110kV單芯電纜金屬護套感應電壓計算及分段

蔡高鳳

摘 要：電纜線路較長時將引起過高的金屬護套感應電壓，從而降低電纜的使用壽命，并危及人身安全。建立三相線芯對屏蔽層感應電壓計算模型，推導出單芯電纜金屬護套的感應電壓表達式，得到了正常運行條件下不同長度的單芯電纜線路感應電壓。

關鍵詞：單芯電纜 金屬護套 電磁場理論 感應電壓 交叉互聯接地 分段

中圖分類號：TE937 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0073-02

Induced Voltage Calculation and Fragmentation of Metallic Sheath for 110kV

Single-conductor Cable

Cai Caofeng

（Yunfu Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Yunfu，Guangdong，527300，China）

Abstract：Metal sheath of long cable lines can produce high induced voltage， which reduce the cable life and endangers the personal safety. Build the induced voltage calculation model of three phase conductors to the metal sheath， derive the induced voltage calculation expression of the single-core cable metal sheath.

Key Words：Single-core cable； Metal sheath； Electromagnetic field theory； Induced voltage； Cross connection grounding； Segmentation

隨著架空電力線路走廊的日趨緊缺及電纜技術的發展，城市敷設110 kV高壓電纜越來越廣泛。在工程實際中，為了提高單芯電力電纜線路的輸送容量，可以采取電纜金屬護套接地的方法，但金屬護套上不可避免地會產生感應電壓。當電纜線路很長時，電纜金屬護套的感應電壓會達到較高的數值，威脅人身安全，同時增大護套感應電流，導致電纜溫度過高而影響電纜載流量且降低電纜的使用壽命。因此，需要采取相應的措施來降低或消除金屬護套的感應電壓。由于在電纜的負荷、短路電流以及電纜三相排列方式等因素確定的情況下，電纜段長是控制電纜金屬護套感應電壓的主要因素，因此目前常采用的降壓方法是對電纜進行分段處理。

工程上采用的傳統計算公式對金屬護套的感應電壓進行估算時，由于公式極其復雜，使用非常不便。為此，在傳統計算公式的基礎上對金屬護套的感應電壓計算公式進行改進，推導出較為簡便的感應電壓計算公式。

1 電纜感應電壓及產生原因

對于單芯電纜，金屬護套的感應電壓就可能達到很大的數值，危及人身安全及降低電纜使用壽命。因此，必須驗算感應電壓及采取有效的限制措施，將電纜金屬護套感應電壓限制在規程規定的范圍內。

單芯電力電纜的金屬導線與金屬護套或屏蔽層可看作雙繞組變壓器的線圈。當電纜通過交流電時，導體電流產生的一部分磁通與金屬護套或屏蔽層鉸鏈，這部分磁通使屏蔽層產生感應電壓[2]。感應電壓的大小與電纜線路的長度、電流的大小及頻率、電線排列中心距離和金屬護套平均半徑之比的對數成正比。如果單芯電纜屏蔽層采取兩端同時接地，屏蔽層感應電壓會在閉合通路中產生環形電流，電纜正常運行時屏蔽上的環流與導體的負荷電流為同一數量級，帶來嚴重的環流損耗，導致電纜發熱嚴重，影響電纜的壽命和載流量。

根據[1]要求，單芯電纜線路的金屬護套或屏蔽層，在線路上至少有一點直接接地，且在金屬護套或屏蔽層上任一點非接地處的正常感應電壓應符合下列規定：（1）未采取能防止人員任意接觸金屬護套或屏蔽層的安全措施時，在滿負載情況下，不得大于50 V；（2）采取能防止人員任意接觸金屬護套或屏蔽層的安全措施時，在正常滿負荷情況下，不得大于300 V。

2 感應電壓的限制措施

限制感應電壓的措施主要有三種，分別為金屬護層兩端接地、金屬護層一端接地及金屬護層交叉互聯接地[3-4]。

2.1 金屬護層兩端接地

線路較長，單點直接接地方式無法滿足文獻[1]的要求時，水下電纜、35 kV及以下電纜或輸送容量較小的35 kV以上高壓電纜，可采取在電纜線路兩端直接接地（如圖1所示）；35 kV以上高壓電纜線路較短或利用率很低時，可以采取全接地方式。在此情況下不需要安裝護層保護器，雖然可以減少運行維護工作量，但在金屬護套上存在環流，一般不宜采用該種方式。

