110kV單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓計(jì)算及分段

蔡高鳳

摘 要：電纜線路較長(zhǎng)時(shí)將引起過(guò)高的金屬護(hù)套感應(yīng)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(duì)屏蔽層感應(yīng)電壓計(jì)算模型，推導(dǎo)出單芯電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓表達(dá)式，得到了正常運(yùn)行條件下不同長(zhǎng)度的單芯電纜線路感應(yīng)電壓。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)涡倦娎| 金屬護(hù)套 電磁場(chǎng)理論 感應(yīng)電壓 交叉互聯(lián)接地 分段

中圖分類號(hào)：TE937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)的發(fā)展，城市敷設(shè)110 kV高壓電纜越來(lái)越廣泛。在工程實(shí)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(hù)套接地的方法，但金屬護(hù)套上不可避免地會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)電纜線路很長(zhǎng)時(shí)，電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓會(huì)達(dá)到較高的數(shù)值，威脅人身安全，同時(shí)增大護(hù)套感應(yīng)電流，導(dǎo)致電纜溫度過(guò)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(yīng)的措施來(lái)降低或消除金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓。由于在電纜的負(fù)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(zhǎng)是控制電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓的主要因素，因此目前常采用的降壓方法是對(duì)電纜進(jìn)行分段處理。

工程上采用的傳統(tǒng)計(jì)算公式對(duì)金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓進(jìn)行估算時(shí)，由于公式極其復(fù)雜，使用非常不便。為此，在傳統(tǒng)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上對(duì)金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)出較為簡(jiǎn)便的感應(yīng)電壓計(jì)算公式。

1 電纜感應(yīng)電壓及產(chǎn)生原因

對(duì)于單芯電纜，金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓就可能達(dá)到很大的數(shù)值，危及人身安全及降低電纜使用壽命。因此，必須驗(yàn)算感應(yīng)電壓及采取有效的限制措施，將電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓限制在規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

單芯電力電纜的金屬導(dǎo)線與金屬護(hù)套或屏蔽層可看作雙繞組變壓器的線圈。當(dāng)電纜通過(guò)交流電時(shí)，導(dǎo)體電流產(chǎn)生的一部分磁通與金屬護(hù)套或屏蔽層鉸鏈，這部分磁通使屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓[2]。感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長(zhǎng)度、電流的大小及頻率、電線排列中心距離和金屬護(hù)套平均半徑之比的對(duì)數(shù)成正比。如果單芯電纜屏蔽層采取兩端同時(shí)接地，屏蔽層感應(yīng)電壓會(huì)在閉合通路中產(chǎn)生環(huán)形電流，電纜正常運(yùn)行時(shí)屏蔽上的環(huán)流與導(dǎo)體的負(fù)荷電流為同一數(shù)量級(jí)，帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)流損耗，導(dǎo)致電纜發(fā)熱嚴(yán)重，影響電纜的壽命和載流量。

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

2 感應(yīng)電壓的限制措施

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

2.1 金屬護(hù)層兩端接地

線路較長(zhǎng)，單點(diǎn)直接接地方式無(wú)法滿足文獻(xiàn)[1]的要求時(shí)，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(shí)，可以采取全接地方式。在此情況下不需要安裝護(hù)層保護(hù)器，雖然可以減少運(yùn)行維護(hù)工作量，但在金屬護(hù)套上存在環(huán)流，一般不宜采用該種方式。

2.2 金屬護(hù)層一端接地

金屬護(hù)層一端接地是指一端直接接地（單點(diǎn)互聯(lián)接地），另一端通過(guò)保護(hù)器接地的安裝方式（如圖2），其它部位對(duì)地絕緣沒(méi)有構(gòu)成回路，可以減小或消除環(huán)流，有利于提高電纜的輸送容量及電纜的安全運(yùn)行。采用金屬護(hù)層一端接地的電纜線路在與架空線路連接時(shí)，直接接地端宜裝設(shè)在與架空線路連接的一端，保護(hù)器裝設(shè)在另一端，這樣可以降低金屬護(hù)層上的沖擊過(guò)電壓。在直接接地端接地線應(yīng)先互聯(lián)后再接地。如圖2所示。

