高壓電纜感應(yīng)電壓及其限制分析

楊健銳 沈建雄 李彥雄

（廣州電力設(shè)計院，廣東 廣州 510610）

高壓電纜感應(yīng)電壓及其限制分析

楊健銳 沈建雄 李彥雄

（廣州電力設(shè)計院，廣東 廣州 510610）

對單芯高壓電纜金屬護套感應(yīng)電壓計算方法和降低金屬護套感應(yīng)電壓措施進行論述，通過對感應(yīng)電壓的計算選擇采用相應(yīng)方法對電纜金屬護套進行接地，將其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小限制在允許的安全范圍內(nèi)。并對較長線路分段受感應(yīng)電壓限制進行分析，在規(guī)范要求范圍內(nèi)，可適當(dāng)提高電纜的分段長度，減少電纜接頭，降低工程造價并提高其穩(wěn)定性。

高壓電纜；感應(yīng)電壓；接地方式；交叉互聯(lián)；限制值

0 引言

由于城市建設(shè)速度加快，城市建設(shè)與電力建設(shè)的矛盾也日益加劇，特別表現(xiàn)在輸電線路走廊與城市建設(shè)規(guī)劃的配合方面。為了解決城市建設(shè)與電力建設(shè)的矛盾，輸電線路逐步由架空敷設(shè)轉(zhuǎn)向地下電纜敷設(shè)。對于110kV及以上電纜，基本采用單芯電纜。由于單芯電纜鋁套的自感和與其他導(dǎo)體之間互感的影響，當(dāng)這些導(dǎo)體施加電流時，就會在電纜金屬套上產(chǎn)生工頻感應(yīng)電壓。如果金屬護套存在兩點或兩點以上的接地，就會形成接地環(huán)流，產(chǎn)生護套損耗。當(dāng)金屬護套環(huán)流過大時將增加環(huán)流附加熱損耗，嚴(yán)重影響電力電纜的正常運行，不僅會導(dǎo)致電纜主絕緣和護套絕緣的加速老化，甚至可能大幅縮短電纜使用壽命。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，對于單芯電纜金屬護套的接地，一般采用單點接地或交叉互聯(lián)接地的方式。

1 電纜金屬護套感應(yīng)電壓的計算方法

在單芯電力電纜構(gòu)成的電力傳輸系統(tǒng)中，電纜導(dǎo)體和護套間的關(guān)系可以看作一個空心變壓器。當(dāng)單芯電纜線芯流過交變電流時，交變電流的周圍必然產(chǎn)生交變磁場，在金屬護套上將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電壓的高低與流過電纜導(dǎo)體的電流成正比，同時也取決于3根單芯電纜的排列方式和線路的長度。

對于單回路電纜，常采用品字形（圖1）與平行排列（圖2）的方式布置。

圖1 電纜品字形排列

圖2 電纜水平排列

根據(jù)文獻資料，對于品字形排列電纜單位長度的感應(yīng)電壓分別為：式中，S為電纜間距；GMRS為電纜金屬護套的等效半徑。

通過計算可以得到單回路電纜金屬護套的感應(yīng)電壓，從而對電纜采取相應(yīng)的措施。

2 電纜金屬護套感應(yīng)電壓的限制措施

通常35kV及以下電纜都采用兩端接地方式，因為這些電纜基本均為三芯電纜，正常運行時流過3個線芯的電流是均衡的，在金屬護套層基本沒有磁鏈。但對于單芯電纜，由于感應(yīng)電壓的存在，若采用兩端接地方式，那將出現(xiàn)環(huán)流，因此單芯電纜不應(yīng)兩端接地。

但是當(dāng)金屬護套有一端不接地后，在雷電沖擊或短路故障時，電纜護層不接地端會產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓，此電壓作用在外護層絕緣上。當(dāng)電纜外護層絕緣不能承受這種過電壓的作用而損壞時，就會出現(xiàn)多點接地，形成環(huán)流。因此，在電纜金屬護套一端接地時，另一端應(yīng)加裝護層保護器。

