高壓電纜交叉互聯(lián)金屬護套環(huán)流影響因素分析及解決方法

鄭大白， 劉 哲， 王鳳凱

（1.南通茂聯(lián)信息技術(shù)咨詢有限公司，南通 226000； 2.中國電建集團河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 050031；3.天津市泰達(dá)工程設(shè)計有限公司，天津 300457）

0 引 言

目前，隨著城市電力需求的不斷增加，以及城市電網(wǎng)入地改造不斷進行，高壓電纜的用量越來越大。但是，北京、上海、天津、廣州等地運維部門在日常線路檢修中發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)高壓電纜交叉互聯(lián)接地時都存在大小不一的環(huán)流，尤其是隧道中敷設(shè)的電纜，由于載流量較大，當(dāng)線路滿負(fù)荷運行時，很多線路接地環(huán)流都在幾十安培以上，部分電纜線路環(huán)流甚至超過線芯負(fù)荷電流的50% ～80%。 接地環(huán)流對高壓電纜影響很大，會產(chǎn)生大量熱量，造成電纜溫度升高，從而減少線路的輸送容量。 另外，溫度升高也會造成絕緣和外護套老化，甚至誘發(fā)電纜本體或附件熱擊穿，引起線路火災(zāi)等事故。

國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)對高壓電纜金屬護層接地環(huán)流有嚴(yán)格的要求。 Q／GDW 11262—2014《電力電纜及通道檢修規(guī)程》規(guī)定，高壓電纜接地電流應(yīng)不大于100 A，接地電流／線芯負(fù)荷應(yīng)小于20%，單相接地電流最大值／最小值小于3 且不應(yīng)有明顯變化。Q／CSG 1206007—2017《電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》規(guī)定，高壓電纜接地電流不能超過電纜負(fù)荷的10%。

因此，本工作對高壓電纜金屬護套環(huán)流進行分析和監(jiān)測，對高壓電纜線路正常運行和維護，具有重大的意義。

1 高壓電纜環(huán)流分析

1.1 高壓電纜金屬護套接地環(huán)流產(chǎn)生的機理

高壓電纜一般為單芯電纜，高壓電纜金屬護套的接地方式主要有兩端接地、單端接地、中點接地、分段單端接地和相間交叉互聯(lián)接地［1］。 電纜線路的段長設(shè)計嚴(yán)格執(zhí)行GB／T 50217—2018 規(guī)定，電纜線路的正常感應(yīng)電勢最大值應(yīng)滿足以下規(guī)定［2］：

（1）未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，不得大于50 V；

（2）除上述情況外，不得大于300 V。

當(dāng)電纜線路長度采用單點接地或中點接地、金屬護套感應(yīng)電壓超過上述要求時，電纜線路設(shè)計一般采用交叉互聯(lián)。 這種方法是將電纜線路分成若干大段，每大段兩側(cè)采用金屬護套直接接地，每大段原則上分成長度相等的三小段，每小段之間裝設(shè)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、保護器接地。 典型的高壓電纜交叉互聯(lián)線路設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 典型的高壓電纜交叉互聯(lián)線路設(shè)計圖

當(dāng)高壓單芯電纜線芯通過交流電流時，在線芯周圍會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，由于渦流效應(yīng)，其金屬護套上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 這樣，金屬護套通過接地線、構(gòu)筑物、大地等組成一個完整的電氣回路，從而產(chǎn)生接地電流。 典型的高壓電纜交叉互聯(lián)電氣原理圖如圖2所示。

圖2 典型的高壓電纜交叉互聯(lián)電氣原理圖

圖2 中，R為各相高壓電纜金屬護套工作時的電阻；X為各相高壓電纜金屬護套工作時的電抗；R1、R2分別為交叉互聯(lián)大段的接地電阻；Rg為大地的泄漏電阻，Rg＝0.049 3 Ω·km-1；Ei為各相高壓電纜金屬護套的合成電壓。

根據(jù)電氣原理圖，由基爾霍夫定律可知：

式中，I為入地電流；IA，IB，IC為各相金屬護套環(huán)形電流；ZA，ZB，ZC為各相電纜金屬護套阻抗；UA，UB，UC為各相金屬護套感應(yīng)電壓。

