高壓單芯電纜金屬護套接地方式探討

李新振

（國網(wǎng)寧夏電力公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

有關(guān)電纜外護套絕緣的事故常有發(fā)生,引起了各設(shè)計和運行維護部門對電纜護套電壓、電流的關(guān)注和研究。3芯電纜正常運行時,通過3芯線的三相電流的總和為0，電纜金屬外護套中基本無磁場和感應(yīng)電壓。高壓單芯電纜芯線通過單相電流時，有時電流會很大，金屬屏蔽層會感應(yīng)出很高的感應(yīng)電壓，達到危及人身安全的程度，或造成電纜外護套絕緣擊穿，引發(fā)電纜損壞事故。

因此，必須采取合適的接地方式，以降低其感應(yīng)電壓，確保電纜安全、經(jīng)濟運行。以下參照電力電纜國家相關(guān)標準及文獻，闡述了高壓單芯電纜線路金屬護套各種接地方式的特點及其適應(yīng)范圍,對比了各種鋪設(shè)條件、護套接地方式下，對高壓單芯電纜金屬護套感應(yīng)電壓的影響，給出了高壓單芯電纜外護套電壓限制器選擇原則及單芯電纜設(shè)計施工、運行維護中限制外護套感應(yīng)電壓的一些建議，為工程施工中電纜金屬護套接地方式提供參考。

1 金屬護套的接地方式

高壓單芯電纜芯線通過單相電流時，會在金屬護套上產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，當(dāng)電纜長度和通過電流很大時，或當(dāng)電纜遭受操作過電壓、雷擊過電壓時，會在金屬護套上形成很高的感應(yīng)電壓，使電纜外護套絕緣發(fā)生擊穿。故應(yīng)在金屬護套的一定位置采用特殊的連接方式和接地方式，同時安裝護套電壓限制器，以防止電纜護套絕緣發(fā)生擊穿現(xiàn)象，保障電力電纜線路的安全運行。高壓單芯電纜金屬護套通常有兩端接地、一端接地、中間接地與交叉互聯(lián)4種接地方式。

1.1 金屬護套兩端接地

當(dāng)電纜線路很短，傳輸容量有較大的裕度，金屬護套上的感應(yīng)電壓極小時，可以采用金屬護套兩端直接接地的方式(見圖1)。在此情況下，金屬護套中的環(huán)流很小，造成的損耗不顯著，對電纜載流量影響不大，不需要裝設(shè)電纜護套電壓限制器。這種方式可減少運行維護工作量，但在金屬護套上存在環(huán)流，一般情況下不宜采用。

圖1 電纜金屬護套兩端直接接地

1.2 金屬護套一端接地，另一端保護接地

電纜線路較短時(500?m以內(nèi))，金屬護套通常采用一端單點互聯(lián)直接接地，另一端通過電壓限制器接地的方式(見圖2)。此時其他部位對地絕緣沒有構(gòu)成回路，可以減少及消除環(huán)流，有利于提高電纜的傳輸容量及運行安全。為保證人身安全，電纜在正常運行時，非直接接地端感應(yīng)電壓應(yīng)限制在50?V以內(nèi)；在短路等故障情況下，金屬護套絕緣的沖擊耐壓和電壓限制器在沖擊電流作用下殘壓的配合系數(shù)不小于1.4。由于電纜越長，電纜非直接接地端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓越高。因此一端直接接地的接線方式適用的電纜不能太長。

圖2 電纜金屬護套一端接地，另一端保護接地

1.3 金屬護套中間直接接地、兩端保護接地

電纜線路較長時(1?000?m以內(nèi))，若電纜線路采用一端接地，其金屬護套感應(yīng)電壓將不能滿足設(shè)計規(guī)范要求，此時可以在電纜線路的中點將電纜的金屬護套進行單點互聯(lián)接地，而電纜金屬護套的兩個終端通過電壓限制器接地(見圖3)，且保證電纜金屬護套感應(yīng)電壓不超過50?V。中間接地安裝方式的電纜線路可看作2個一端接地電纜線路連接在一起的安裝方式。

圖3 金屬護套中間直接接地，兩端保護接地

1.4 金屬護套交叉互聯(lián)

當(dāng)電纜線路很長時(超過1?000?m),電纜金屬護套可以采用交叉互聯(lián)方式接地。交叉互聯(lián)是將電纜線路分成3個等長小段(偏差不超過5?%)，在每小段之間安裝絕緣接頭，金屬護套在絕緣接頭處用同軸電纜引出并經(jīng)互聯(lián)箱進行交叉互聯(lián)后，通過電纜護套電壓限制器接地，同時，電纜2個終端的金屬護套直接接地，這樣形成1個互聯(lián)段位(見圖4)。如果三相電流對稱，那么電纜末端金屬護套感應(yīng)電壓就是0，可以直接將其接地，而不會在金屬護套中出現(xiàn)環(huán)流。感應(yīng)電壓最高的地方出現(xiàn)在絕緣接頭處，因此應(yīng)在此處裝設(shè)電壓限制器。同樣，在短路等故障情況下，金屬護套絕緣的沖擊耐壓和電壓限制器在沖擊電流作用下殘壓的配合系數(shù)不小于1.4。電纜線路更長時，可以通過若干個互聯(lián)段位連接形成1個多段互聯(lián)。每個互聯(lián)段位之間安裝直線電纜接頭，金屬護套互聯(lián)直接接地。如果把這樣一個交叉互聯(lián)接地，看作是一個單元，由于該單元金屬護套是兩端直接接地，所以任何長度的電纜，都可以分成若干個單元，理論上這種接線方式適用于各種長度的電纜。交叉互聯(lián)兩端接地采用正三角形敷設(shè)，3小段長度相等(分段均勻)時無環(huán)流產(chǎn)生；采用水平敷設(shè)且分段均勻時有微弱環(huán)流(可忽略)；而分段不均勻時其環(huán)流不可忽略，分段越不均勻環(huán)流越大。采用交叉互聯(lián)方式可以減少金屬護套感應(yīng)電壓及環(huán)流，有利于提高電纜傳輸容量。