2.3 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地

當(dāng)電纜線路很長(zhǎng)時(shí)（一般超過(guò)1000m），可考慮電纜護(hù)層交叉互聯(lián)的方式來(lái)降低電纜護(hù)層感應(yīng)電壓。如圖3所示。

正常運(yùn)行時(shí)的三相電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓幾乎等于零，但在系統(tǒng)中發(fā)生短路時(shí)由于三相磁感應(yīng)平衡就會(huì)在金屬護(hù)套內(nèi)出現(xiàn)很高的感應(yīng)電壓甚至將外護(hù)套絕緣擊穿，因此三相電纜的線路至少應(yīng)在其兩端實(shí)施直接接地，同時(shí)在金屬護(hù)套交叉互聯(lián)處，為了限制在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中金屬護(hù)套或屏蔽層的電壓，需裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器。endprint

3 電纜的分段設(shè)計(jì)

單芯電纜金屬護(hù)套對(duì)地電壓和相間電壓，與多種因素有關(guān)，包括電纜的負(fù)荷、短路電流以及電纜三相排列方式、電纜長(zhǎng)度等因素。在電纜的負(fù)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(zhǎng)是控制電纜的感應(yīng)電壓主要因素。

為此在設(shè)計(jì)電纜分段長(zhǎng)度時(shí)，在保證感應(yīng)電壓滿足規(guī)范要求的情況下，一般都希望增加電纜的分盤長(zhǎng)度，這樣一來(lái)可加快工程進(jìn)度，二來(lái)可以降低工程造價(jià)和減少事故率，但是分盤長(zhǎng)度也不能無(wú)限制地增大，主要原因如下：

生產(chǎn)方面

考慮到電纜裝盤和裝卸等問(wèn)題，應(yīng)該對(duì)電纜長(zhǎng)度進(jìn)行限制，滿足周轉(zhuǎn)盤和出貨盤的直徑和承重限制的要求。

施工不便

對(duì)于110kV及以上的高壓電纜，由于它重量較大，例如一個(gè)電纜盤繞有500m長(zhǎng)330kV的充油電纜，其直徑約4m，質(zhì)量約20t，故電纜施工時(shí)的牽引力也比較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須控制牽引力不超過(guò)允許值。

運(yùn)輸困難

電纜在運(yùn)輸時(shí)應(yīng)纏繞在特制的電纜盤上，因?yàn)槭艿綇澢霃降南拗?，電纜盤的直徑必須滿足一定的要求，所以隨著電纜分盤長(zhǎng)度的增加，電纜盤的直徑和長(zhǎng)度也要相應(yīng)增加，對(duì)運(yùn)輸車輛和運(yùn)輸通道的要求也更高。

4 電纜感應(yīng)電壓的計(jì)算

圖4中、、為三相線路，對(duì)于三相負(fù)荷電流平衡的電纜線路，它的同芯金屬屏蔽層可以認(rèn)為是鄰近的平行導(dǎo)線[5，6，7]。

因此，平行導(dǎo)線（屏蔽層）對(duì)相導(dǎo)線來(lái)說(shuō)，，，，其中是相導(dǎo)線對(duì)屏蔽層的幾何平均半徑，約等于（平行導(dǎo)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(dá)式：

（1）

同理相屏蔽層由于導(dǎo)線電流和所形成的磁通和的表達(dá)式：

（2）

（3）

因此相屏蔽層的磁通總和為：

（4）

又因?yàn)?，所以可?xiě)為

（5）

從而得到相屏蔽層的縱向感應(yīng)電壓表達(dá)式：

（6）

式中，為金屬護(hù)套上的感應(yīng)電壓梯度，單位V；為電纜長(zhǎng)度，單位m；為角頻率。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出：

（1）其他條件相同的情況下，電纜長(zhǎng)度是金屬護(hù)套上感應(yīng)電壓的決定因素?？s短電纜長(zhǎng)度可以有效降低電纜金屬護(hù)套上的感應(yīng)電壓的數(shù)值。

（2）實(shí)際工程中，電纜段長(zhǎng)不僅要結(jié)合電力電纜的生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工情況，還應(yīng)該通過(guò)計(jì)算電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓確保金屬護(hù)套感應(yīng)電壓滿足規(guī)范中的要求。

參考文獻(xiàn)

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