電纜接地故障分析及電纜護層保護箱的選用

王志強　史少偉　郭立秋　趙建宇　李鵬飛

（國網山西省電力公司原平市供電公司，山西　原平　034100）

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電纜接地故障分析及電纜護層保護箱的選用

王志強史少偉郭立秋趙建宇李鵬飛

（國網山西省電力公司原平市供電公司，山西原平034100）

摘要：在出現電纜接地故障的情況下，電纜維護人員應及時對電壓等級及電纜敷設方式進行分析，了解電纜保護層受損程度，并選用最為適用的護層保護箱，這樣才能有效解決電纜接地故障。

關鍵詞：電纜接地；護層保護箱；選用

1　電纜接地分析

1.1高壓電纜中間接頭的接地電阻

在電纜正常運行的過程中，其中間接頭經保護器接地，并呈現出高電阻的特征，主要發揮交叉換位的作用，當電纜發生接地故障時，保護器呈現出低電阻的特征，電流通過保護器可迅速進入大地，達到保護電纜的目的，在嚴重故障的情況下，電纜中間接頭接地裝置的電流最高能達到10kA，此時地電位大幅上升，對相關設備及人員的安全都會造成嚴重威脅，金屬護層的感應電流也會超過最高限制［1］。為了避免危險事故的發生，需將地電位上升產生的過電壓控制在合理范圍內，過電壓的計算公式為Uf=IR，當過電壓處于電纜護層絕緣耐受范圍內時，滿足R＜24/I。式中，R表示接地裝置的接地電阻（Ω）；I表示流經接地裝置的入地故障電流（kA）。人體允許的接觸電位Ej和跨步電位Ek分別可通過下列公式計算：

Ej=0.165（R0+0.5Rb）/√t

Ek=0.165（R0+2.0Rb）/√t

公式，R0表示人體電阻（Ω），一般R0的值應取1 500Ω，Rb表示人體一只腳對地時的接地電阻（Ω），t表示電擊時間（s）。根據設計出的接地裝置，可分別計算接地電位差Uj和跨步電位差Uk，計算公式為Uj=KjIR，UK= KKIR。式中，Kj表示接地系數，通常取0.2；Kk表示跨步系數，通常取0.1；I表示接地裝置入地短路電流（A）。

通過上述所有公式的計算，考慮保護動作時間，令t= 1，則可通過下列公式計算得出接地裝置的電阻：R≤（174+0.17db）KjI；R≤（174+0.70db）KkI。根據現場客觀條件以及接地裝置的經濟適用性，R的設計值應保持在1～5Ω，且必須采取適當的隔離和均壓手段。

1.2高壓電纜終端的接地電阻

大多數高壓單芯電纜保護層和大地之間都安裝有護層保護器，電纜終端還有避雷器，這樣就能使沖擊過電壓不超過電纜護層絕緣耐受范圍，在出現電纜短路故障的時候，一般應重點分析過電壓保護接地問題，一般線芯電流在正常情況下只有幾百安，且金屬保護層上的感應電壓也比較小。然而，如果出現單相短路故障、兩相短路或三相短路故障，電纜線芯內通過的電流可達幾千安，金屬護層兩端的感應電壓也會大幅升高，電纜運行的安全性將會受到嚴重影響。所以，應及時采取措施降低金屬保護層的感應電壓，而且必須將接地電阻控制在最低，才能避免接地電位產生的不良影響。常見的電力電纜保護接地方式有Y接線方式和Y0接線方式。在第一種接線方式下，保護器的工頻電壓不受接地電位的影響，即使護層沖擊過電壓降低，護層的工頻電壓不會發生變化，在發生短路故障時，這兩種接線方式的護層過電壓數值基本一致。當電纜出現單相接地故障時，終端接地裝置的接地電位與電纜護層所承受的過電壓息息相關，一旦接地電位出現大幅上升，工頻過電壓很可能增加到一個極大值，且接地網內外的接地故障工頻過電壓有很大差異，電纜首末兩端的過電壓也不相等。采取上述兩種保護接線方式時，當A相電纜出現多電源網內單相接地故障時，C相電纜護層的工頻電壓值最高，電纜終端的保護接地電阻計算公式為R≤2 000/I，通過考慮多種因素，一般取R≤0.5Ω，若受客觀因素的限制，不能滿足上述公式時，則應使R＜5.0Ω，并進行均壓和隔離。對于安裝有回流線保護裝置和均壓線保護裝置的電纜故障來說，接地電位大小與護層電壓、保護器電壓之間互不影響，但是應保證均壓線本身的阻抗遠遠低于均壓線總的自然接地電阻，即滿足6Zd＜R。

