高壓單芯電纜護(hù)層接地方式的研究與應(yīng)用

周國威，方可

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口市崇禮區(qū)供電分公司，河北 張家口 076350；2.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075051）

0 引言

高壓單芯電纜被廣泛應(yīng)用于輸電線路、變電站及工業(yè)和商業(yè)建筑等領(lǐng)域，傳輸和分配大量的電能［1］，在電力系統(tǒng)中起著重要的作用。然而，高壓單芯電纜的護(hù)層由于老化、火災(zāi)、機(jī)械損壞等多種原因，可能會發(fā)生接地故障，對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，研究和應(yīng)用高壓單芯電纜護(hù)層的接地方式成為當(dāng)今電力工程領(lǐng)域的一個重要課題。曾含等［2］基于優(yōu)化包覆層結(jié)構(gòu)，提出高壓單芯電纜暫態(tài)熱路建模方法，將復(fù)雜的3 層結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化處理，并通過實驗獲取熱容和熱阻參數(shù)。王航等［3］進(jìn)行波紋金屬護(hù)套高壓單芯電纜線芯護(hù)層互感的研究，使用比奧—薩伐爾定律解算高壓電纜線芯電流的磁感應(yīng)強(qiáng)度，運用高斯定理求解波紋護(hù)套截面的磁通量；建立環(huán)形紋和螺紋護(hù)套的參數(shù)方程，并確定內(nèi)外曲面作為磁通量積分邊界，推導(dǎo)出線芯與波紋護(hù)套互感和等效直徑方法誤差的解析公式。劉日朗［4］采用電磁暫態(tài)計算軟件（ATP-EMTP）進(jìn)行輸電電纜護(hù)層多點接地故障研究，使用仿真軟件模擬電纜護(hù)層多點接地故障及其他故障情況，比較不同因素對護(hù)層環(huán)流值產(chǎn)生的影響。

電力系統(tǒng)規(guī)劃不斷擴(kuò)大，對電氣化專用電纜的需求越來越大，電纜作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，是電氣絕緣組合電氣設(shè)備開關(guān)柜的進(jìn)出線，也是電力系統(tǒng)輸電、配電導(dǎo)線。由于電力系統(tǒng)中變電低壓設(shè)備主要采用全封閉組合電氣設(shè)備，所有線路導(dǎo)線全部采用高壓單芯電纜，而且高壓單芯電纜成本低、高壓耐受性能強(qiáng)，具有普通電纜不可代替的優(yōu)勢，因此得到廣泛應(yīng)用和批量化生產(chǎn)。然而，高壓單芯電纜在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用帶來了許多新的故障，如單線接地故障、高壓單芯電纜護(hù)層套被燒融、高壓單芯電纜終端頭被擊穿等，電纜金屬護(hù)層的保護(hù)功能無法充分發(fā)揮，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)巡視查驗人員的生命安全。經(jīng)查驗，出現(xiàn)這些現(xiàn)象的主要原因在于高壓單芯電纜護(hù)層的接地方式不合理。現(xiàn)行的接地方式仍沿用普通電纜接地方式，為兩端分別并聯(lián)接地，這種方式在實際應(yīng)用中不僅電纜護(hù)層感應(yīng)電勢較大，而且電纜接地故障率較高。高壓單芯電纜作為電力系統(tǒng)中的變電專用電纜，具有一定的特殊性，普通電纜護(hù)層接地方式并不適用于高壓單芯電纜，因此需要研究一套新的接地方式，本文為此進(jìn)行高壓單芯電纜護(hù)層接地方式的應(yīng)用研究。

1 高壓單芯電纜護(hù)層接地方式設(shè)計

1.1 護(hù)層感應(yīng)電勢計算

高壓單芯電纜護(hù)層接地需要滿足《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》（GB 56161—2020）（簡稱《電纜規(guī)范》）中的要求：在沒有任何保護(hù)措施的情況下，電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢不超過50 V［5］。根據(jù)規(guī)范要求，選擇接地方式的依據(jù)主要是高壓單芯電壓護(hù)層感應(yīng)電勢，根據(jù)電勢的實際情況確定接地方式。高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢計算分為以下2種情況。

