)償裝置必須具有與統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）類似的功能（能夠補(bǔ)償任意相位和幅值的感應(yīng)電動(dòng)勢）［11-12］，這樣才能達(dá)到抑制金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的作用，顯然僅補(bǔ)償電感是無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。

3.3 設(shè)置獨(dú)立地網(wǎng)

設(shè)置對(duì)立地網(wǎng)是針對(duì)同走廊敷設(shè)的多回電纜線路的，其目的是抑制金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的零序分量。同走廊敷設(shè)的多回電纜接入同一地網(wǎng)的示意圖如圖4所示（以雙回為例）。

圖4 同走廊敷設(shè)的多回電纜接入同一地網(wǎng)的示意圖

對(duì)于常規(guī)的單回電纜線路（只看甲線），若金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流存在零序分量，則該分量的回流通道為“X1-X2-X3-X4-R1-R2-X5-X1”，由于R1、R2的電阻相對(duì)較大，因此零序環(huán)流相對(duì)較小。若雙回電纜接入同一地網(wǎng)（如圖4所示），則感應(yīng)環(huán)流的零序分量將多出三個(gè)回流通道，其中一條通道為“X1-X2-X3-X4-Y4-Y3-Y2-Y1-Y5-X5-X1”（另外兩條通道為乙線的另兩個(gè)金屬護(hù)層通道），由于這一個(gè)通道全為金屬材料，電阻值相對(duì)較小，使得整個(gè)回流通道的電阻值降低，從而增大了零序感應(yīng)環(huán)流。若使用獨(dú)立電網(wǎng)將兩回線路分別接地，即去掉X4-Y4以及X5-Y5間的連接線，則環(huán)流通道又將只能經(jīng)過兩端地網(wǎng)的接地電阻，即增加了零序電流通道電阻，從而降低金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流。

但是，此方法的應(yīng)用有一定的不便之處，主要是因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)設(shè)計(jì)需要一定的空間，若是全電纜線路，在城市擁擠地段敷設(shè)，很難找到足夠的空間布置接地電阻滿足規(guī)程要求的獨(dú)立地網(wǎng)；若電纜敷設(shè)于隧道中，由于全隧道的地網(wǎng)連成一個(gè)整體，也就無法進(jìn)行獨(dú)立地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。比較適合本措施實(shí)施的線路為架空電纜混合線路，可以在電纜終端塔或電纜終端站處實(shí)現(xiàn)獨(dú)立地網(wǎng)的布置。

但是要強(qiáng)調(diào)的是，設(shè)置獨(dú)立地網(wǎng)只能降低多回并行電纜的零序電流，無法降低由本回路不平衡引起的感應(yīng)環(huán)流。

4 金屬護(hù)層接地方式優(yōu)化方案

根據(jù)以上的分析可知，交叉互聯(lián)接地方式下電纜金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流不可避免，而各種抑制措施的有效性和適用性也不甚理想，因此為從根本上解決感應(yīng)環(huán)流和線路改造困難的問題，本文提出了兩種優(yōu)化方案。

4.1 逐段單端接地方式

逐段單端接地即將電纜線路分成若干小段，當(dāng)每小段的金屬護(hù)層正常感應(yīng)電壓滿足現(xiàn)行規(guī)范所列的感應(yīng)電壓限值要求時(shí)，將每小段一端的金屬護(hù)層經(jīng)直接接地箱與地網(wǎng)相連，另一端的每相電纜金屬護(hù)層分別經(jīng)一個(gè)電壓保護(hù)器接地，實(shí)施單端直接接地。逐段單端接地常規(guī)的接線示意圖見圖5。

圖5 逐段單端接地方式接線示意圖

逐段單端接地可以看作是若干個(gè)單端直接接地段的組合，其與交叉互聯(lián)接地相比，具有的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）在正常運(yùn)行工況，感應(yīng)環(huán)流為零，感應(yīng)電壓被限制在規(guī)程允許的范圍之內(nèi)。

（2）線路改造時(shí)接地方式改造靈活，改造后依然能保持單端接地的接地方式，無感應(yīng)環(huán)流問題，也無需采用假接頭。

（3）直接接地點(diǎn)選擇靈活。對(duì)于全電纜線路，可將兩端金屬護(hù)層均經(jīng)護(hù)層過電壓保護(hù)器與變電站地網(wǎng)相連，降低了變電站地電位升對(duì)電纜接地系統(tǒng)的影響；對(duì)于架空-電纜混合線路，變電站側(cè)金屬護(hù)層經(jīng)護(hù)層過電壓保護(hù)器與變電站地網(wǎng)相連，線路側(cè)金屬護(hù)層直接接地；對(duì)于架空-電纜-架空混合線路，兩端金屬護(hù)層均可采用直接接地。

