高壓電纜金屬護(hù)套環(huán)流分析

楊健銳

（廣州電力設(shè)計院有限公司， 廣東 廣州 510610）

引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市輸電線路110 kV及以上架空線路逐步轉(zhuǎn)為電纜敷設(shè)。交聯(lián)電纜是“固態(tài)”絕緣的代表產(chǎn)品。聚乙烯樹脂本身是一種常溫下電性能極優(yōu)的絕緣材料。目前通常選用交聯(lián)聚乙烯絕緣單芯電纜，電纜的金屬護(hù)套選用鋁護(hù)套，當(dāng)電纜導(dǎo)體通過交流電流，該電流在金屬護(hù)套上會產(chǎn)生磁通[1]。電纜金屬護(hù)層上的接地線為保護(hù)接地，其作用是將電纜接頭外屏蔽層上的高感應(yīng)電壓和電纜接頭故障時產(chǎn)生的漏電流通過接地線再經(jīng)接地系統(tǒng)導(dǎo)入大地，從而保證設(shè)備和工作人員的人身安全。如電纜發(fā)生故障時，將導(dǎo)致漏電流增大，此時接地線上電流將同時增大，如不及時處理，將會影響電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)金屬護(hù)套的接地點由兩個或兩個以上及形成環(huán)路且有電流流過，長期較大的護(hù)套電流將對電纜造成很大的危害，護(hù)套將產(chǎn)生損耗，從而降低電纜的運(yùn)行壽命，并且降低電纜的載流量[2]。同時還會使金屬護(hù)套回路的各組成部分（包括同軸電纜、接地線及各連接部位）長期發(fā)熱，造成電纜外護(hù)套、同軸電纜和接地線的絕緣性能降低，影響線路的安全運(yùn)行。

1 金屬護(hù)套環(huán)流計算原理

電纜導(dǎo)體和護(hù)套間的關(guān)系可以看作一個空心變壓器。電纜導(dǎo)體相當(dāng)于一次繞組，而金屬護(hù)套相當(dāng)于二次繞組。在金屬護(hù)套兩端接地的情況下，當(dāng)電纜導(dǎo)體通過交變電流時，電纜的金屬護(hù)套上將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而護(hù)套上會產(chǎn)生環(huán)流，其電路圖如圖1所示。

圖1 電纜護(hù)套環(huán)流原理圖

在圖1中，待解的Isa、Isb、Isc分別為三相電纜金屬護(hù)套環(huán)流；R1、R2為接地電阻；R＋jX為金屬護(hù)套的自阻抗，Is為流向大地的環(huán)流；Re為大地的漏電阻；Ea、Eb、Ec為導(dǎo)體的電流分別在護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢；Ea'、Eb'、Ec'為其他相護(hù)套環(huán)流、大地環(huán)流分別護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。則經(jīng)過推導(dǎo)后有

其中，左側(cè)方括號內(nèi)為系數(shù)矩陣，它隨著電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、排列方式及電纜金屬護(hù)套的接地方式而不同。對此矩陣方程求解，即可得到護(hù)套環(huán)流。

2 金屬護(hù)套環(huán)流影響因素分析

通常35 kV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(yùn)行時流過3個線芯的電流是均衡的，在金屬護(hù)套層基本沒有磁鏈。但對于110 kV及以上電纜，基本為單芯電纜，由于感應(yīng)電壓的存在，若采用兩端接地的方式，則此時出現(xiàn)較大的環(huán)流。而采用交叉互聯(lián)的接線方式，若金屬護(hù)套完全換位（電纜正三角形排列，金屬護(hù)套交叉互聯(lián)）且三小段等長時，由于導(dǎo)體電流相位互差120°、幅值相等，則其金屬護(hù)套感應(yīng)電壓也近似三相對稱，將其交叉互聯(lián)后，感應(yīng)電壓會互相抵消，大大降低感應(yīng)電壓，從而可有效減少環(huán)流。即在電纜敷設(shè)位置對稱，護(hù)套交叉互聯(lián)且三小段等長的情況下，金屬護(hù)套上環(huán)流無環(huán)流或者環(huán)流極小。

影響電纜金屬護(hù)套環(huán)流的另外一個很重要的因素是電纜導(dǎo)體的負(fù)荷電流，根據(jù)電磁理論，感應(yīng)電壓與負(fù)荷電流成正比，負(fù)荷電流越大，感應(yīng)電壓越大，而感應(yīng)電壓越大，在電纜結(jié)構(gòu)、長度相同的條件下，則環(huán)流越大。

在交叉互聯(lián)接地方式下，同個交叉互聯(lián)的三段護(hù)套上感應(yīng)電壓相位相對稱，同個交叉互聯(lián)段內(nèi)電纜長度不相等時，則同個交叉互聯(lián)段內(nèi)三小段感應(yīng)電壓不能完全抵消，產(chǎn)生了環(huán)流，所以環(huán)流的大小與電纜交叉互聯(lián)分段的均勻性有很大關(guān)系。

另外電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、排列方式及電纜金屬護(hù)套的接地方式會影響系數(shù)矩陣，從而也是會影響電纜金屬護(hù)套的環(huán)流。

3 金屬護(hù)套環(huán)流計算及限制措施

以廣州某220 kV工程實例進(jìn)行分析，電纜截面為2 500 mm2，等效半徑為68 mm，電纜長度為1 200 m，采用不同負(fù)荷電流，不同接線方式的最大相環(huán)流計算結(jié)果如表1所示。

表1 電纜環(huán)流計算結(jié)果

由表1可看出，兩端直接接地的護(hù)套環(huán)流比交叉互聯(lián)兩端接地要大很多，護(hù)套上將會出現(xiàn)很大的環(huán)流，因而金屬護(hù)套兩端互聯(lián)直接接地的方式只有在工作電流小、電纜長度短的情況下才采用。故正常情況下，在電纜長度較長情況下會選擇交叉互聯(lián)兩端接地的接線方式。另外，還可看出，在接線方式不變的情況下，環(huán)流與負(fù)荷電流的比值近似保持不變，說明負(fù)荷電流大小不影響環(huán)流占比。

另外，由于電纜分段長度、電纜排列方式運(yùn)行后不可改變，而調(diào)整接線方式也較為困難，此時可通過加大電阻來降低環(huán)流。當(dāng)金屬護(hù)套互聯(lián)時，可在接地處串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?，從而有效地減少電纜金屬護(hù)套的環(huán)流[3]。

4 結(jié)語

本文通過分析金屬護(hù)套環(huán)流計算原理，總結(jié)出了電纜金屬護(hù)套環(huán)流的計算方法，研究了影響電纜金屬護(hù)套環(huán)流的各種因素并分析了其限制措施，對電纜工程設(shè)計有一定的參考。