基于MATLAB的單芯電纜金屬護套環流分析研究

林子翔

摘 要：推導出金屬護套兩端直接或交叉互聯接地，計及護套環流影響時統一的護套環流矩陣方程式，利用MATLAB軟件結合電纜實際運行情況，分別計算分析了負荷電流、交叉互聯電纜分段長度不均勻及交叉互聯接線錯誤對護套環流的影響，最后根據分析計算結果，結合電纜日常運行維護情況從電纜設計、施工、運行等方面分析了護套環流異常的原因及處理對策。

關鍵詞：單芯電纜 護套環流 MATLAB 計算分析

對于110 kV及以上電纜一般采用單芯結構，其工作電流產生的交變磁場在金屬護套上將產生感應電動勢。若金屬護套兩端直接接地或交叉互聯接地與大地形成通路，則在電纜金屬護套上將產生環流損耗，降低電纜的壽命和電纜載流量[1]。

1 金屬護套環流計算模型

電纜金屬護套兩端互聯接地的其等值電路可用圖1來表示[2]。

圖1中為電纜金屬護套的電阻；為電纜金屬護套的自感抗；和為電纜兩端的接地電阻；為大地的漏電阻。（單位V）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；、、（單位V）為三相護套環流、、（單位A）在三相電纜金屬護套上產生的感應電壓；為電纜長度，單位m。由于三相電纜結構相同，三相護套的自阻抗相同，其中：=；= =0.0000493Ω/m =；為單位長度電纜護套的電阻；為電纜護套以大地為回路時等值深度，=（m），，=50 Hz，為大地電阻率（Ω·m）；為電纜護套的直徑（m）。

2 金屬護套環流計算分析

2.1 負荷電流對環流影響

按800 mm2電纜的結構參數，水平排列，間距=0.25 m，兩端接地電阻均取0.5 Ω，進行計算繪圖。圖2為交叉互聯接地（ ）時，護套環流及感應電壓與負荷電流變化圖，可以發現感應電壓，護套環流均隨負荷電流增大而增大；但三相環流與負荷電流比值一直保持不變（A相： 0.808%，B相：0.511%，C相：0.570%），還不到1%。對于兩端直接接地，以=600 m計算，同樣可以得出感應電壓，護套環流均隨負荷電流增大而增大，但三相環流與負荷電流最大比值卻一直為48.49%，所以當電纜較短時，不建議采用兩端直接接地方式，推薦單端接地方式。

2.2 電纜分段長度不均勻對環流影響

當單芯電纜交叉互聯水平排列時，若交叉分段長度相等地，從理論上分析可知，3小段護套上感應電壓相位相差120°，其相量和不為0，護套上產生環流。當350 A700 時，經計算得A，電流為2.13 A，為找出分段不均對環流影響，假設700 ，350 A，利用MATLAB進行計算及繪圖（如圖3），從圖3中可以看到，分段越不均勻，環流就越大。綜合考慮，當分段均勻時，三相環流與負荷電流百分比才都比較小，均為0.607 8%，此時最為合理。

2.3 交叉互聯接線錯誤對環流影響

電纜在施工或運行維護過程中，使交叉互聯接線方式發生變化，此時環流將變得很大。如圖4是典型的交叉互聯接線錯誤，如圖5是典型的相序錯誤。

對于圖4相應得出：按800 mm2電纜的結構參數，水平排列，間距=0.25 m，兩端接地電阻均取0.5 Ω計算，當=575 =590 =580 ，=350 A時，改變式（1-2）中的參數，計算得：三相環流與負荷電流百分比分別為28.42%，23.49%，21.32%；同理可以寫出圖5改變參數的環流矩陣方程式，計算得：三相環流與負荷電流百分比分別為20.999%，9.097%，9.018%。對比2.1中的正確接線方式下三相環流與負荷電流百分比增加了15～35倍。

金屬護套環流異常分析及原因對策

根據2.1中結果分析，護套環流及感應電壓均隨負荷電流增大而增大，但三相環流與負荷電流比值不隨負荷電流變化而變化，可以把此值作為判斷環流是否異常的依據。

根據2.2中結果分析，電纜分段不均勻對護套環流影響非常大，因此，在電纜線路設計時，應選擇合理的電纜路徑，盡量將交叉互聯段分段均勻；當電纜較短時，推薦使用單端接地方式。

根據2.3中結果分析，電纜線路新投運后環流與負荷電流百分比均達到20%以上，很可能是交叉互聯接線錯誤；若有一相的百分比（20%以上）差不多是另外兩相2倍，則可能是電纜相序錯誤。均應該再次嚴格對相并核對交叉互聯接線方式。對于已經運行中電纜線路，可能存在幾種由間接接地變為直接接地的情況：（1）護層保護器擊穿或者被短接，導致交叉互聯系統本不應該接地，意外接地；（2）外護套老化，絕緣水平降低，出現多點接地；（3）外護套損傷或存在缺陷，導致絕緣水平降低或直接接地；（4）接地箱內積水，導致交叉互聯系接地系統改變。

參考文獻

[1]馬國棟.電線電纜載流量[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2]賈欣，曹曉瓏，喻明.單芯電纜計及護套環流時的載流量[J].高電壓技術，2001，27（1）：25-26.

[3]鄭肇驥，王琨明.高壓電纜線路[M].北京：水利電力出版社，1983.

[4]蘇金明，王永利.MATLAB7.0實用指南[M].北京：電子工業出版社，2004.