混合排列方式在交叉互聯(lián)電纜中的應(yīng)用

梁海生， 李　帆， 王永志， 曹　煒

（1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海200002；2.上海電力學(xué)院，上海200090）

混合排列方式在交叉互聯(lián)電纜中的應(yīng)用

梁海生1， 李帆1， 王永志2， 曹煒2

（1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海200002；2.上海電力學(xué)院，上海200090）

城市電網(wǎng)改造引起電纜線路割接，造成原有交叉互聯(lián)接地方式被打破，這將導(dǎo)致金屬護(hù)套中產(chǎn)生環(huán)流。從分析金屬護(hù)套環(huán)流產(chǎn)生原理入手，找出影響金屬護(hù)套感應(yīng)電壓的主要因素，通過相量圖分析交叉互聯(lián)電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量，提出混合排列方式在某些場合可以降低金屬護(hù)套環(huán)流。同時，通過EMTP仿真驗證了結(jié)論的正確性，并明確了混合排列方式的應(yīng)用范圍。

高壓電纜；金屬護(hù)套；排列方式；護(hù)套環(huán)流

0 引 言

目前，城市中越來越多地采用高壓電纜代替架空線路，電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓過高將會威脅到人身安全，一般要求電纜金屬護(hù)套至少有一點接地，在不采取安全措施時，金屬護(hù)套感應(yīng)電壓應(yīng)小于50 V，采取安全措施后，金屬護(hù)套感應(yīng)電壓不能超過300 V［1］。在電纜金屬護(hù)套接地方式選擇中，交叉互聯(lián)雙端接地越來越多地受到青睞，但是隨著電網(wǎng)改造和新建站點的重新布局，原有電纜將出現(xiàn)割接，會造成電纜金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接地方式均勻分段的情況被打破，影響電纜金屬護(hù)套接地環(huán)流，增加線路損耗，降低電纜傳輸容量和縮短電纜壽命［2-4］。本文研究通過改變電纜金屬護(hù)套交叉互聯(lián)各段排列方式，減小電纜線路改造時因分段不均勻產(chǎn)生的金屬護(hù)套環(huán)流。

1 金屬護(hù)套感應(yīng)電壓分析

1.1單段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓

城市電纜越來越多地采用排管敷設(shè)，而排管又以3×7和2×10規(guī)格居多。一般設(shè)計中要求110kV及以上等級高壓電纜應(yīng)布置在排管最外層，有利于散熱。由于排管規(guī)格的限制，無法實現(xiàn)品字形排列，因此，電纜在排管中的排列方式主要有水平排列方式、豎直排列方式和直角三角形排列方式，見圖1。

單位長度電纜護(hù)套感應(yīng)電壓計算公式如式（1）［5］：

式中：ESA、ESB、ESC分別為A、B、C相電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓（V/km）；I為線芯電流（A）；GM Rs為金屬護(hù)套的幾何平均半徑（mm）；S為AB相電纜距離（mm）；mS為BC相電纜距離（mm）；nS為AC相電纜距離（mm）；n為AC相電纜距離與AB相電纜距離比值；m為BC相電纜距離與AB相電纜距離比值。

圖1　電纜排列方式

線芯電流為110 kV單芯皺紋鋁護(hù)套交聯(lián)電纜在上海地區(qū)線路設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)值698A，用式（1）分別計算不同排列方式下單位公里長度電纜的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量值，見表1。

表1　不同排列方式下單段金屬護(hù)套感應(yīng)電壓　（單位：V）

從表1可知，金屬護(hù)套感應(yīng)電壓在電纜品字形排列方式下最小，豎直排列方式下最大，水平排列方式比豎直排列方式略小。根據(jù)圖1排管中電纜的排列方式，可知引起豎直與水平排列方式金屬護(hù)套感應(yīng)電壓差異的原因是排管的垂直距離240 mm略大于水平距離230 mm。為了簡化后續(xù)研究中混合排列方式的種類，可以將水平排列方式與豎直排列方式近似認(rèn)為是同一種排列。

1.2交叉互聯(lián)電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量和分析

按照電纜三段護(hù)套交叉互聯(lián)原理［5-6］，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，分別做出各種排列方式下三段等長且三段同一排列方式下金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓相量圖（見圖2）。

