高壓電纜金屬護套環流超標分析及處理

王年孝

摘 要：高壓電纜金屬護套環流超標會嚴重影響運行電纜的載流量，加速電纜絕緣老化，環流過大時若某處接觸電阻過大，將引起電纜附件燒損。通過金屬護套環流矩陣計算模型，定性分析出影響環流大小的因素主要有電纜負荷電流、電纜分段長度、電纜排列形式、電纜兩端接地電阻及大地電阻。文章針對中山兩回110 kV電纜環流超標問題，指出了處理環流超標常規方法的弊端，結合預防性試驗，得出負荷電流對環流超標無影響，同時利用matlab進行數值模擬分析，在不改變金屬護套交叉互聯接線方式情況下，得出適當提高電纜兩端接地網電阻，可以有效減小護套環流，并給出了具體的處理對策和現場實施方案，成功處理了環超標問題，為解決電纜線路環流超標提供了一種新思路、新方法。

關鍵詞：高壓電纜；護套環流；定性分析；數值模擬；超標處理；現場實施

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0082-03

110 kV及以上單芯高壓電纜金屬護套一般通過兩端直接接地、交叉互聯接地、或回流線與大地形成通路，電纜運行時其工作電流將在護套上產生環流損耗，我局在環流檢測中發現110 kV小北甲線兩相環流超標，小北乙線三相環流超標，最大相約占負荷電流20%（達到64 A）。環流超標會對電纜運行產生較大危害：

①電纜載流量減少，加速絕緣的老化。

②環流過大時若某處（接地箱或接頭）接觸電阻過大，將引起接頭故障或接地箱（線）燒損。

本文通過金屬護套環流矩陣計算模型，結合matlab分析了小北甲乙線環流超標原因，并利用適當提高電纜兩端接地網電阻的方法，成功處理環流超標問題。

1 金屬護套環流計算模型

電纜金屬護套兩端接地一般有兩端直接接地和相叉互聯接地兩種形式，其等值電路可用如圖1所示。

圖中，

R為電纜金屬護套的電阻；

X為電纜金屬護套的自感抗；

R1和R2為電纜兩端接地電阻；

Ea、Eb、Ec為大地的漏電阻。

Re為三相線芯電流分別在三相電纜金屬護套上產生的感應電壓；

Ea'、Eb'、Ec'為三相護套環流Isa、Isb、Isc在三相金屬護套上產生的感應電壓。

由于三相電纜結構相同，三相護套的自阻抗相同，根據圖1等值電路有：

公式（1）中：

Isar、Isbr、Iscr表示環流的實部，

Isaf、Isbf、Iscf表示環流的虛部；

Ear、Ebr、Ecr表示感應電壓的實部；

Eaf、Ebf、Ecf表示感應電壓的虛部；

S為電纜相間間距。

通過方程兩端實部和虛部分別相等，可以得到計算電纜水平排列時金屬護套環流的矩陣方程：

公式（2）中：

RA=R+R1+R2+Re；

RB=R+R1+R2+Re；

XA=X1L1+X1L2+X2L3；

XB=X2L1+X1L2+X1L3；

XC=X1L1+X2L2+X1L3；

X1=2 wIn（De/S）×10-7；

（Ω/m）為單位長度中相和邊相護套的互感抗；

X2=2 wIn（De/2 S）×10-7；

（Ω/m）為單位長度邊相和邊相護套的互感抗；

Esa、Esb、Esc根據實際電纜排列方式計算，根據參考文獻，對于兩端直接接地情況，將式中的參數改為：L1=L，L2=0，L3=0，即可應用。

2 金屬護套環超標分析

從電纜環流矩陣計算模型式可以看出，影響環流大小因素有電纜負荷電流、電纜分段長度、電纜排列形式、電纜兩端接地電阻及大地電阻，另外如果電纜金屬護套交叉互聯接地系統被破壞或者出現多點接地情況（相當于每兩個接地點構成兩端直接接地方式），環流也將發生異常或超標。

