FPSO中高中壓單芯電纜金屬護套接地方式的研究

董書發，馬仕躍

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FPSO中高中壓單芯電纜金屬護套接地方式的研究

董書發，馬仕躍

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

本文介紹了單芯電纜金屬護套常見的接地處理方式，分析感應電壓產生的原因。金屬護套的感應電壓除了和運行負荷的工作電流，電纜排列的方式，線芯的間距有關，還與供電回路數量，護套的接地方式選擇有關。最后，結合巴油P70項目采用電纜的參數及分析計算，指出實際敷設中應采用三角型排列，金屬護套采用單端接地處理方式。

電力電纜 護套接地 感應電壓 排列方式 海洋平臺

0 引言

隨著科學技術的發展,海洋平臺及FPSO對電力容量的需求越來越大，三芯電纜已無法滿足設備對電容量的需求，大量的高、中壓單芯鎧裝電纜被廣泛采用。由于受平臺或FPSO空間的限制，大量的電纜敷設于不銹鋼或玻璃鋼托架內，為保證作業人員的人身安全及電纜的安全運行，需對電纜鎧裝層及屏蔽層接地，選擇何種接地方式將至關重要。

1 接地方式

金屬護套接地是指將鋼鎧和銅屏蔽層接地，但在實際接地中為了便于檢測電纜內護套的好壞，有時會將鋼鎧和銅屏蔽層分別接地。本文中金屬護套接地包含鎧裝和銅屏蔽層接地。常見的單芯交流電纜的金屬護套的接地方式[1-2]有以下幾種：

1.1 單端接地

當線路不長可采取單端直接接地，如圖1(a)所示。當系統發生雷擊或短路故障時，受沖擊電壓的影響，金屬護套及屏蔽層將會產生感應電壓，感應電壓的數值遠遠超過電纜正常工作電壓數倍，可能會將電纜護套的絕緣護套擊穿，造成電纜的金屬護套多點接地，因各個接地點位置不同，電位也將不同，之間存在電位差，與大地構成回路而護套中出現接地環流。由于金屬護套及屏蔽層電阻阻值比較小，產生的環流較大，可能達到電纜導體輸電電流的1/3，金屬護套將會產生發熱，電纜的載流量也將會受到影響，若該電流持續時間較長，發熱將會使電纜絕緣老化，降低電纜的使用壽命，造成電能的損耗。

1.2 中點接地

當電纜長度較長時，若電纜線路采用單端接地，金屬護套因工作電壓而產生的感應電壓將不滿足設計規范要求[3]，為降低感應電壓，可以在電纜線路的中點將電金屬護套進行單點接地，而金屬護套的兩終端采用保護器接地方式，如圖2(b)所示，中點接地可看作兩個單端接地。采用此接地方式可保證感應電壓不超過50 V，滿足規范要求。

圖1 接地方式

1.3 兩端接地

兩端接地即全接地方式，如圖1(c)所示。當電纜長度較短，負荷較小時，可將金屬護套兩端直接接地方式，接地兩端也不采用保護裝置。若金屬護套兩端直接接地，金屬護套、大地將構成一個回路，在電纜正常運行時，金屬護套因受交變的電流影響，將在金屬護套中產生感應電壓進而形成環流及相應損耗。有文獻指出，若用此種接地方式，在高壓電纜回路中產生的環流數值高達電纜導體電流的50%以上，甚至更高。因此，電纜金屬護套兩端接地一般不用，僅適用于極短電纜和小負載電流線路中。

1.4 交叉互聯接地

若線路較長，可采取交叉互聯接地，如圖2所示。電力電纜在運行時A、B、C三相電壓相位差為120°，在每相的金屬護套中產生的感應電壓也相差120°，若將三相電壓矢量相加，結果等于0。交叉互聯接地是利用三相電壓矢量和為零，將每相線路分成三或三倍數段，然后利用互聯箱進行交叉連接，感應電壓將相互抵消，再通過護套保護器接地處理，電纜兩端的金屬護套直接接地處理。若將電纜線路合理的分配成等長段，三相線路嚴格對稱，可實現理想的交叉互聯，每相護套內的感應電壓為零，電纜兩端的接地電位差也為零。采用此方案，可提高電纜的輸電容量，保證電纜的可靠運行。

圖2 交叉互聯接地

電纜的金屬護套采用不同接地方式的目的是降低及消除感應電壓，確保巡視及檢修人員的人身安全。根據國內相關的標準和規范，交流單芯電力電纜的金屬護套，必須直接接地，且在金屬護套上任一點非接地處的感應電壓應滿足以下要求：在未采取安全措施時，感應電壓不得大于50 V；在采取安全措施時，感應電壓不得大于100 V。其他部位對地不構成電流回路，減少及消除環流，只有這樣才能提高電纜的傳輸容量及電纜的運行安全。表1給出不同接地方式優缺點對比表。