任意高壓單芯電力電纜A、B、C 三相，它們之間的距離分別為S1、S2、S3，位置圖見圖 3。

圖3 任意的高壓電纜位置圖

則其單位長度高壓電纜金屬護套產(chǎn)生的感應(yīng)電勢（E）分別為：

式中，ω為角頻率；GMRs為金屬護套幾何平均半徑。

由上式可知，高壓電纜等邊三角形排列金屬護套交叉互聯(lián)，電纜本體換位之后金屬護套交叉互聯(lián)，這兩種情況下感應(yīng)所產(chǎn)生的金屬護套環(huán)流為零。 但是環(huán)流還受電容電流等其他因素的影響，因此，目前國內(nèi)幾乎所有的交叉互聯(lián)電纜線路都存在接地環(huán)流。

1.2 高壓電纜金屬護套環(huán)流原因分析

1.2.1 敷設(shè)排列影響因素

電纜排列一般分為三角形排列和水平排列。 以水平排列金屬護套交叉互聯(lián)為例，其電纜之間的距離分別為S和2S，則其單位長度高壓電纜金屬護套產(chǎn)生的感應(yīng)電勢Ψ為：

假設(shè)三相電流平衡，三相之間互差120°相位角，則：

由以上各式可知，水平敷設(shè)等段長交叉互聯(lián)單位長度高壓電纜金屬護套合成電壓（U）為：

水平敷設(shè)等段長交叉互聯(lián)單位長度高壓電纜金屬護套所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與電纜分段長度的分布圖見圖4。

圖4 高壓電纜金屬護套感應(yīng)電壓趨勢圖

如果水平隧道敷設(shè)，交叉互聯(lián)每小段的電纜長度為500 m，三段等長度敷設(shè)，110 ～220 kV 電纜間距 250 mm，330～500 kV 電纜間距 300 mm，接地電阻為2 Ω，則電纜滿負(fù)荷運行時，110 ～500 kV 電纜的金屬護套接地環(huán)流見表1。

表1 110～500 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)等段長敷設(shè)金屬護套接地環(huán)流

由表1 可知：高壓電纜采用水平等間距排列等長度分段金屬護套交叉互聯(lián)線路設(shè)計方式時，在一個交叉互聯(lián)大段結(jié)束時，金屬護套是存在合成電壓的，而且該值與電纜負(fù)荷成正比。

1.2.2 布置方式影響因素

在實際的高壓電纜線路設(shè)計和施工過程中，由于受地形或某些特殊因素制約，經(jīng)常也會碰到混合布置的情況，即交叉互聯(lián)三段，某段可能為三角形敷設(shè)，另外一段為水平敷設(shè)，典型的混合布置如圖5所示。

圖5 典型的三角?水平?三角電纜混合排列布置圖

以三角?水平?三角電纜混合排列為例，電纜敷設(shè)在隧道中，交叉互聯(lián)敷設(shè)，每段長度500 m，接地電阻為 2 Ω，電纜滿負(fù)荷運行時，110 ～500 kV 電纜的金屬護套接地環(huán)流見表2。

表2 110～500 kV 高壓電纜三角?水平?三角等段長敷設(shè)金屬護套接地環(huán)流

由表2 可知：當(dāng)高壓電纜采用三角?水平?三角電纜混合排列、滿負(fù)荷運行時，其金屬護套接地環(huán)流和負(fù)荷占比超出了國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的要求。 因此，當(dāng)采用混合排列時，應(yīng)校核高壓電纜金屬護套的接地環(huán)流，以確保滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2.3 電纜分段長度

在高壓電纜線路設(shè)計中，尤其是在進行線路改造時，經(jīng)常會碰到電纜長度不均勻分段的情況。 當(dāng)電纜長度分段不均勻時，會出現(xiàn)金屬護套環(huán)流較大的情況。 假設(shè)交叉互聯(lián)三組電纜中兩組電纜為標(biāo)準(zhǔn)長度為500 m，另一組電纜長度依次為300，400，600，700 m，則其接地環(huán)流見表3～表6。

表3 110 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)金屬護套接地環(huán)流

表4 220 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)金屬護套接地環(huán)流

表5 330 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)金屬護套接地環(huán)流

表6 500 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)金屬護套接地環(huán)流

由表3～表6 可知，當(dāng)高壓電纜分段不均勻超過20%時，大部分的高壓電纜接地環(huán)流的負(fù)荷占比就超過了10%，而且滿負(fù)荷運行時，接地環(huán)流也超過了100 A。 因此，電纜分段應(yīng)盡量均勻。