110 kV小北甲、乙線于2009年1月投運，電纜型號：FY-YJL

W03-Z-1×800 mm2，電纜回長1 720 m，電纜分三小段（小北甲線長度分別為598 m、586 m、536 m，小北乙線三小長度為603 m、586 m、531 m），三相電纜并列敷設，中間交叉互聯，兩端直接接地（在N1塔端小北甲、乙線金屬護套接地線直接接在鐵塔上，在小欖站端小北甲、乙線金屬護套接地線直接接在變電站地網上），其護套接地方式如圖2所示。

正常情況下，環流與負荷電流比值保持不變，小北甲乙線測試的環流數據與負荷電流比值也基本不變，說明負荷電流對環流超標無影響，停電對小北甲乙線做電纜預防性試驗，試驗數據均合格，說明交叉互聯結構未被破壞，也不存在電纜多點接地情況。

同時在電纜分段長度、電纜排列形式敷設運行后不可變化的情況下，電纜環流超標處理常用的方法是將金屬護套交叉互聯接線方式改為單端接地方式，此種方式對降低護套環流很有效，但存在著一些隱患，如電纜流過較大的短路電流時，易造成護層保護器燒毀，且如果中間接頭接地箱被盜，會造成部分電纜金屬護套與地斷開，產生很高的懸浮電位，輕則燒毀外護套，重則損壞主絕緣引起電纜擊穿故障。

基于上述分析，為了降低小北甲乙線電纜環流，只能從電纜兩端接地電阻入手。

小北甲線負荷電流為350 A時，利用matlab進行數值模擬計算出的電纜兩端接地電阻與環流關系圖如圖3（a）、（b）所示，從圖中可以發現，當接地電阻R1<1 Ω時，環流數值變化很大，特別在 R1<0.5 Ω時，環流曲線斜率突變明顯，說明此時接地電阻對環流影響非常大，觀察式1和式2，可知右邊感應電壓矩陣，左邊系數矩陣中感抗不變情況下，影響環流大小主要原因是電阻，當電阻較小時影響尤為明顯，當電阻增大到一定程度后，影響變小；當R1>2 Ω時，環流曲線斜率變化很小，說明此時接地電阻對環流影響有限，因而為了減小環流，可以適當提高兩端接地網電阻，但接地電阻增大后不利于系統發生單相短路故障時金屬護套泄流，建議接地電阻增大后不超過2 Ω。

3 處理對策及現場實施

為增加小北甲、乙線電纜兩端接地電阻，須在N1塔做兩個獨立地網（不與鐵塔連接）。

在N1塔內沿基礎橫梁挖1 m×1 m溝（深度×寬度）。

在開挖好的溝內每隔1 m打1根（∠50×5，長3 m）垂直接地極，用φ12 mm圓鋼水平連接（焊接）每個接地極，引出地面的用φ16 mm圓鋼，配合降阻劑，每個地網接地電阻控制1～5 Ω左右。

按上述方案，在完成新地網施工后，對110 kV小北甲、乙線環流進行復測，電流環流已全部合格。

110 kV小北甲、乙線增大接地電阻（電纜終端塔側改造地網，增大接地電阻）前后環流測量結果對比見表1。

4 結 語

影響金屬護套環流大小因素有電纜負荷電流、電纜分段長度、電纜排列形式、電纜兩端接地電阻及大地電阻， 負荷電流對環流是否超標無影響。

經計算分析，當電纜兩端接地電阻R1<1 Ω，尤其在R1<0.5 Ω時，接地電阻對環流影響非常大；

當R1>2 Ω時，接地電阻對環流影響有限，為有效降低電纜環流，在不改變金屬護套交叉互聯接線方式情況下，可以適當增加電纜兩端接地電阻，但接地電阻增大后盡量不超過2 Ω，并由此成功將110 kV小北甲、乙線過大的金屬護套環流降低到允許范圍內，為解決電纜線路環流超標處理問題提供了一種新思路、新方法。

此外，我們應從設計、施工、監理、運行等多個部門、各個環節共同努力，建議電纜分段應盡可能均勻，如果受地形限制，電纜分段不夠均勻，應核對電纜環流是否超標，并采取相應補償措施，確保環流合格。

參考文獻：

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