表1 接地方式對比

2 感應電壓分析

在交流傳輸系統中，從單芯電纜的導體及金屬護套的結構上，可以看成為一個空芯變壓器，電纜的金屬導體為變壓器的一次繞組，金屬護套為變壓器的二次繞組，金屬導體流過交變的電流，產生交變的磁場，在交變磁場中的金屬護套也會產生感應電壓。若電纜長度較短時感應電壓的數值不大，若長度較長時因感應電壓的疊加，數值將會很大，可能會危及作業人員的人身安全。當護套與大地形成通路時，護套中的感應電壓將會在護套中形成環流，消耗電能，并引起電纜發熱，特別是在高壓及超高壓電纜線路中，護套損耗對線路的載流量造成很大的影響[4-6]。

在圖3中，1、2、3分別為A、B、C三相各個金屬護套之間的間距。為了便于分析，在三相負荷電流平衡的電纜線路中，將同芯的金屬護套O看作鄰近的平行導線。在圖3中，為A相電纜金屬護套幾何半徑；3為與C相間距；1為A相金屬護套與B相間距，2為B相金屬護套與C相間距，單位為mm。設A、B、C相通過的電流為：

根據電磁感應原理可知，在A、B、C三相金屬護套中產生的磁通分別為：

在式2中，s為假想的平行導體O的幾何半徑，≈s,根據公式1三相電流關系及公式2磁通與電壓之間的關系，可得三相中的感應電壓為:

圖4 單芯電纜排列方式

根據式（3）可知，每一相產生的感應電壓與每相之間的線芯距離，線路的負載電流相關。當金屬護套、大地構成回路時，因感應電壓的存在，金屬護套上會產生電流即環流。同時，受電纜構成及結構的影響，單芯電纜線芯與金屬護套構成一個電容器，中間介質為電纜主絕緣層，在金屬護套中，還包含泄漏電流、充電電流。后兩種電流的大小主要受電纜線芯與金屬護套之間的電壓及電纜結構參數等因素的影響，與電纜三相排列方式與金屬護套接地方式無關。實際工程中常見的電纜排列方式如圖3所示，包括直角排列，三角排列和水平排列。

在巴油P70項目中，采用的單芯高壓電纜為15 kV交聯聚乙烯單芯鎧裝300 mm2，負荷電流500 A,電纜軸間距44.2 mm，金屬護套平均半徑18.6 mm，根據公式3計算可得，各電纜排列方式對應的每相感應電壓如表2。

表2 不同敷設方式感應電壓數值

敷設方式感應電壓V/km USAUSBUSC 三角27.227.227.2 直角34.327.234.3 水平42.427.242.4

由表2可知，在單芯電纜金屬護套中產生的感應電壓，不但取決于電纜的負荷電流，同時也受三相單芯電纜的排列方式及傳輸線路長度的影響。此外，根據相關文獻護套中的感應電壓還與附近線路的排列方式，有無回流線，回流線的根數，線路回路數有關[7-9]。在金屬護套中的環流，受感應電壓、接地電阻，金屬護套的阻抗等參數影響。

3 結語

單芯電纜金屬護套接地方式的選擇將直接影響著電纜的安全運行，采取合適、正確的接地方式，不僅能提高電纜的傳輸容量，降低工程成本，而且對設備的運行、維護有著重要的意義。因此，在電纜線路設計及施工中，應合理的選擇接地方式。此外，對于單芯電纜，為減少渦流等因素的影響，設計及選擇時不應采用未經磁化處理的金屬鎧裝護套。通過對中高壓單芯電纜采用不同排列方式及感應電壓的計算分析并結合實際情況，巴油P70項目采用三角形敷設方式，即將三相電纜通過卡子固定在一起，金屬護套接地采用盤柜側單端接地，另一端做懸空并做相應的絕緣處理。

[1] 鄭肇驥, 王琨明. 高壓電纜線路[M]. 北京: 水利電力出版社, 1993．

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Research on Grounding Mode for High and Middle Voltage Single Core Cable Metal Sheath in FPSO

Dong Shufa, Ma Shiyue

（Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China）

TM75

A

1003-4862（2019）01-0040-03

2018-08-18

董書發（1984-），男，工程師。研究方向：機電一體化及海洋平臺建造。E-mail：dongsf@mail.cooec.com.cn