单芯电缆金属护套感应电压计算及分段

单芯电缆金属护套感应电压计算及分段

张晶 徐文洋

中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明  650000

摘要：电缆线路较长时将引起过高的金属护套感应电压，从而降低电缆的使用寿命，并危及人身安全。建立三相线芯对屏蔽层感应电压计算模型，推导出单芯电缆金属护套的感应电压表达式，得到了正常运行条件下不同长度的单芯电缆线路感应电压。结合110kV慈溪-浒山π入崇寿变电力电缆工程实例，按照交叉互联接地方式，将电缆全长分为2个大段6个小段，将单芯电缆金属护套感应电压限制在规程规定的范围。

关键词：单芯电缆；金属护套；电磁场理论；感应电压；交叉互联接地；分段

0引言

工程上采用的传统计算公式对电缆金属护套的感应电压进行估算时，由于公式极其复杂，使用非常不便。为此，在传统计算公式的基础上对金属护套的感应电压计算公式进行改进，推导出较为简便的感应电压计算公式。结合110kV慈溪-浒山π入崇寿变电力电缆工程，在输送容量、短路电流等相同的前提下，估算不同长度电缆金属护套感应电压，对电缆线路进行了分段设计，以满足文献[1]对感应电压的要求。

1电缆感应电压及产生原因

对于具有公共金属屏蔽的三芯电缆，正常运行的条件下3根线芯通过的三相电流的相量和为零，因此在金属护套上的感应电压相量和也为零，可忽略不计。对于单芯电缆，金属护套的感应电压就可能达到很大的数值，危及人身安全及降低电缆使用寿命。因此，必须验算感应电压及采取有效的限制措施，将电缆金属护套感应电压限制在规程规定的范围内。

单芯电力电缆的金属导线与金属护套或屏蔽层可看作双绕组变压器的线圈。当电缆通过交流电时，导体电流产生的一部分磁通与金属护套或屏蔽层铰链，这部分磁通使屏蔽层产生感应电压^[2]。感应电压的大小与电缆线路的长度、电流的大小及频率、电线排列中心距离和金属护套平均半径之比的对数成正比，例如当电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来会达到危及人身安全的程度。如果单芯电缆屏蔽层采取两端同时接地，屏蔽层感应电压会在闭合通路中产生环形电流，电缆正常运行时屏蔽上的环流与导体的负荷电流为同一数量级，带来严重的环流损耗，导致电缆发热严重，影响电缆的寿命和载流量。

根据[1]的要求，单芯电缆线路的金属护套或屏蔽层，在线路上至少有一点直接接地，且在金属护套或屏蔽层上任一点非接地处的正常感应电压应符合下列规定：1）未采取能防止人员任意接触金属护套或屏蔽层的安全措施时，在满负载情况下，不得大于50V；2）采取能防止人员任意接触金属护套或屏蔽层的安全措施时，在正常满负荷情况下，不得大于300V。

2感应电压的限制措施

限制感应电压的措施主要有三种，分别为金属护层两端接地、金属护层一端接地及金属护层交叉互联接地^[3,4]。

2.1金属护层两端接地

线路较长，单点直接接地方式无法满足文献[1]的要求时，水下电缆、35kV及以下电缆或输送容量较小的35kV以上高压电缆，可采取在电缆线路两端直接接地（又称全接地，如图1所示）；35kV以上高压电缆线路较短或利用率很低时，可以采取全接地方式。在此情况下不需要安装护层保护器，虽然可以减少运行维护工作量，但在金属护套上存在环流，一般不宜采用该种方式。

图1 两端接地图

2.2金属护层一端接地

金属护层一端接地是指一端直接接地（单点互联接地），另一端通过保护器接地的安装方式（如图2），其它部位对地绝缘没有构成回路，可以减小或消除环流，有利于提高电缆的输送容量及电缆的安全运行。采用金属护层一端接地的电缆线路在与架空线路连接时，直接接地端宜装设在与架空线路连接的一端，保护器装设在另一端，这样可以降低金属护层上的冲击过电压。在直接接地端接地线应先互联后再接地。如图2所示。

图2 单点接地图

2.3金属护层交叉互联接地

当电缆线路很长时（一般超过1000m），可考虑电缆护层交叉互联的方式来降低电缆护层感应电压。即将整条电缆线路分成几个换位大段，一个换位段中有三段长度基本相等的小段组成，用两套绝缘接头连接，每套绝缘接头两侧不同相的金属护套采用交叉跨越法相互连接，如图3所示。

图3 交叉互联接线图

3电缆的分段设计

单芯电缆金属护套对地电压和相间电压，与多种因素有关，包括电缆的负荷、短路电流以及电缆三相排列方式、电缆长度等因素。在电缆的负荷、短路电流以及电缆三相排列方式等因素确定的情况下，电缆段长是控制电缆的感应电压主要因素。

为此在设计电缆分段长度时，在保证感应电压满足规范要求的情况下，一般都希望增加电缆的分盘长度，这样一来可加快工程进度，二来以降低工程造价和减少事故率，但是分盘长度也不能无限制地增大，主要原因如下：

1. 生产方面

考虑到电缆装盘和装卸等问题，应该对电缆长

度进行限制，满足周转盘和出货盘的直径和承重限制的要求。

2. 施工不便

对于110kV及以上的高压电缆，由于它重量较大，例如一个电缆盘绕有500m长330kV的充油电缆，其直径约4m，质量约20t，故电缆施工时的牵引力也比较大，因此设计时必须控制牵引力不超过允许值。