但逐段單端接地也存在缺點(diǎn)，其主要來自于工頻短路工況，為降低短路工況的金屬護(hù)層感應(yīng)電壓，也為了降低短路電流對(duì)臨近弱電線路的電氣干擾強(qiáng)度，逐段單端接地需配置回流線。但近年來，回流線被盜的問題越來越突出，回流線被盜引起的接地系統(tǒng)事故也屢有發(fā)生（見圖6）。

為解決此問題，可采用防盜型蓋板等防盜設(shè)備，同時(shí)還需配合更先進(jìn)的管理手段，不能讓回流線的防盜問題成為制約先進(jìn)接地方式的應(yīng)用阻礙。

4.2 交叉互聯(lián)單端接地方式

交叉互聯(lián)單端接地由傳統(tǒng)的交叉互聯(lián)接地演化而成，將交叉互聯(lián)接地的一個(gè)直接接地端改為經(jīng)護(hù)層過電壓保護(hù)器接地，并沿電纜敷設(shè)一根回流線。交叉互聯(lián)單端接地接線示意圖見圖7。

圖6 回流線被盜引起護(hù)層過電壓保護(hù)器燒壞

圖7 交叉互聯(lián)單端接地方式接線示意圖

由于金屬護(hù)層只有一端與地網(wǎng)直接相連，金屬護(hù)層就無法成為短路電流的回流通道，因此需增加一根回流線，以降低短路工況的感應(yīng)電壓。交叉互聯(lián)單端接地和交叉互聯(lián)接地相比，具有的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）在正常運(yùn)行工況，感應(yīng)環(huán)流為零，感應(yīng)電壓被限制在規(guī)程允許的范圍之內(nèi)；

（2）適合用于交叉互聯(lián)接地線路的改造工程，無需改動(dòng)交叉互聯(lián)點(diǎn)絕緣接頭的配置；

（3）對(duì)于架空電纜混合線路，可將變電站側(cè)金屬護(hù)層經(jīng)護(hù)層過電壓保護(hù)器與變電站地網(wǎng)相連，降低了變電站地電位升對(duì)電纜接地系統(tǒng)的影響。

其缺點(diǎn)與逐段單端接地一樣，需配置回流線，因此需注意回流線防盜的問題。

5 結(jié) 論

（1）高壓單芯電纜交叉互聯(lián)接地方式下金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流難以避免，現(xiàn)有感應(yīng)環(huán)流的措施效果不佳。扼流電抗器設(shè)計(jì)復(fù)雜，其應(yīng)用效果的穩(wěn)定性還有待驗(yàn)證；補(bǔ)償電感法適應(yīng)性差；設(shè)置獨(dú)立地網(wǎng)只能降低多回并行電纜的零序電流，無法降低由本回路不平衡引起的感應(yīng)環(huán)流。

（2）交叉互聯(lián)接地方式電纜線路，在線路改造時(shí)往往會(huì)面臨接地方式改造困難問題，改造方案設(shè)計(jì)不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致金屬護(hù)層感應(yīng)環(huán)流的增大。

（3）本文提出的逐段單端接地和交叉互聯(lián)單端接地兩種優(yōu)化的接地方式，繼承了現(xiàn)有接地方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了感應(yīng)環(huán)流和線路改造困難等問題，可以作為以后工程的推廣方向。

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Optim ization Research on Cross-Bonding Connection of AC Single-Core Cable

QIU Hao，ZHENG Zhi-yuan
（Guangdong Electric Power Design Institute，Guangzhou 510663，China）

In order to optimize the cross-bonding connection of AC single-core cable，the merits and demerits of cross-bonding connection are analyzed at first.It is pointed out that themain demerits lie in inevitability of induced circulating current ofmetallic sheath and reconstruction difficulty of groundingmethod caused by line reconstruction. After analyzing the given suppression measures of induced circulating current，the effectiveness and applicability are pointed out to be problematic.In order to solve the problems of induced circulating currentand reconstruction difficulty，the optimization schemes of groundingmethods are given at last.

groundingmethod；cross-bonding；induced voltage；induced circulating current；independentgrounding grid

TM757.3

A

1672-6901（2014）03-0033-05

2013-11-06

邱 昊（1984-），男，工程師.

作者地址：廣東廣州市科學(xué)城天豐路1號(hào)［510663］.