電纜金屬護套一端接地，另一端加裝護層保護器的接地方式適用于電纜線路不長，感應(yīng)電壓滿足規(guī)范要求的情況下。當(dāng)線路較長，線芯電流較大，金屬護套只在一端接地時的感應(yīng)電壓可以很高，甚至可達數(shù)百伏，這樣會危及人身和設(shè)備安全，通常采用交叉互聯(lián)兩端接地的方式。電纜線路被分割成適當(dāng)?shù)膯卧?，每個單元內(nèi)按3個長度盡可能均勻地分為3個小段，單元內(nèi)電纜用絕緣接頭將相鄰段電纜的金屬護套或屏蔽層交叉連接，單元間用直通接頭并直接接地。

線路稍長，單點接地感應(yīng)電壓較大，而又無法分成3段組成交叉互聯(lián)時，可采用在線路中間接地的方式，組成2個單點接地段。

3 電纜金屬護套感應(yīng)電壓限制分析

以廣州某220kV工程實例進行分析。根據(jù)系統(tǒng)要求，電纜載流量為I＝1 811A，電纜GMRS＝67.5mm，對于品字形排列S＝180mm，對于水平排列S＝250mm，代入式（1）和式（2），可得如表1所示結(jié)果。

表1 不同排列方式下電纜金屬護套感應(yīng)電壓

由以上計算可知，水平排列敷設(shè)時，兩邊電纜護套上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較大。品字形敷設(shè)時，電纜護套上的感應(yīng)電壓較小且相等。長度為1km的電纜品字形排列時金屬護套感應(yīng)電壓達到101.7V／km，而水平排列邊相更是達到200.4V／km。

根據(jù)舊規(guī)范GB50217—94《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》要求，在未采用能有效防止人員任意解除金屬套的安全措施時，金屬護套感應(yīng)電壓不得大于50V；除此以外，不得大于100V。而新規(guī)范GB50217—2007保留了50V的規(guī)定，采取安全措施的調(diào)整為不得大于300V。

如以上工程，對于一回長度為11.1km、品字形排列的電纜，若分為24段，每段長度462.5m，感應(yīng)電壓為47.0V，接頭數(shù)量為69個；若分為15段，每段長度740m，感應(yīng)電壓為75.3V，接頭數(shù)量為42個，接頭數(shù)量減少約40%，出故障幾率就更??；若制作工藝和運輸條件允許，單段分段長度可達1km以上，此時接頭數(shù)量更少。

要滿足規(guī)范要求，我們需對電纜采取安全措施：電纜埋置在地下，電纜金屬護層外有非金屬外護套，不易被人觸摸到金屬護層；同時交叉互聯(lián)箱設(shè)計放置于隧道內(nèi)或工作井內(nèi)，除運行檢修人員外其他人不易觸及電纜金屬護層。

新規(guī)范對電纜的金屬護套限制值提高，可適當(dāng)提高電纜的分段長度、減少電纜接頭數(shù)量，這不僅降低了工程造價，而且有利于系統(tǒng)今后的運行。實際上，國外對感應(yīng)電壓的限制也比較寬松，日本在使用有效絕緣的防護用具時以300V為限，因而日本的電纜分段長度常常達到1km以上。檢索國外其他標(biāo)準(zhǔn)，IEC標(biāo)準(zhǔn)中迄今對此未顯示限值，歐洲各國標(biāo)準(zhǔn)中也沒作規(guī)定。

所以在考慮短路和雷擊下接地保護器保護水平的情況下，綜合平衡正常條件下感應(yīng)電壓和電纜段長，在滿足規(guī)范要求時可適當(dāng)提高電纜段長。

4 結(jié)語

通過計算電纜金屬護套產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，我們可以采用相應(yīng)方法對金屬護套進行接地，一方面將其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小限制在允許的安全范圍內(nèi)；另一方面，使感應(yīng)電動勢不致引起較大損耗，以致降低電纜的傳輸容量。

線路不長，電纜金屬護套可采用單點接地；線路稍長，電纜金屬護套可采用中間接地，即分為2個單點接地段；長距離線路，電纜金屬護套采用交叉互聯(lián)兩端接地方式。在規(guī)范要求范圍內(nèi)，可適當(dāng)提高電纜的分段長度，減少電纜接頭，這不僅可以降低工程造價，而且有利于系統(tǒng)今后的運行。

［1］江日洪.交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路［M］.2版.北京：中國電力出版社，2009.

［2］李國征.電力電纜線路設(shè)計施工手冊［M］.北京：中國電力出版社，2007.

2015－11－30

楊健銳（1989—），男，廣東揭東人，碩士研究生，助理工程師，主要從事高壓電纜線路設(shè)計工作。