1.335kV及其以下電纜的接地電阻

對于35kV及其以下的電壓等級的電纜來說，其在正常運行的過程中，金屬護層外并不存在磁場，電纜兩端也沒有感應電壓和感應電流，當不同線芯中電流的總和不為0時，金屬護層的阻抗偏大，環流不是很明顯，護層中產生的感應電流最高僅為線芯內總電流的8%。因此，在敷設時應采用金屬護層兩端直接接地的保護方式，此時電纜保護接地裝置的電阻R應滿足該關系式：R≤250/I，式中，I表示接地故障電流，單位為A，對于一般電力工程來說，一般取R≤4Ω最為合理，若由于一些因素的限制而不能滿足上述要求時，可適當放寬限制，但R的最大值不能超過10Ω。

表1　保護器的通流容量選取

2　電纜護層保護箱的選用

2.1電纜過電壓產生原理

對于10Kv及以上的三芯電纜來說，由于電纜三芯同時接通電流，電流也基本上保持平衡，因此，可以認為電纜保護層上的電流為0，金屬護套和電纜之間的關系等同于一個變壓器的次級繞組和初級繞組之間的關系，當線芯中有電流通過時，金屬護套將和磁力線交鏈，這就導致護套產生感應電壓，且電纜長度越長、電流越大，產生的感應電壓越大。當電纜過長時，護套上產生的感應電壓可能會危及到人身安全，單芯電纜過電壓產生的原理如圖1所示。

圖1　單芯電纜過電壓產生的原理圖

2.2電纜護層保護箱的選擇

選擇保護箱時，首先應計算最大沖擊電流值，保證最大沖擊電流時的殘壓乘以1.4之后比電纜護層絕緣的沖擊耐壓值小，保護箱應在最大工頻電壓作用5s內不被破壞，而且應在最大電流沖擊下累積20次不被損壞，保護器的閥片數應根據工頻電壓的大小進行確定，閥片數量的計算公式為：m=Us/U1。式中，U1表示每片閥片所能承受的工頻電壓值，Us表示護層工頻過電壓值的大小（kV）。

3　電纜護層保護箱的參數設計

電纜護層保護箱主要由金屬電極、非線性限流元件和硅橡膠外絕緣三部分組成，其絕緣效果和使用壽命的長短主要由電氣參數的設計質量決定，根據國內外對電纜護層保護箱參數選取的相關規定，在對參數進行設計時應做到以下幾點。首先，應計算出起始動作電壓UImA和額定電壓Ur，護層保護器額定電壓的計算公式如下：Ur=Up/K。式中，K表示保護器工頻電壓配合系數，UP表示短路故障出現時電纜中工頻電壓的最大值。根據保護器的動作狀況的差異，K應在1.1～1.3之間取值。K值的大小與其保護水平成反比。其次，應對保護器的通流容量Im進行科學計算，當電纜遭受雷電沖擊時，金屬護套的一端連接保護器，另一端接地，保護器的通流容量應按照表1所示進行選取。

參考文獻：

［1］王欣.經電阻接地電力系統的接地保護研究［D］.濟南：山東大學，2014.

中圖分類號：TM862

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0136-02

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：王志強（1978-），男，技師，研究方向：電氣自動化。

Failure Analysis and Selection of Cable Grounding Cable Sheath Protection Box

Wang ZhiqiangShi ShaoweiGuo LiqiuZhao JianyuLi Pengfei
（State Grid Electric Power Company,Shanxi Province Yuanping city Power Company，Yuanping Shanxi 034100）

Abstract:In the event of a ground fault in the cable,the cable should be timely maintenance personnel voltage cable laying and analyzed to understand the extent of the damage protective layer of the cable,and the choice of the most suitable protective layer protecting box,so as to effectively solve the grounding cable malfunction.

Key words:grounding cable；protective layer protecting box；selection