另外，國內(nèi)某城市在對電力電纜故障調(diào)查報告中指出，電纜頭和電纜終端故障率合計51% 以上，電纜本體故障率僅占 4.4%［2］。 因此，為了提高電網(wǎng)的安全運行質(zhì)量，減少事故發(fā)生次數(shù)，大長度高壓電纜也得到了廣泛應(yīng)用。 隨著電纜段長增加，高壓電纜金屬護套環(huán)流也將增大。 以 YJLW03 127／220 kV 1×2 500 mm2電纜等段長水平敷設(shè)交叉互聯(lián)為例，電纜典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

圖6 YJLW03 127／220 kV 1×2 500 mm2電纜典型結(jié)構(gòu)示意圖

金屬護套環(huán)流的大小與電纜段長有密切的關(guān)系，水平敷設(shè)交叉互聯(lián)接地環(huán)流與段長曲線圖見圖7。

圖7 水平敷設(shè)交叉互聯(lián)接地環(huán)流與段長曲線圖

由圖7 可知：隨著每一小段電纜長度的增加，金屬護套接地環(huán)流也在成比例增長。

1.2.4 電纜運行負(fù)荷

電纜在交變電壓下運行時，線芯中通過的交變電流會產(chǎn)生交變的磁場。 根據(jù)安培環(huán)路定理，電流增加時，磁通量和磁場強度也將增加。 因此，當(dāng)高壓電纜線芯負(fù)荷電流增加時，所產(chǎn)生的接地環(huán)流也將增加。 假設(shè)隧道水平敷設(shè)，交叉互聯(lián)三組電纜中兩組電纜為標(biāo)準(zhǔn)長度為500 m，另一組電纜長度依次為400，600 m，滿負(fù)荷運行時電流為I，則帶電負(fù)荷分別為 0.6I，0.7I，0.8I，0.9I，則 110 ～ 500 kV 電纜的金屬護套接地環(huán)流見表7～表10。

表7 110 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)不同帶電負(fù)荷與金屬護套接地環(huán)流

表8 220 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)不同帶電負(fù)荷與金屬護套接地環(huán)流

表9 330 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)不同帶電負(fù)荷與金屬護套接地環(huán)流

表10 500 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)不均勻分段敷設(shè)不同帶電負(fù)荷與金屬護套接地環(huán)流

由表7～表10 可知，在電纜不均勻分段下，接地環(huán)流大小與線芯負(fù)荷密切相關(guān)。 這就帶來一個啟示，南方電網(wǎng)只規(guī)定了接地電流的負(fù)荷占比，更具有科學(xué)性，但是應(yīng)注意南方電網(wǎng)由于沒有對接地電流數(shù)值進行要求，這給隧道防火帶來了一定壓力。

另外，電網(wǎng)在實際運行中，受各種因素影響，三相負(fù)荷很難以相同的電流運行，假設(shè)電纜滿負(fù)荷運行時，三相電流分別為I，0.95I，0.9I，將電纜水平敷設(shè)在隧道中，交叉互聯(lián)分段長度為500 m，三段等長度敷設(shè)，則110 ～500 kV 電纜的金屬護套接地環(huán)流見表11。

表11 110～500 kV 高壓電纜水平交叉互聯(lián)等段長敷設(shè)三相不平衡運行金屬護套接地環(huán)流

對比表1 和表11，可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜均勻分段且三相不平衡運行時，金屬護套感應(yīng)電流明顯增加。

1.2.5 接地電阻

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》規(guī)定，高壓電纜金屬護套接地電阻不能大于4 Ω［3］。 金屬護套接地環(huán)流在與大地形成的等效電氣回路中，接地電阻的阻值也對接地環(huán)流影響比較大。 以 YJLW03 127／220 kV 1×2 500 mm2電纜500 m 等段長隧道敷設(shè)為例，滿負(fù)荷運行時，高壓電纜金屬護套接地環(huán)流與接地電阻見圖8。

圖8 高壓電纜金屬護套接地環(huán)流與接地電阻曲線圖

由圖8 可知：接地電阻對接地環(huán)流有影響，此外還需要注意電纜的入地電流，由于入地電流是三相接地電流的矢量和，因此，入地環(huán)流受接地電阻影響較大。

1.2.6 其他因素

由于高壓電纜系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，影響電纜接地環(huán)流的因素還有很多。

