回流線對(duì)2500 mm2單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓的影響分析

張小洪

（福州電力設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350007）

引言

眾所周知，陸地高壓?jiǎn)涡倦娎|都設(shè)有一層鋁或鉛材料的金屬護(hù)套，當(dāng)線芯通電后會(huì)在金屬套上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。為避免金屬套形成環(huán)流，在線路長(zhǎng)度較短或分段不能均勻情況下，會(huì)采用單端接地方式。在系統(tǒng)短路時(shí)電纜金屬套產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓超過護(hù)套絕緣耐受強(qiáng)度或護(hù)層電壓限制器的工頻耐壓、需抑制電纜對(duì)鄰近弱電線路的電氣干擾強(qiáng)度時(shí)，需沿電纜鄰近設(shè)置平行回流線[1]。由于回流線的安裝位置、數(shù)量的不同對(duì)金屬套感應(yīng)電壓影響不同，本研究以單回線路單根回流線及雙回線路共用一根回流線為例計(jì)算分析回流線對(duì)金屬護(hù)套感應(yīng)電壓的影響。

1 工頻感應(yīng)電壓計(jì)算原理

圖1為單芯電纜金屬護(hù)套至各相線芯之間的中心距離表示法。

圖1 單芯電纜金屬護(hù)套至各相線芯之間的中心距離表示法

按電工原理可得A、B、C三相金屬護(hù)套上的縱向感應(yīng)電勢(shì)為：

式（1）為單回電纜的正常感應(yīng)電壓計(jì)算公式。對(duì)于任意多回電纜，可按此原理進(jìn)行推導(dǎo)，但推導(dǎo)出來的公式不易用于計(jì)算機(jī)計(jì)算。由于感應(yīng)電壓也遵循疊加原理，可將任意多回電纜感應(yīng)電壓計(jì)算表示為：

式中：Ei為計(jì)算相電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓，V/km；φi為計(jì)算相電纜金屬護(hù)套上產(chǎn)生的總磁通，V/km；In為第n相電纜的電流，A；Dn為第n相電纜到計(jì)算相電纜之間的中心距離，m；GMRi為計(jì)算相電纜金屬護(hù)套幾何平均距離，m。

2 加回流線后正常工頻感應(yīng)電壓計(jì)算

電纜附近安裝有一非磁性平行導(dǎo)體的回流線p時(shí)，可按式（2）計(jì)算出各電纜對(duì)回流線p產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。由于回流線兩端接地，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以大地為回路的電流Ip，同時(shí)，這個(gè)電流也會(huì)對(duì)各電纜的護(hù)套感應(yīng)出電壓，當(dāng)不計(jì)回流線的接地電阻時(shí)，回流線上的電流：

于是可得到回流線對(duì)計(jì)算回路的感應(yīng)電壓分別為：

將式（4）計(jì)算結(jié)果分別與式（2）計(jì)算結(jié)果相加，得到因加裝了回流線后各相電纜的護(hù)套感應(yīng)電壓。

3 事故時(shí)的感應(yīng)電壓計(jì)算原理

系統(tǒng)事故類型分為三相短路、相間短路及單相接地短路。單相接地短路故障約占65%，三相短路故障約占5%[7]，且一般單相接地時(shí)的感應(yīng)電壓為最高。因此，重點(diǎn)分析單相接地短路時(shí)對(duì)護(hù)套的影響。單相接地短路電流按回流方式不同主要有：①接地電流全部以大地為回路（即不裝回流線情況）；②接地電流全部以電纜護(hù)套或回流線為回路；③接地電流部分以大地作為回路，另一部分以護(hù)套或回流線為回路。回路示意圖分別見圖2～4，計(jì)算公式分別見公式（5～11）。

圖2 接地電流全部以大地為回路

圖3 全部以電纜護(hù)套或回流線為回路示意圖

圖4 部分以大地作為回路，另一部分以護(hù)套或回流線為回路示意圖（回流線未接進(jìn)電源點(diǎn)）

式（5～11）中：IF為單相接地短路電流，A；Rg為大地電阻π2f × 10‐4，Ω/km；R為接地電阻，Ω；L為電纜長(zhǎng)度，km；Rp為回流線電阻，Ω/km；GMRS為金屬套幾何平均半徑，m；GMRc為電纜線芯幾何平均半徑，m；GMRp為回流線幾何平均半徑，m。

