110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜金屬護套接地電流異常分析

張 林，張祥華，李 健，李曉龍，韋興磊，張振昌，劉 露

（國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

0 引言

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，高壓電纜在城郊電網(wǎng)中運用越來越廣泛。目前，某市城郊地區(qū)運行的110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜有37條，總長72.5 km，電纜全部為單芯結(jié)構(gòu)。當(dāng)單芯電纜通過電流時，在金屬護套上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，如果護套接地，則形成電流通道，在金屬護套上會產(chǎn)生環(huán)流。如果金屬護套中電流過大就會使金屬護套發(fā)熱，不僅浪費了大量電能，而且會降低電纜的載流量，長期運行可能傷及主絕緣或加快劣化。為此，該供電公司對所轄110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜金屬護套接地電流全部進行檢測，發(fā)現(xiàn)某110 kV線路電纜金屬護套接地電流異常，并提出了解決措施。

1 電纜金屬護套接地電流產(chǎn)生的原理

110 kV及以上高壓電纜均采用單芯結(jié)構(gòu)，金屬護套一方面起徑向阻水和抗機械損傷的作用，另一方面在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時為故障電流提供回流通路。當(dāng)單芯電纜線芯流過交變的電流時，在線芯的周圍會產(chǎn)生交變的磁場，該交變磁場與金屬護套相交聯(lián)，在金屬護套上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢會在護套中產(chǎn)生環(huán)流，較大的環(huán)流會影響電纜的載流量，同時會產(chǎn)生附加損耗，并可能引起電纜發(fā)熱。在單芯電纜構(gòu)成的交流傳輸系統(tǒng)中，金屬護套處于導(dǎo)體電流的交變磁場中，在金屬護套中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢，其大小與電纜線路的長度、截面及電壓等級有關(guān)，長度愈長、截面愈大、電壓等級愈高，其感應(yīng)電動勢愈高。如果護套形成通路，金屬護套中的感應(yīng)電動勢將在護套中形成金屬護套感應(yīng)電流Is［1］。單芯電纜的導(dǎo)體與金屬護套之間形成以導(dǎo)體和金屬護套為兩極、絕緣材料為介質(zhì)的電容器，在交流電壓作用下，會產(chǎn)生電容電流Ic。金屬護套接地電流Id由金屬護套感應(yīng)電流Is和電纜電容電流Ic兩部分構(gòu)成，即Id=Is+Ic。

2 電纜金屬護套常用接地形式

110 kV及以上高壓電纜均為單芯，其線芯與金屬護套可看作一個變壓器，當(dāng)線芯通過電流時就會有磁力線交鏈金屬護套，在磁力線的作用下，金屬護套上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓與電纜長度和流過導(dǎo)線的電流成正比。電纜很長時，護套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達到危及人身安全的程度，為保障人身安全，金屬護套上的感應(yīng)電壓不得超過50 V；當(dāng)不接地端的電纜金屬護套已用絕緣材料包裹時，該感應(yīng)電壓可提高到100 V。另外，在發(fā)生不對稱短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，金屬護套上會形成很高的感應(yīng)電壓，將使護套絕緣發(fā)生擊穿。因此，電纜金屬護套對地應(yīng)保持良好的絕緣，并在設(shè)計、安裝時，按照安全、可靠、經(jīng)濟合理的原則，在電纜護套的一定位置，根據(jù)線路的不同情況，采用護套兩端接地、護套一端接地、護套中點接地、護套交叉互聯(lián)接地、電纜換位接地等特殊的連接和接地方式，以防止電纜護層絕緣被擊穿。

為了降低金屬護套上的感應(yīng)電壓，根據(jù)電纜長度的不同，運行中的110 kV電力電纜的金屬護套接地方式主要有 3 種［2］。

當(dāng)電纜長度在500 m以內(nèi)時，金屬護套通常采用一端直接接地，一端經(jīng)護層保護器接地，如圖1所示。由于金屬護套只有一端接地，不能構(gòu)成電流通路，護套內(nèi)只有感應(yīng)電壓，沒有金屬護套感應(yīng)電流Is，在金屬護套接地端測量到的接地電流是電容電流Ic。

圖1 金屬護套一端接地

當(dāng)電纜長度在1 km以內(nèi)時，金屬護套通常采用中間直接接地，兩端經(jīng)護層保護器接地，如圖2所示。中間接頭采用直通頭，接頭金屬護套直接接地，兩端采用保護接地。電纜金屬護套兩端對地絕緣，在金屬護套接地端測量到的接地電流是電容電流Ic。