（1）電纜本體。 當(dāng)電纜本體受到機械損壞，白蟻侵蝕或外護套老化等情況時，輕則會造成外護套泄露電流增加，重則會造成電纜金屬護套多點接地，這些都會使得金屬護套環(huán)流增加。 目前，國內(nèi)已發(fā)生多起由于外護套損耗導(dǎo)致金屬護套多端接地，造成電力中斷的事故。 另外，上海和北京等地電力公司發(fā)現(xiàn)電纜運行一段時間后，檢查電纜表面沒有發(fā)現(xiàn)任何損傷，但是外護套絕緣電阻與電纜投運時相比，下降了數(shù)十到數(shù)千個數(shù)量級，某些高壓電纜線路的聚氯乙烯護套的絕緣電阻甚至小于0.1 MΩ·km-1。 目前，國家標(biāo)準(zhǔn)缺乏對高壓電纜外護套絕緣電阻長期穩(wěn)定性指標(biāo)的規(guī)定。 外護套絕緣電阻下降使得泄露電流增加，進而增加了金屬護套環(huán)流。 江蘇某地電纜由于護套破損，導(dǎo)致金屬護套發(fā)生多點接地，產(chǎn)生較大接地環(huán)流，電纜發(fā)熱嚴(yán)重，造成電纜溝內(nèi)起火，引發(fā)火災(zāi)。

（2）地電位影響。 在變電站等大接地電流附近，變電站系統(tǒng)的接地電流本應(yīng)通過大地流回系統(tǒng)中性點，但是由于高壓電纜金屬護套為鋁套，鋁套面積比較大，電阻比較小，會有部分接地電流流徑金屬護套的現(xiàn)象，這樣就形成了環(huán)流。 遼寧某地66 kV高壓電纜在變電站側(cè)，即使電纜本體沒有送電，電纜處于開路狀態(tài)，檢測鋁護套，發(fā)現(xiàn)也有十幾安培的環(huán)路電流流過。 另外，高鐵沿線電纜也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。 當(dāng)高鐵綜合接地系統(tǒng)出現(xiàn)故障或軌道絕緣出現(xiàn)問題時，會有大量雜散電流進入電纜系統(tǒng)，這樣會堵塞接地電流通道，從而會造成地電位升高，形成跨步電壓，產(chǎn)生環(huán)流。 陜西某地電力公司因為雜散電流堵塞接地回路，電纜產(chǎn)生了嚴(yán)重的電蝕現(xiàn)象。

（3）交叉互聯(lián)接線錯誤或松脫。 電纜剛投運的時候，由于交叉互聯(lián)接線錯誤，導(dǎo)致交叉互聯(lián)失效，從而造成接地環(huán)流急劇增加。 廣東某地電纜線路，投運前未做仔細(xì)檢查，交叉互聯(lián)接線錯誤，導(dǎo)致金屬護套環(huán)流偏大。

（4）護層保護器失效。 當(dāng)電纜接頭井長期浸泡在水中或者因其他原因?qū)е伦o層保護器失效時，相當(dāng)于電纜多點接地，從而造成接地環(huán)流增加。

（5）附件使用錯誤。 交叉互聯(lián)電纜三段之間采用絕緣接頭做電氣隔離，如果接頭使用直通接頭，就會造成交叉互聯(lián)失效，從而產(chǎn)生環(huán)流。 山東某地電纜線路由于交叉互聯(lián)錯誤使用直通接頭，產(chǎn)生環(huán)流，最后造成電纜附件熱擊穿。

（6）其他。 影響高壓電纜接地環(huán)流的因素還有很多，比如土壤電阻率，電纜間距排列均勻性，多回電纜的互相感應(yīng)，交叉互聯(lián)箱受潮，絕緣接頭隔板絕緣性能，金屬護套結(jié)構(gòu)尺寸，以及電阻等。

2 金屬護套接地環(huán)流解決辦法

由以上分析可知，金屬護套環(huán)流影響因素較多，尤其是多因素疊加，會極大地增加高壓電纜金屬護套環(huán)流。 想要徹底消除環(huán)流，比較困難，但是可以從多個方面來降低環(huán)流。