4 電纜計(jì)算參數(shù)

表 1 為 ZB‐YJLW03‐Z 127/220 1×2500 電纜主要參數(shù)，表 2為ZR‐JDYJV 8.7/10 1×300電纜主要參數(shù)。

表1 ZB‐YJLW03‐Z 127/220 1×2500電纜主要參數(shù)

表2 ZR‐JDYJV 8.7/10 1×300電纜主要參數(shù)

5 感應(yīng)電壓計(jì)算分析

根據(jù)上述計(jì)算原理，利用電子計(jì)算機(jī)，假定電纜線芯最大負(fù)荷電流1970 A，其他電纜負(fù)荷電流1000 A，大地電阻率為 50 Ω·m、回流線電阻為0.060 1 Ω/km，按單雙回路不帶回流線、帶回流線(三七布置)、帶回流線(任意布置)等方式進(jìn)行理論計(jì)算，其簡(jiǎn)圖如圖5～10所示。

圖5 單回不帶回流線（三七布置）

圖6 單回帶回流線

圖7 單回帶回流線（靠邊布置）

圖8 雙回不帶回流線

圖9 雙回帶回流線(一)

圖10（a/b)雙回帶回流線(二)

5.1 正常感應(yīng)電壓計(jì)算結(jié)果及分析

表3所列為單回路正常感應(yīng)電壓,表4所列為雙回路正常感應(yīng)電壓(第2回路)。

表3 單回路正常感應(yīng)電壓

表4 雙回路正常感應(yīng)電壓（第2回路）

三種情況下單回路正常感應(yīng)電壓均超過了GB 50217中規(guī)定的在未采取能有效防止人員任意接觸金屬套的安全措施時(shí)不得大于50 V的要求，但都未超過300 V，因此，人員進(jìn)入電纜敷設(shè)場(chǎng)所時(shí)應(yīng)采取帶絕緣手套、穿絕緣鞋等安全措施。

單回路情況下三七開布置的帶回流線與不帶回流線工況感應(yīng)電壓大小并無明顯差異，非三七開布置的帶回流線與不帶回流線工況感應(yīng)電壓大小未降低，反而明顯升高，因此，在工程應(yīng)用過程中回流線位置的設(shè)置非常重要。

雙回電纜在不帶回流線時(shí)，正常感應(yīng)電壓較單回路電纜感應(yīng)電壓最大高約10%，可見不同回路相的互感影響較大，回路數(shù)越多影響越大。雙回路帶回流線時(shí)，回流線位置設(shè)置不同產(chǎn)生的各相感應(yīng)電壓大小也不盡相同，其中回流線設(shè)置于正中間且非三七開布置時(shí)的感應(yīng)電壓最大，回流線設(shè)置于電纜附近且采用三七開布置時(shí)的感應(yīng)電壓最小。

5.2 單相短路事故感應(yīng)電壓計(jì)算分析

由于負(fù)荷電流對(duì)事故感應(yīng)電壓影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，不計(jì)負(fù)荷電流及不同回路間的影響。并假定A相短路，接地電阻0.15 Ω，回流線未接近電源點(diǎn)，不同電纜長(zhǎng)度、不同短路電流在①接地電流全部以大地作回路；②接地電流以護(hù)套或回流線為回路；③部分接地電流以大地為回路情況下的單端接地方式護(hù)套感應(yīng)電壓。其結(jié)果如表5～7所示。

表5 回流線非三七開，If=30 kA時(shí)的感應(yīng)電壓

表6 回流線三七開，If=30 kA時(shí)的感應(yīng)電壓

表7 回流線三七開，If=40 kA時(shí)的感應(yīng)電壓

計(jì)算結(jié)果表明，非三七開排列的回流線感應(yīng)電壓較三七開排列明顯較大。越靠近回流線相的感應(yīng)電壓越小，反之越大，同時(shí)非故障相電纜感應(yīng)電壓明顯小于故障相感應(yīng)電壓。接地電流以護(hù)套或回流線為回路、部分接地電流以大地為回路較接地電流全部以大地作回路的感應(yīng)電壓小60%～70%，可見增設(shè)了回流線后，感應(yīng)電壓下降顯著；接地電流以護(hù)套或回流線為回路與部分接地電流以大地為回路之間感應(yīng)電壓相差不大。工程上最常見的是接地電流部分以大地作為回路，另一部分以回流線作為回路的情況。