2.2 金屬護層一端接地

金屬護層一端接地是指一端直接接地（單點互聯接地），另一端通過保護器接地的安裝方式（如圖2），其它部位對地絕緣沒有構成回路，可以減小或消除環流，有利于提高電纜的輸送容量及電纜的安全運行。采用金屬護層一端接地的電纜線路在與架空線路連接時，直接接地端宜裝設在與架空線路連接的一端，保護器裝設在另一端，這樣可以降低金屬護層上的沖擊過電壓。在直接接地端接地線應先互聯后再接地。如圖2所示。

2.3 金屬護層交叉互聯接地

當電纜線路很長時（一般超過1000m），可考慮電纜護層交叉互聯的方式來降低電纜護層感應電壓。如圖3所示。

正常運行時的三相電纜金屬護套的感應電壓幾乎等于零，但在系統中發生短路時由于三相磁感應平衡就會在金屬護套內出現很高的感應電壓甚至將外護套絕緣擊穿，因此三相電纜的線路至少應在其兩端實施直接接地，同時在金屬護套交叉互聯處，為了限制在系統暫態過程中金屬護套或屏蔽層的電壓，需裝設護層保護器。endprint

3 電纜的分段設計

單芯電纜金屬護套對地電壓和相間電壓，與多種因素有關，包括電纜的負荷、短路電流以及電纜三相排列方式、電纜長度等因素。在電纜的負荷、短路電流以及電纜三相排列方式等因素確定的情況下，電纜段長是控制電纜的感應電壓主要因素。

為此在設計電纜分段長度時，在保證感應電壓滿足規范要求的情況下，一般都希望增加電纜的分盤長度，這樣一來可加快工程進度，二來可以降低工程造價和減少事故率，但是分盤長度也不能無限制地增大，主要原因如下：

生產方面

考慮到電纜裝盤和裝卸等問題，應該對電纜長度進行限制，滿足周轉盤和出貨盤的直徑和承重限制的要求。

施工不便

對于110kV及以上的高壓電纜，由于它重量較大，例如一個電纜盤繞有500m長330kV的充油電纜，其直徑約4m，質量約20t，故電纜施工時的牽引力也比較大，因此設計時必須控制牽引力不超過允許值。

運輸困難

電纜在運輸時應纏繞在特制的電纜盤上，因為受到彎曲半徑的限制，電纜盤的直徑必須滿足一定的要求，所以隨著電纜分盤長度的增加，電纜盤的直徑和長度也要相應增加，對運輸車輛和運輸通道的要求也更高。

4 電纜感應電壓的計算

圖4中、、為三相線路，對于三相負荷電流平衡的電纜線路，它的同芯金屬屏蔽層可以認為是鄰近的平行導線[5，6，7]。

因此，平行導線（屏蔽層）對相導線來說，，，，其中是相導線對屏蔽層的幾何平均半徑，約等于（平行導線的幾何平均半徑）。相電纜屏蔽層由于電流所形成的磁通表達式：

（1）

同理相屏蔽層由于導線電流和所形成的磁通和的表達式：

（2）

（3）

因此相屏蔽層的磁通總和為：

（4）

又因為，所以可寫為

（5）

從而得到相屏蔽層的縱向感應電壓表達式：

（6）

式中，為金屬護套上的感應電壓梯度，單位V；為電纜長度，單位m；為角頻率。

5 結論

通過以上分析可以得出：

（1）其他條件相同的情況下，電纜長度是金屬護套上感應電壓的決定因素。縮短電纜長度可以有效降低電纜金屬護套上的感應電壓的數值。

（2）實際工程中，電纜段長不僅要結合電力電纜的生產、運輸和施工情況，還應該通過計算電纜金屬護套感應電壓確保金屬護套感應電壓滿足規范中的要求。

參考文獻

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[3] 張恩峰，孟凡民，李鯤鵬.35～110kV單芯電力電纜金屬護層接地方式的探討[J].中國煤電，2008，34（8）：71-72，74.

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