（1）當(dāng)高壓單芯電纜敷設(shè)形式采用的是“品”字形單回路線路時，高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢計算公式如下：

其中：F表示高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢；e表示高壓單芯電纜屏蔽層與護(hù)層幾何平均直徑；I表示高壓單芯電纜導(dǎo)體正常工作電流；d表示高壓單芯電纜護(hù)層電氣通路上任意一點到直接接地處的距離；S表示高壓單芯電纜相間的軸距；u表示高壓單芯電纜護(hù)層的半徑。

（2）當(dāng)高壓單芯電纜敷設(shè)形式為水平鋪設(shè)的單回路線路時，高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢計算公式如下：

根據(jù)高壓單芯電纜實際敷設(shè)形式，利用上述公式計算出高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢，為后續(xù)接地方式的選擇提供依據(jù)。

1.2 護(hù)層電壓限制

高壓單芯電纜護(hù)層接地形式的選取應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：當(dāng)線路長度小于500 m 且能達(dá)到規(guī)范要求時，應(yīng)采用一條直線或以中間的一點為基準(zhǔn)的直線直接接地；當(dāng)線路長度大于500 m，單一的直接接地方法不能達(dá)到規(guī)范的要求時，水下電纜、35 kV 及以下的高壓單芯電纜或35 kV 以上傳輸能力較弱的高壓單芯電纜可以采用在線路兩頭直接接地的方式。對于長度大于500 m、電纜護(hù)層感應(yīng)電勢超出規(guī)定要求的線路，應(yīng)將其分成相應(yīng)的小段，然后在小段之間進(jìn)行隔離，通過在電纜護(hù)層上安裝電壓限制器，對電壓進(jìn)行限制，以交叉互聯(lián)的方式接地。

當(dāng)高壓單芯電纜護(hù)層終端所接線路出現(xiàn)非破壞性原因?qū)е碌墓收蠒r，對于歷史故障次數(shù)較多的終端，認(rèn)定其存在嚴(yán)重的老化情況；對于歷史故障次數(shù)較少的終端，可認(rèn)定其老化問題較輕。每當(dāng)出現(xiàn)一次故障，表示終端受到一定的電流沖擊，其自身的老化速度會加快。表1為高壓單芯電纜護(hù)層接地方式的故障情況。

表1 高壓單芯電纜護(hù)層接地方式故障情況

為對電纜護(hù)層起到保護(hù)效果，應(yīng)選擇合適的電壓限制參數(shù)。高壓單芯電纜線路應(yīng)根據(jù)以下要求確定電纜護(hù)層電壓限制器的參數(shù)。

（1）在最大沖擊電流作用下，護(hù)層電壓限制器的殘壓K要符合以下條件：

其中：U表示電纜護(hù)層的沖擊電壓。

（2）護(hù)層電壓限制器必須能承受因電網(wǎng)發(fā)生短路引起的最大工業(yè)頻率感應(yīng)過壓，并能承受較長的斷開和失效時間［6］，斷開的時間應(yīng)該在5 s內(nèi)。

（3）在累計施加20次最大脈動電流的情況下，護(hù)層電壓限制器不會被破壞。

1.3 護(hù)層保護(hù)接地

當(dāng)高壓單芯電纜護(hù)層發(fā)生接觸時，感應(yīng)電勢可能會超過50 V，在這種情況下，需保證電纜仍處于正常工作狀態(tài)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以選擇具有良好絕緣性能的材料作為電纜絕緣材料，減少電纜中感應(yīng)電勢的產(chǎn)生；通過提高護(hù)層的絕緣厚度，減少電場分布，減緩或防止在護(hù)層上產(chǎn)生感應(yīng)電勢；對電纜的終端和連接點進(jìn)行絕緣處理，使用絕緣套管、絕緣膠帶等，防止電纜的護(hù)層接觸和電勢干擾；定期進(jìn)行電纜的檢查和維護(hù)工作，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)護(hù)層接觸問題，確保電纜處于正常工作狀態(tài)。通過綜合應(yīng)用以上措施，可以有效地控制電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢，確保電纜在正常工作狀態(tài)下不超過50 V，提高電纜系統(tǒng)的可靠性和安全性，保障電力傳輸?shù)姆€(wěn)定運行。