圖2　交叉互聯(lián)電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量圖

由圖2可以看出，三段等長交叉互聯(lián)電纜中，品字形排列可以正好使三段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓完全抵消，即三段護(hù)套感應(yīng)電壓相量和為零；其他排列方式下，三段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓不能完全抵消且三段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量和，直角三角形排列時小于水平（豎直）排列時。因此，可以預(yù)期，在不等長分段電纜中，可以通過直角三角形排列方式來減小最長段電纜的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓，或者通過水平（豎直）排列方式來增大較短一段電纜的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓，以平衡三段電纜不等長引起的電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量和，減小護(hù)套環(huán)流。

2 均勻分段交叉互聯(lián)金屬護(hù)套環(huán)流分析

當(dāng)金屬護(hù)套交叉互聯(lián)電纜雙端接地時，電纜金屬護(hù)套環(huán)流是由三段電纜護(hù)套感應(yīng)電壓和引起的。從圖2中三段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓合成相量，能夠直觀地推論出品字形排列下的等長電纜護(hù)套中不會產(chǎn)生環(huán)流，直角三角形排列的護(hù)套環(huán)流小于水平排列的護(hù)套環(huán)流。以下通過電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP仿真，定量研究三段長度均為400 m的110 kV護(hù)套交叉互聯(lián)電纜當(dāng)線芯電流為698 A時的護(hù)套感應(yīng)電壓和環(huán)流，結(jié)果見表2。

表2中EMTP仿真結(jié)果驗證了電纜護(hù)套采用交叉互聯(lián)雙端接地時等長分段同一排列方式下，直角三角形排列時金屬護(hù)套環(huán)流最小，水平排列時金屬護(hù)套環(huán)流最大，豎直排列與水平排列護(hù)套環(huán)流大小相當(dāng)。

3 混合排列方式對不均勻分段交叉互聯(lián)電纜護(hù)套環(huán)流的影響

電纜金屬護(hù)套中環(huán)流是由于交叉互聯(lián)電纜中金屬護(hù)套電壓相量和不為零產(chǎn)生的，在線芯電流恒定的情況下，金屬護(hù)套感應(yīng)電壓主要取決于電纜長度以及電纜排列方式。現(xiàn)有文獻(xiàn)中有些在三段等長品字形排列的理想條件進(jìn)行研究，有些研究其中一個因素的變化對金屬護(hù)套環(huán)流的影響，強調(diào)三段交叉互聯(lián)電纜應(yīng)采用同一排列方式，以減小金屬護(hù)套環(huán)流［6-7］。

表2　均勻分段各段同一排列方式下的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓與環(huán)流

實際上，在電纜敷設(shè)過程中受到工井位置以及排管中其他回路電纜的影響，并不能保證電纜三段等長，也不能保證三段電纜能夠按照品字形排列。此外，城市電網(wǎng)的改造，也會導(dǎo)致電纜原有交叉互聯(lián)方式被破壞，這時，金屬護(hù)套中的環(huán)流將會顯著增加。

由式（1）可知，單段電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓隨著電纜長度的增加線性增加。因此，當(dāng)交叉互聯(lián)的三小段電纜長度不相等時，即使品字形排列，也會導(dǎo)致三段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量和不為零，使雙端接地的金屬護(hù)套中產(chǎn)生環(huán)流。

由于不同排列方式產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不同，直角三角形排列下金屬護(hù)套感應(yīng)電壓最小，水平排列下金屬護(hù)套感應(yīng)電壓最大，所以不均勻分段的各段電纜采用不同的排列方式可能會削弱分段不均勻帶來的環(huán)流。

表3為110 kV不均勻分段電纜當(dāng)線芯電流為額定電流698 A時，各段不同的排列方式組合，對護(hù)套環(huán)流的影響。

表3　不同排列方式對不均勻分段電纜的影響

表3中，混合排列方式1與直角三角形排列對比，混合排列方式1下環(huán)流比直角三角形排列方式下環(huán)流可減少12％～64％；混合排列方式2與直角三角形排列對比，混合排列方式2下金屬護(hù)套環(huán)流比直角三角形排列方式下環(huán)流增大60％～75％；混合排列方式2與混合排列方式1對比，混合排列方式2下金屬護(hù)套環(huán)流比混合排列方式1下環(huán)流增大41％～400％。

由以上對比分析可知，在不等間距分段的三小段電纜交叉互聯(lián)時，三段電纜采用適當(dāng)?shù)幕旌吓帕蟹绞浇M合，能夠有效降低金屬護(hù)套中環(huán)流，如表3中混合排列方式1。但是，當(dāng)混合排列組合不當(dāng)時，不但不能降低護(hù)套環(huán)流，反而會使得金屬護(hù)套中環(huán)流大幅增加，如表3中混合排列方式2。