圖4 金屬護套的交叉互聯(lián)

2 單芯電纜線路金屬護套感應(yīng)電壓計算及保護器的選擇

2.1 單芯電纜線路金屬護套感應(yīng)電壓技術(shù)要求

電纜線路的正常感應(yīng)電壓最大值規(guī)定如下。

(1)?未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，不得大于50?V。

(2)?除上述情況外，不得大于300?V。

2.2 單芯電纜線路金屬護套感應(yīng)電壓算例分析

下面給出算例，對比分析不同護套接地、鋪設(shè)方式下對電纜護套感應(yīng)電壓的影響。設(shè)電纜全長L=1?000?m，電纜技術(shù)參數(shù)I=800?A，電纜直徑D=90?mm，中心距S=160?mm，品字型、直角、直線鋪設(shè)時電纜護套感應(yīng)電壓分別按公式(1)～(3)計算：

式中：UPZX，UZJ，UZX分別為品字型、直角、直線鋪設(shè)時的護套感應(yīng)電壓，V；I電纜電流，A;L為電纜長度，m；S為電纜中心距，cm;r為電纜半徑，cm；ω為角頻率，rad/s。

計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同接地、鋪設(shè)方式下電纜護套感應(yīng)電壓對比

由公式(1)～(3)及表1可見，影響電纜護套感應(yīng)電壓的因素除了電纜金屬護套的接地方式外，還與電纜鋪設(shè)方式、工藝有很大關(guān)系。表1表明：當(dāng)單芯電纜電流很大時，兩端接地的護套內(nèi)將產(chǎn)生不小的電流，嚴重影響了電纜載流量；一端接地系統(tǒng)護套感應(yīng)電壓最大達到88.5?V，必須采取有效的措施加以限制；同時，考慮到經(jīng)濟性和安全性，單芯電纜長度超過1?000?m時，適宜采用交叉互聯(lián)系統(tǒng)。

2.3 電壓限制器的選擇

單芯電纜護套電壓限制器參數(shù)的選擇，應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1)?在最大可能沖擊電流作用下護套電壓限制器的殘壓，不得大于電纜護套的沖擊耐壓被1.4所除的數(shù)值。

(2)?在系統(tǒng)短路時產(chǎn)生的最大工頻感應(yīng)過電壓作用下，在可能長的切除故障時間內(nèi)，護套電壓限制器應(yīng)能耐受。切除故障時間應(yīng)按5?s以內(nèi)計算。

(3)?最大可能沖擊電流累積作用20次后，護套電壓限制器不得損壞。

(4)?同時應(yīng)考慮雷擊影響下電壓限制器的選擇及安裝要求。

①?電壓限制器的殘壓應(yīng)低于電纜外護套絕緣的沖擊耐壓，即：

式中：U10——電壓限制器沖擊電流下的殘壓，V；Uch——護套絕緣沖擊耐壓，V。

②?電壓限制器工頻放電電壓應(yīng)低于護套工頻擊穿電壓，即：

式中：U放——電壓限制器工頻放電電壓，V；U2——護套2?s工頻耐壓，V。

3 單芯電纜護套保護及限制護套過電壓的幾點措施

(1)?合理考慮電纜分段長度,進一步強化設(shè)計驗算。

(2)?強化對于線路故障情況下的護套感應(yīng)電壓設(shè)計驗算。

(3)?電纜護套厚度需達到技術(shù)要求，在符合電纜設(shè)計規(guī)范的前提下因地制宜地采用新型外護套。

(4)?嚴格電纜線路中間接頭、終端、交叉互聯(lián)系統(tǒng)制作安裝工藝流程。

(5)?在通道情況允許時采用回流線。

(6)?確保接地電阻達到標準要求。

(7)?加強環(huán)流監(jiān)測。

(8)?對重要的高壓電纜線路，宜設(shè)有溫度檢測裝置。

4 結(jié)束語

通過對高壓單芯電纜金屬護套接地方式的探討，在66?kV及66?kV以上電纜工程設(shè)計施工中，可在保證電力系統(tǒng)安全運行的前提下，結(jié)合現(xiàn)場實際情況選擇不同的金屬護套接地方式。單芯電力電纜的金屬護套電壓保護涉及電纜線路規(guī)劃、設(shè)計、安裝、運行維護等各個方面，每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)把好關(guān)，才能保證電纜線路的長期安全可靠運行。

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7?DL/T401—2002高壓電纜選用導(dǎo)則[S]．