電纜戶外終端在運行時會發(fā)生損耗，導(dǎo)致出現(xiàn)絕緣老化的現(xiàn)象，可按照電壓、電流、阻抗關(guān)系計算其損耗。電流流過固定長度的導(dǎo)體時出現(xiàn)的損耗可用公式（4）計算：

其中：Rc表示電纜芯交流電阻；Ws表示鄰近效應(yīng)系數(shù)。各個參數(shù)之間必須是相互制約的關(guān)系，感應(yīng)電勢計算公式如下：

其中：Dr表示接地狀態(tài)下的電壓；De表示接地狀態(tài)下的電流；ΔB表示阻尼系數(shù)；FA表示導(dǎo)納數(shù)值。為避免任何形式的接地與電纜護(hù)層發(fā)生直接接觸，必須采用行之有效的方法使感應(yīng)電勢小于300 V。當(dāng)電纜護(hù)層感應(yīng)電勢超過50 V時，除了在接地時利用電壓限制器限制護(hù)層電壓，還必須對高壓單芯電纜護(hù)層進(jìn)行保護(hù)，防止發(fā)生任何形式的直接接觸，因此采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護(hù)器接地的方式（如圖1所示）。

圖1 高壓單芯電纜護(hù)層保護(hù)接地示意圖

圖1 中，交流電在高壓單芯電纜中流動時，會在周邊產(chǎn)生交流電場，并在線圈中形成磁通量，從而使其在電纜護(hù)層中產(chǎn)生一種新的電位。當(dāng)此電磁場與接地系統(tǒng)發(fā)生短路時，就會出現(xiàn)一種名為“環(huán)流”的感應(yīng)電流［7］。由于高壓單芯電纜的鐵心與金屬殼形成一種以電纜絕緣為媒介的圓筒形電容器，因此在金屬殼的環(huán)流中，除了產(chǎn)生感應(yīng)電流，還會產(chǎn)生大量的電容與漏電。在高壓單芯電纜中，如果出現(xiàn)環(huán)流，將會降低其承載能力、減弱傳輸能力；如果繼續(xù)出現(xiàn)一個環(huán)流，則會產(chǎn)生加熱現(xiàn)象，使其絕緣等級變得更低，如果加熱過大，還可能導(dǎo)致地線和護(hù)層被損壞，所以需在電纜的護(hù)層上增加一個護(hù)層保護(hù)器。在一般的工作電壓下，該保護(hù)裝置處于一個高電阻的情況，對環(huán)流進(jìn)行約束，從而將工頻感應(yīng)電勢控制在規(guī)定的電勢范圍內(nèi)；當(dāng)護(hù)層的過電壓達(dá)到保護(hù)器的初始操作電壓時，保護(hù)器處于低阻導(dǎo)通的狀態(tài)，使過電壓電流從保護(hù)器進(jìn)入地面，在過電壓消失后，保護(hù)器又回到高阻的狀態(tài)。因此，可采用保護(hù)接地的方式對電纜護(hù)層內(nèi)的工頻感應(yīng)電勢進(jìn)行約束，完成高壓單芯電纜護(hù)層接地。

2 試驗論證

2.1 試驗準(zhǔn)備與設(shè)計

為驗證設(shè)計接地方式的可行性與可靠性，選擇某變電站為試驗對象。該變電站采用110/10 kV 變壓器，以變壓器組方式為線路供電，通過MATLAB 平臺搭建一個可模擬配電網(wǎng)的測試環(huán)境，并考慮相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，驗證接地方式對配電網(wǎng)的影響。利用本文的設(shè)計方式對該變電站高壓單芯電纜護(hù)層接地，為使試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果具有可行性，將設(shè)計方式設(shè)定為試驗組，選擇目前常用的2 種接地方式作為比較對象，為方便后續(xù)試驗陳述，以下用傳統(tǒng)方式A與傳統(tǒng)方式B 表述。按照上述流程計算電纜護(hù)層感應(yīng)電勢，采取相應(yīng)的接地方式，對具體接地效果進(jìn)行評測。