3. 运输困难

电缆在运输时应缠绕在特制的电缆盘上。因为受到弯曲半径的限制，电缆盘的直径必须满足一定的要求，所以随着电缆分盘长度的增加，电缆盘的直径和长度也要相应增加，对运输车辆和运输通道的要求也更高。

4电缆感应电压的计算

图4中 、 、 为三相线路，对于三相负荷电流平衡的电缆线路，它的同芯金属屏蔽层可以认为是邻近的平行导线。

图4 屏蔽层感应电压计算简图

因此，平行导线（屏蔽层） 对 相导线来说， ， ， ，其中 是 相导线对屏蔽层的几何平均半径，约等于 （平行导线 的几何平均半径）。 相电缆屏蔽层由于电流 所形成的磁通表达式：

（1）

同理 相屏蔽层由于导线电流 和 所形成的磁通 和 的表达式：

（2）

（3）

因此 相屏蔽层的磁通总和为：

（4）

又因为 ，所以可写为

（5）

从而得到 相屏蔽层的纵向感应电压表达式：

（6）

式中， 为金属护套上的感应电压梯度，单位V； 为电缆长度，单位m； 为角频率。

5工程实例

5.1工程概况

本工程属于220kV崇寿110kV送出工程的子工程，由崇寿变的慈溪、浒山间隔出线至110kV慈浒1383线电50塔附近开口，新建双回路路径总长度约6.91km，其中架空线路长度2.71km，电缆路径长度4.20km。

5.2电缆的敷设方式与排列

由于电缆长距离敷设时交叉互联接线方式在降低感应电压、环流等方面存在显著的优点，且由于本工程电缆超过4km，因此设计采用交叉互联接地方式。推荐本工程电缆采用排管方式敷设，排管孔数按每回路4孔考虑，其中1孔为备用孔。新建电缆线路在六灶江路段与新都线同路径，共四回电缆，按16孔布置，其余双回路段按8孔布置。

根据公式（6），对不同长度的电缆金属护层感应电压进行计算分析，计算条件为：电缆极限输送容量100MVA，单项短路电流为16.7kA、三相短路电流为13.1kA、交叉互联接地。

表1 8孔排管电缆感应电压计算值

表2 16孔排管电缆感应电压计算值

由表1、2可以看出，电缆线路越长感应电压越高。电缆在8孔排管中敷设时，交叉互联电缆大段长度小于1.9km时能保证护层感应电压低于50V，小于11.4km时能保证护层感应电压低于300V；电缆线路在16孔排管中敷设时，交叉互联电缆大段长度小于2.2km时能保证感应电压低于50V，小于12.8km时能保证护层感应电压低于300V。电缆线路设计时沿线电缆金属护套均对地绝缘，无人员可以直接接触金属层的地方，因此护层感应电压可以按规范要求的上限300V考虑。

5.3电缆的分段设计

根据第2节给出的各种影响分段因素，电缆路径和接头井位置的选择是否合理直接关系到工程的投资与运行安全。普通高压110kV电缆，常规设计每盘盘长在500~600m，结合本工程电缆路径可以看出，电缆线路主要沿中横线、六灶江路、潮塘路、担山北路敷设。在担山北路（担山公园~潮塘江）段情况较好，除登塔处外均为直线，该段电缆盘长可适当放大；潮塘江南侧~中横线北侧登塔段线路路径曲折度加大，且穿越较多的河流、沟壑和道路，采用非开挖的情况较多，电缆敷设难度较大，此段电缆的盘长不宜放大。

电缆长度按以下公式计算：

式中， 为单相电缆使用长度； 为路径长度； 为两端引上长度；系数1.05包括接头长度及蛇形敷设长度。

综上所述，以担山北路、潮塘江南岸转角点为界，将电缆分为2个大段6小段。将潮塘江-中横线侧电缆为一个全换位段，长度1.9km，三小段，第一段0.62km、第二段0.64km、第三段0.64km；潮塘江-担山公园电缆为一个全换位段，长度2.58km，三小段，第四段0.86km、第五段0.86km、第六段0.86km，路径示意图5所示。

图5 电缆分段路径示意图

5.4分段感应电压的计算

结合实际电缆负荷、短路电流、电缆三相排列方式以及电缆分段长度等条件对本工程电缆金属护层感应电压进行计算，结果如表3所示。

表3 各段感应电压计算表

由上表可以看出本工程电缆金属护套感应电压均小于300V，满足规范中的要求。

6结论

通过慈溪-浒山π入崇寿变110kV电缆线路金属护套感应电压计算和分段设计可以得出：

1）其他条件相同的情况下，电缆长度是金属护套上感应电压的决定因素。缩短电缆长度可以有效降低电缆金属护套上的感应电压的数值。

2）实际工程中，电缆段长不仅要结合电力电缆的生产、运输和施工情况，还应该通过计算电缆金属护套感应电压确保金属护套感应电压满足规范中的要求。

参考文献

[1] 中华人民共和国建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB50217-2007电力工程电缆设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2] 张山,李茂民.电线电缆[M].北京：机械工业出版社，1989:277-280.

[3] 张恩峰,孟凡民,李鲲鹏.35~110kV单芯电力电缆金属护层接地方式的探讨[J].中国煤电，2008,34(08):71-72,74.

[4] 李秋明,李壮.单芯电缆线路接地系统的分析及处理[J].冶金动力，2007(04):17-18.