6 護(hù)層電壓限制器技術(shù)參數(shù)

近年來護(hù)層電壓限制器廣泛采用氧化鋅閥片加工而成，其具有良好的非線性，同時(shí)沒有串聯(lián)間隙，保護(hù)特性好。規(guī)程規(guī)定護(hù)層電壓限制器在可能最大沖擊電流作用下的殘壓不得大于電纜護(hù)層的沖擊耐壓被1.4所除數(shù)值；系統(tǒng)短路時(shí)產(chǎn)生的最大工頻感應(yīng)過電壓作用下，在切除故障時(shí)間2 s情況下護(hù)層電壓限制器應(yīng)能耐受；可能最大沖擊電流累積作用20次后，護(hù)層電壓限制器不得損壞[1]。表8為護(hù)層電壓限制器相關(guān)主要技術(shù)參數(shù)。

表8 護(hù)層電壓限制器相關(guān)主要技術(shù)參數(shù)

護(hù)層電壓限制器的工頻耐受電壓大小與耐受時(shí)間有關(guān)，電壓越高，耐受時(shí)間越短。額定電壓下無間隙氧化鋅避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性曲線如圖11所示[4]。圖11中U為避雷器工頻耐受電壓，Ur為其額定電壓，t為耐受時(shí)間。由圖11可知，在切除故障時(shí)間2 s內(nèi)的避雷器工頻耐受電壓約為其1.18倍的額定電壓。因此，由表8可知常規(guī)護(hù)層電壓限制器在2 s內(nèi)的工頻耐壓值并不高，要想獲得更高的工頻耐壓值，需增加氧化鋅閥片，但隨之殘壓值也相應(yīng)提高，接地箱的外形尺寸也隨之變大。220 kV電纜外護(hù)套的沖擊耐壓水平為47.5 kV，導(dǎo)致護(hù)層電壓限制器的最大殘壓值不能超過33.9 kV，查護(hù)層電壓限制器氧化鋅閥片的性能[5]計(jì)算2 s時(shí)工頻耐壓值不能超過12 kV。表9為氧化鋅閥片的規(guī)格和性能。

圖11 中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)工頻過電壓、耐受時(shí)間特性曲線

表9 氧化鋅閥片的規(guī)格和性能

7 結(jié)論

（1）2500 mm2陸地電纜在允許輸送電流、常規(guī)分段長(zhǎng)度情況下正常感應(yīng)電壓均未超過規(guī)程規(guī)定的300 V要求，但都超過50 V，人員進(jìn)入電纜敷設(shè)場(chǎng)所時(shí)應(yīng)采取帶絕緣手套、穿絕緣鞋等安全措施，小于2500 mm2的陸地電纜在常規(guī)分段長(zhǎng)度情況下正常感應(yīng)電壓不會(huì)超過規(guī)定值。

（2）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各回路對(duì)計(jì)算回路的正常感應(yīng)電壓影響較大，不可忽略。

（3）回流線的布置方式對(duì)感應(yīng)電壓大小影響較大，推薦采用三七開布置，多回路共用1根回流線時(shí)，因設(shè)置位置不同產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體計(jì)算分析，合理確定設(shè)置位置。

（4）接地電流全部以大地作回路的感應(yīng)電壓最大，全部以護(hù)套或回流線為回路的感應(yīng)電壓最小，部分以大地為回路的感應(yīng)電壓大小在兩者之間并略大于全部以護(hù)套或回流線為回路的感應(yīng)電壓。

（5）220 kV電纜線路用的護(hù)層電壓限制器在短路時(shí)間2 s時(shí)的工頻耐壓值不能超過12 kV。對(duì)于單相短路電流超過30 kA，分段長(zhǎng)度超過400 m的2500 mm2電纜線路均建議設(shè)置回流線，護(hù)層電壓限制器的工頻耐壓要求應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際計(jì)算確定。