2.1 電纜排布

電纜排布對接地環(huán)流影響較大，在每個交叉互聯(lián)大段內(nèi)，盡量采用同一種排列方式，避免混合排列情況出現(xiàn)。

電纜排布采用正三角形敷設(shè)，由于三相始終保持高度對稱狀態(tài)，電纜三相負(fù)荷也比較均勻，而且三相之間距離穩(wěn)定，因此能夠極大地減少金屬護套接地環(huán)流，而且金屬護套感應(yīng)電壓和短時過電壓也小很多。 需注意的是，三角形敷設(shè)的電纜載流量遠(yuǎn)小于水平敷設(shè)，為了滿足負(fù)荷，三角形敷設(shè)電纜標(biāo)稱截面往往比水平敷設(shè)大一個規(guī)格，造成成本增加，因此需要綜合權(quán)衡多方利弊。

如果采用水平交叉互聯(lián)，由于水平敷設(shè)先天性的缺陷難以消除（如三相負(fù)荷的均勻性，自身的合成電壓等），因此應(yīng)降低其他因素的引入，以降低金屬護套環(huán)路電流。

當(dāng)有多回路高壓電纜敷設(shè)于同一通道中時，不同回路之間間距應(yīng)增大，以減少回路之間互相感應(yīng)的影響。

2.2 電纜段長均勻分段

電纜段長分段是否均勻，對金屬護套接地環(huán)流影響極大。 因此，在設(shè)計高壓電纜線路時，應(yīng)力求分段均勻。

2.3 加強運維檢修

電纜在實際運行過程中，會有很多因素導(dǎo)致金屬護套環(huán)流增加，因此應(yīng)加強運維檢修工作，做到早發(fā)現(xiàn)、早解決，以免釀成重大責(zé)任事故。

2.4 做好接地環(huán)流在線監(jiān)測

接地環(huán)流在線監(jiān)測手段目前比較成熟，通過對接地線安裝羅氏線圈，可以非常有效地對接地環(huán)流進行測量，然后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信，通過APP 或其他程序可以與運維人員的手機或電腦等終端系統(tǒng)做到實時互通互聯(lián)，并能設(shè)置報警以提醒運維人員。 這對電纜運維具有極大的幫助，典型的高壓電纜金屬護套電流在線監(jiān)測系統(tǒng)原理見圖9。

圖9 典型的高壓電纜金屬護套電流在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2.5 采用逐段單端接地方式

當(dāng)電纜線路受制于地形或其他因素，導(dǎo)致電纜不能做到均勻分段或統(tǒng)一排布時，核驗測得金屬護套接地環(huán)流超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范允許值，就可以采用逐段單端接地方式。 在使用逐段單端接地方式時，應(yīng)注意對過電壓進行復(fù)核，以確定是否需要使用回流線等。 典型的逐段單端接地見圖10。

圖10 典型的逐段單端接地線路圖

當(dāng)采用逐段單端接地方式后，在整個電氣回路上，沒有環(huán)流點，只剩下電容電流。 假設(shè)電纜在隧道水平敷設(shè)，每個小段長度500 m，則在滿負(fù)荷運行狀態(tài)條件下，110 ～500 kV 高壓電纜的電容電流見表12。

表12 110～500 kV 高壓電纜電容電流表

2.6 串接合適的電阻

接地電阻對接地環(huán)流產(chǎn)生較大的影響，那么，設(shè)計金屬護套接地電阻時，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，越大越好這是不對的，還需要考慮短時過電壓因素。 當(dāng)電纜線路發(fā)生短路、雷電沖擊、操作沖擊或諧振過電壓等情況時，金屬護套會產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓［5］。 假設(shè)短路故障時，短路電流全部以大地作為回路，則短時過電壓計算如下：

式中：R為接地電阻，Ω；Rg為大地電阻，Ω；L為電纜長度，km；Ip為短路電流，A；De為金屬護套平均直徑，mm。

由式（15）可知，當(dāng)接地電阻增加時，金屬護套的短時過電壓也將增加，從而可能會影響護層保護器的選擇，嚴(yán)重情況下會造成護層保護器的損壞，甚至?xí)斐筛邏弘娎|外護套的擊穿。 因此，在做接地電阻阻值設(shè)計時，應(yīng)校核金屬護套短路故障時的過電壓是否滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

高壓電纜接地環(huán)流對電纜線路影響較大，本工作對造成環(huán)流的各因素進行了分析，并提出了解決措施，為電纜環(huán)流數(shù)值計算，線路設(shè)計，以及電纜敷設(shè)提供了科學(xué)的技術(shù)支持。