2.2 試驗結(jié)果與討論

選擇電纜護(hù)層感應(yīng)電勢為指標(biāo)，用于評測高壓單芯電纜護(hù)層接地效果，將《電纜規(guī)范》中要求的感應(yīng)電勢不能超過50 V 作為接地效果檢驗標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)選擇8 根接地后的電纜，使用KHFA-A5FA9 檢測器檢測電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢，每根電纜檢測3 次，取平均值作為最終檢測結(jié)果，使用Excel 表格對測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表2）。

表2 3種方式下電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢 （單位：V）

根據(jù)表2可知，使用本設(shè)計方式的高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢均小于50 V，符合《電纜規(guī)范》中的要求，說明不需要再采取任何安全措施，電纜護(hù)層上感應(yīng)電勢范圍在33.62～38.42 V；而傳統(tǒng)方法A 電纜護(hù)層感應(yīng)電勢范圍在52.61～59.52 V，傳統(tǒng)方法B 電纜護(hù)層感應(yīng)電勢范圍在52.68～59.35 V，均遠(yuǎn)高于本文設(shè)計方式，證明在安全性方面本文設(shè)計的方式更佳。為進(jìn)一步驗證本設(shè)計方式的可靠性，對比電纜接地故障次數(shù)，如果電纜護(hù)層接地方式選擇不合理，護(hù)層保護(hù)效果將大打折扣，導(dǎo)致接地故障頻發(fā)。因此，通過對比電纜接地故障次數(shù)，可檢驗電纜護(hù)層接地方式的合理性。以時間為變量，每隔30 d 統(tǒng)計一次電纜接地故障次數(shù)，使用Excel表格記錄數(shù)據(jù)（見表3）。

表3 3種方式下高壓單芯電纜接地故障次數(shù)對比（單位：次）

根據(jù)表3 可知，在本次試驗中3 種方式出現(xiàn)接地故障的次數(shù)差異明顯，應(yīng)用本文設(shè)計方式的高壓單芯電纜接地故障僅發(fā)生3 次，故障率為0.01%；與之相比較，傳統(tǒng)方式A 接地故障次數(shù)多了38次，傳統(tǒng)方式B 接地故障次數(shù)多了39 次。通過以上統(tǒng)計和對比可以證明，在電纜護(hù)層感應(yīng)電勢方面及電纜接地故障方面，本文設(shè)計方式均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，更適用于高壓單芯電纜護(hù)層接地。

3 結(jié)語

選擇合適的護(hù)層接地方式對確保高壓單芯電纜系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，不同的接地方式在電場分布、電位分布和電路路徑等方面均會產(chǎn)生不同的影響，因此高壓單芯電纜護(hù)層接地方式選擇的合理性與科學(xué)性直接關(guān)系到高壓單芯電纜運行的穩(wěn)定性及護(hù)層功能的正常發(fā)揮。本文針對傳統(tǒng)接地方式存在的不足與缺陷，對其進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，提出一種新的接地方式，降低了高壓單芯電纜護(hù)層的感應(yīng)電勢及電纜接地的故障率。經(jīng)試驗驗證得到以下結(jié)果：應(yīng)用本文設(shè)計方式，高壓單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電勢均小于50 V，在安全性方面表現(xiàn)更佳；本文設(shè)計方式的高壓單芯電纜僅發(fā)生了3次接地故障，故障率為0.01%，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，更適用于高壓單芯電纜護(hù)層接地。本研究為高壓單芯電纜護(hù)層接地實踐提供了理論支撐，同時為相關(guān)研究提供了參考依據(jù)，但本文的研究目前尚處于初步探索階段，尚未在實際工程中得到大量的應(yīng)用與實踐，今后可在接地方式的優(yōu)化設(shè)計方面展開深層次的探究。