因此，當(dāng)受到施工條件限制，或者當(dāng)電纜改造后造成三段電纜分段不均勻時，可以使長度較長的電纜采用直角三角形排列，長度較短的電纜采用豎直（水平）排列來降低金屬護(hù)套的環(huán)流。

4 混合排列方式的應(yīng)用范圍

為了研究混合排列方式在不等長分段電纜中的具體應(yīng)用范圍，設(shè)置不同的分段格局，使任意兩段電纜長度差ΔL最大值從10 m增加到100 m，并保證三段電纜最短一段電纜的長度不小于三倍的ΔL，線芯電流為698 A。通過EMTP仿真，分析三相金屬護(hù)套的環(huán)流以及三段電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓相量和，最終確定ΔL的具體范圍，見表4。

由表4可知，當(dāng)ΔL為40m時，三段電纜均采用豎直排列方式時，金屬護(hù)套的環(huán)流明顯小于混合排列方式下金屬護(hù)套的環(huán)流；當(dāng)ΔL為70 m時，混合排列方式下金屬護(hù)套的環(huán)流小于豎直排列方式下金屬護(hù)套環(huán)流。

因此，建議當(dāng)ΔL大于70 m時，三段電纜采用混合排列方式；當(dāng)ΔL小于40 m時，三段電纜采用同一種排列方式。這樣，可以減少金屬護(hù)套環(huán)流，降低金屬護(hù)套發(fā)熱損耗，延長電纜運行壽命。

表4　不同ΔL下各排列方式下環(huán)流及電壓相量和

5 結(jié)束語

本文結(jié)合城市電纜排管敷設(shè)的具體條件，得出電纜金屬護(hù)套交叉互聯(lián)雙端接地時水平排列方式與豎直排列方式下的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓及環(huán)流近似相同，三角形排列方式下金屬護(hù)套感應(yīng)電壓最小，水平（豎直排列方式）排列方式下金屬護(hù)套感應(yīng)電壓最大。并將這一結(jié)論應(yīng)用到不等長分段的交叉互聯(lián)電纜中，通過排列方式組合，來降低三段電纜分段不均勻帶來的金屬護(hù)套環(huán)流。

通過EMTP仿真，明確了混合排列方式在金屬護(hù)套交叉互聯(lián)電纜中的應(yīng)用范圍，即當(dāng)三段電纜長度差大于70 m時，混合排列方式能有效降低金屬護(hù)套的環(huán)流，當(dāng)三段電纜長度差小于40 m時，三段電纜采用同一排列方式，金屬護(hù)套中環(huán)流更小。

［1］ GB 50217—2007 電力工程電纜設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 牛海清，王曉兵，蟻澤沛，等.110 kV單芯電纜金屬護(hù)套環(huán)流計算與試驗研究［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（8）：15-17.

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［8］ ANSI/IEEE Std575—1988 An American national standard IEEE guide for the application of sheath-bonding methods for single-conductor cables and the calculation of induced voltages and currents in cable sheaths［S］.

［9］ 倪欣榮，馬宏忠，王東海，等.電纜護(hù)套電壓補償與護(hù)套電流抑制技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（5）：65-69.

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［11］ GB/T 2952.1—2008 電纜外護(hù)套第1部分：總則［S］.

The Application of Mixed Arrangement in Sheath Cross Bonding System

LIANG Hai-sheng1，LIFan1，WANG Yong-zhi2，CAO Wei2
（1.State grid of Shanghai electric power economic institute of technology，Shanghai200002，China；2.Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China）

Cable sheath cross-bonding system will be broken，when the cables are cut，due to urban power grid changing.Which cause induced current in the metal sheath.First the article analysis the induced voltage theory，and know the main factors which cause sheath current.Meanwhile，use phase diagram describe induced voltage vectors. The analysis of phase diagram provides the method that when the three sections are unequal，using different arrangement can reduce metal sheath current caused by unequal of three sections.Then we confirm the correctness of the conclusion and definite the limit of application by EMTP simulation.

high voltage cable；metal sheath；arrangement；sheath current

TM247.1

A

1672-6901（2015）06-0041-04

2015-01-27

梁海生（1979-），男，高級工程師.

作者地址：上海市九龍路375號［200332］.