高壓電纜感應電壓及其限制分析

楊健銳 沈建雄 李彥雄

（廣州電力設計院，廣東 廣州 510610）

高壓電纜感應電壓及其限制分析

楊健銳 沈建雄 李彥雄

（廣州電力設計院，廣東 廣州 510610）

對單芯高壓電纜金屬護套感應電壓計算方法和降低金屬護套感應電壓措施進行論述，通過對感應電壓的計算選擇采用相應方法對電纜金屬護套進行接地，將其產生的感應電動勢大小限制在允許的安全范圍內。并對較長線路分段受感應電壓限制進行分析，在規范要求范圍內，可適當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定性。

高壓電纜；感應電壓；接地方式；交叉互聯；限制值

0 引言

由于城市建設速度加快，城市建設與電力建設的矛盾也日益加劇，特別表現在輸電線路走廊與城市建設規劃的配合方面。為了解決城市建設與電力建設的矛盾，輸電線路逐步由架空敷設轉向地下電纜敷設。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體之間互感的影響，當這些導體施加電流時，就會在電纜金屬套上產生工頻感應電壓。如果金屬護套存在兩點或兩點以上的接地，就會形成接地環流，產生護套損耗。當金屬護套環流過大時將增加環流附加熱損耗，嚴重影響電力電纜的正常運行，不僅會導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接地的方式。

1 電纜金屬護套感應電壓的計算方法

在單芯電力電纜構成的電力傳輸系統中，電纜導體和護套間的關系可以看作一個空心變壓器。當單芯電纜線芯流過交變電流時，交變電流的周圍必然產生交變磁場，在金屬護套上將會產生感應電動勢。感應電壓的高低與流過電纜導體的電流成正比，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

根據文獻資料，對于品字形排列電纜單位長度的感應電壓分別為：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電壓，從而對電纜采取相應的措施。

2 電纜金屬護套感應電壓的限制措施

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，由于感應電壓的存在，若采用兩端接地方式，那將出現環流，因此單芯電纜不應兩端接地。

但是當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生很高的感應過電壓，此電壓作用在外護層絕緣上。當電纜外護層絕緣不能承受這種過電壓的作用而損壞時，就會出現多點接地，形成環流。因此，在電纜金屬護套一端接地時，另一端應加裝護層保護器。

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，感應電壓滿足規范要求的情況下。當線路較長，線芯電流較大，金屬護套只在一端接地時的感應電壓可以很高，甚至可達數百伏，這樣會危及人身和設備安全，通常采用交叉互聯兩端接地的方式。電纜線路被分割成適當的單元，每個單元內按3個長度盡可能均勻地分為3個小段，單元內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，單點接地感應電壓較大，而又無法分成3段組成交叉互聯時，可采用在線路中間接地的方式，組成2個單點接地段。

3 電纜金屬護套感應電壓限制分析

以廣州某220kV工程實例進行分析。根據系統要求，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所示結果。

表1 不同排列方式下電纜金屬護套感應電壓

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

根據舊規范GB50217—94《電力工程電纜設計規范》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，金屬護套感應電壓不得大于50V；除此以外，不得大于100V。而新規范GB50217—2007保留了50V的規定，采取安全措施的調整為不得大于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，感應電壓為47.0V，接頭數量為69個；若分為15段，每段長度740m，感應電壓為75.3V，接頭數量為42個，接頭數量減少約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，此時接頭數量更少。

要滿足規范要求，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；同時交叉互聯箱設計放置于隧道內或工作井內，除運行檢修人員外其他人不易觸及電纜金屬護層。

新規范對電纜的金屬護套限制值提高，可適當提高電纜的分段長度、減少電纜接頭數量，這不僅降低了工程造價，而且有利于系統今后的運行。實際上，國外對感應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。檢索國外其他標準，IEC標準中迄今對此未顯示限值，歐洲各國標準中也沒作規定。

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電壓和電纜段長，在滿足規范要求時可適當提高電纜段長。

4 結語

通過計算電纜金屬護套產生的感應電壓，我們可以采用相應方法對金屬護套進行接地，一方面將其產生的感應電動勢大小限制在允許的安全范圍內；另一方面，使感應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兩端接地方式。在規范要求范圍內，可適當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，而且有利于系統今后的運行。

［1］江日洪.交聯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計工作。