圖2 金屬護套中間直接接地

當(dāng)線路較長在1 km以上時，采用交叉互聯(lián)接地方式，如圖3所示。交叉互聯(lián)接線方式是將電纜線路分成若干個3的倍數(shù)段，且每段原則上長度相等，每一段之間安裝絕緣接頭，絕緣接頭處護套三相之間用同軸電纜經(jīng)交叉互聯(lián)箱進行換位連接后，通過護層保護器接地，每個互聯(lián)段位之間安裝直通接頭，金屬護套互聯(lián)后直接接地。

圖3 金屬護套交叉互聯(lián)接地

3 接地電流異常原因分析

前文所述發(fā)生接地電流異常的110 kV線路為電纜和架空導(dǎo)線混合線路，該段電纜線路投運于2017年 9 月， 電纜型號 YJLW02-64／110 kV-1×630 mm2，電纜三相垂直排列。為檢查該段電纜線路的接地電流情況，作業(yè)人員使用數(shù)字鉗形電流表對該線路58號和59號電纜段5組接地箱接地電流進行檢測，接地電流正常標(biāo)準(zhǔn)需符合以下3個條件：接地電流絕對值小于100 A，接地電流與負(fù)荷比值小于20%，單相接地電流最大值與最小值的比值小于3。該段電纜金屬護套接地形式如圖4所示，檢測結(jié)果如表1所示。由表1可見2號接頭和59號終端接地電流異常，2號接頭C相接地電流最大值220 A，59號終端C相接地電流最大值232.1 A，測量時的負(fù)荷電流為105 A，接地電流最大值是負(fù)荷電流的2.2倍，判定為危急缺陷。

圖4 接地形式

表1 接地電流檢測結(jié)果 （A）

3.1 原因分析

3號接頭是一個直通頭且用的是保護接地，相當(dāng)于59號終端到2號接頭之間的電纜外護套是相通的。59號終端的電纜鋁護套和2號接頭的電纜鋁護套均直接接地，二者通過大地形成回路，同時A相、B相、C相之間也有環(huán)流，造成59號終端和2號接頭接地電流過大。通過以上分析，接地電流存在問題的電纜段改造時，電纜外護套接地方式的設(shè)計不合理，導(dǎo)致該段電纜外護套內(nèi)形成比較大的環(huán)流，長期運行可能引起各中間接頭金屬護套接地連接處發(fā)熱，傷及主絕緣或加快劣化［3］。

3.2 處理方式

根據(jù)上述檢測結(jié)果，分析出問題的原因后，申請該線路臨時停電處理。接地方式處理原則：將59號終端的直接接地改為保護接地，阻斷了59號終端的電纜鋁護套和2號接頭的電纜鋁護套通過大地形成的回路，如圖5所示?，F(xiàn)場作業(yè)人員將59號終端的直接接地箱更換為保護接地箱。該線路送電后，各接地箱接地電流檢測結(jié)果如表2所示，恢復(fù)正常。

圖5 處理后的接地形式

表2 接地電流檢測結(jié)果 （A）

4 結(jié)語

本文對110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜金屬護套接地的接地方式、金屬護層的電流形成原理進行了介紹，分析并解決了某110 kV線路58號和59號電纜段金屬護套接地電流異常隱患。為避免類似的隱患發(fā)生，在以后的高壓電纜運行和檢修過程中，要注意以下幾點：

1）電纜金屬護套接地電流的測試是對電纜外護層絕緣狀況、接地連接情況進行檢查的有效手段。

2）電纜金屬護套接地電流的測試檢查，為分析金屬護套是否存在接地故障提供參考依據(jù)，可作為電纜狀態(tài)評估的重要手段。

3）為杜絕新改建電纜線路出現(xiàn)接地方式錯誤，應(yīng)提前介入電纜線路建設(shè)工程，督促設(shè)計人員一定要現(xiàn)場勘查，確定原有電纜段的接地方式，確保新舊電纜全線接地方式配合一致，從源頭上杜絕類似問題。

4）電纜線路改造和定期檢修完成后，需要對各電氣連接點進行檢查，查看連接是否良好，接觸面的壓力是否能夠保證接觸電阻符合熱穩(wěn)定要求，能否達到機械和電氣的連接要求。必要時，可在線路重新投運后，采用紅外測溫的方法進行檢查確認(rèn)，以避免出現(xiàn)類似的缺陷。