10KV單相電力電纜屏蔽層的感應電壓和環流

王媛

【摘 要】10kV單芯電纜兩端接地感應電壓與環流導致電纜故障問題，是配電電纜工作者多年困惑的問題。分析10kV電纜故障，直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當，根本原因是設計規范中沒有具體對這些問題做出明確的指引和規定。

【關鍵詞】單芯電纜；環流；接地方式；感應電壓

引言

分析了10kV單相電力電纜因金屬屏蔽層中環流引起的故障。給出了幾種常見敷設方式下單相電纜金屬屏蔽層感應電壓的幅值計算公式，計算結果與實測值較為吻合。提出了電纜安全運行的建議。

一、故障與事故

10kV乙線過流I段跳閘，經檢測東湖站10kV乙線電纜有故障，A、B相對地絕緣電阻為零。找到故障點后，沒有發現被外力破壞的痕跡，排除中間接頭放電和外力破壞引起故障原因。該段電纜屬直埋敷設，甲線與乙線均采用單芯電纜，6條電纜水平排列，間距很小且沒有相間隔板。乙線A相燒損嚴重，線芯外露、B線燒損較嚴重，從挖開的電纜溝來看，電纜溝沙很黑很臭，上面還有兩條排污管，現場還看到排污管還有滴漏現象，且電纜溝沒有采取防滲措施，使電纜長期受到污水侵蝕。乙變電所變壓器出口電纜出現異常，兩根電纜帶電運行不足兩天即出現主變端屏蔽層接地軟銅辮接地處過熱冒煙。當時金屬屏蔽層兩端接地，每根負荷～200A，改為單端接地后再投入運行，發熱現象消失。

二、故障原因分析

事故中電纜金屬屏蔽層雖已改為單端接地，但仍將其判斷為金屬屏蔽層中的環流所致：①事故發生處有尖銳的焊渣使電纜外護套絕緣受損，造成屏蔽層多點接地，并為紅外測溫異常所證實，環流經接觸電阻造成高溫；②18根電纜（其中5根為新換）按預試規程進行金屬屏蔽層10kV直流耐壓試驗，兩根沒通過。

（一）乙線其中一相電纜應該存在一個“隱患點”

該點可能是制作過程中存在的一個氣泡或一個小孔，也有可能是運輸、施工等過程中造成的一點損傷（由于電纜毀壞嚴重，已無法判斷），導致電纜絕緣層受潮，電纜絕緣性能降低，長期受污水滲入電纜里面導致電纜放電。隨著該點電纜放電時間增加，最后把最近的乙線另一相電纜也放電擊傷，導致相間短路接地，引起線路跳閘。

（二）該電纜金屬屏蔽層采用兩端接地方式的原因

屏蔽層上長期存在較大的工頻感應電壓，三相水平排列，使感應電壓進一步增大。出現較大環流，所產生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。在電纜絕緣的薄弱點出現放電，最終導致相間短路。

（三）金屬屏蔽層雙端接地的環流在軟銅辮接地處因接觸電阻較大發熱。

用紅外熱像儀對甲、乙兩座變電所的電纜進行紅外測溫，甲變電所電纜（雙端接地）有一根金屬屏蔽層接地辮處溫度高達110℃，金屬屏蔽層改為單端接地運行后溫升消失；乙變電所電纜（燒壞的電纜已更換，金屬屏蔽層全部為單端接地）有3根溫度異常，高出其它電纜15K，將溫度異常的電纜與支架角鐵之間用一層絕緣墊隔開投運后溫度正常。

三、改進措施分析

乙線故障修復后，現在仍采用金屬屏蔽層兩端接地，金屬屏蔽層仍然有環流，對電纜絕緣來說，隱患仍然存在。為了降低電纜金屬屏蔽層感應電壓，進而降低環流對電纜絕緣的損害。應采取以下措施：

（一）選用電纜時不光要考慮外護套的絕緣強度

還應考慮外護套的機械強度，在費用增加不多時可選用防水或其它外護套質量更好的電纜。另外，將電纜穿入塑料管直埋于地下比用角鐵支撐更加有利于保護護套絕緣。

（二）金屬屏蔽層一端接地

金屬屏蔽層采用一端接地時，如也采用三相品字形排列，正常運行時另一端工頻感應電壓三相均為96.2V，滿足設計規范中采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時小于300V的要求。一端接地沒有構成回路，可以消除環流，有利于提高電纜的傳輸容量不會造成電纜附加的熱損耗，有利于絕緣。

（三）交接驗收時金屬屏蔽層要進行直流耐壓試驗

GB20217-1994《電力工程電纜設計規范》沒有明確規定這一點，而GB50217-2007《電力工程電纜設計規范》則有明確的要求。由于電纜在施放過程中護套絕緣很容易受傷，如不進行直流耐壓試驗，單相電纜很可能會留下金屬屏蔽層多點直接接地的事故隱患。電纜金屬屏蔽層接地方式中300V與50V的規定，用于配電電纜與輸電電纜時按規程規定標準是一樣。但實際中發現，用此標準套用配電網絡10kV單芯電纜兩端接地時，經常出現感應電壓較高、環流太大導致出現電纜故障。電力企業配電電纜與輸電電纜也是分開設計的。對《電力工程電纜設計規范》建議：對配電電纜與輸電電纜金屬屏蔽層接地方式與工頻感應電壓做出不同的規定；對環流數值做出規定。

（四）電纜采用品字形排列

前面計算可知，水平排列正常運行時工頻感應電壓最大值出現在邊相為140.58V；三相品字形排列正常運行時工頻感應電壓三相均為96.2V。采用品字形排列有利于降低正常運行時工頻感應電壓和環流。如果未采取能有效防止人員任意接觸金屬的安全措施，96.2V大于50V，不符合要則不能采用一端接地方式。為防止短路時另一端出現的工頻過電壓，以及防止另一端的沖擊過電壓。當電纜外護層不能承受這種過電壓的作用而損壞時，就會造成金屬護層的多點接地，因此另一端必須通過保護器接地。當考慮減小接地短路的工頻感應電壓值或減小對通信干擾等問題時，需同步敷設事故回流線。

（五）金屬屏蔽層中點接地

在施工工藝、現場敷設條件允許的情況下。較長的單相電纜應盡量采用正三角形排列，且電纜間距離要盡量小。同樣條件下，緊貼的一字排列與緊貼的三角排列相比，邊相感應電壓增大70%以上。三相品字形排列，一端接地，正常運行時另一端工頻感應電壓三相均為96.2V，如果未采取安全措施，96.2V大于50V，不滿足要求，可采用中點接地。這種接地方式相當于兩個一端接地方式串聯。接地點兩端金屬屏蔽層正常運行時工頻感應電壓最大為96.2V的一半。即48.1V，滿足50V的要求。

四、結語

10kV單芯電纜兩端接地感應電壓與環流導致電纜故障問題，是配電電纜工作者多年困惑的問題。揭示導致這起事故的直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當，不應選用兩端接地，而應根據需要選擇一端接地或中點接地。而根本原因是設計規范中沒有具體對這些問題做出明確的指引和規定。a.伸長接地體上沖擊電流的分布特性與所作用的沖擊電流的幅值有關，沖擊電流幅值越大，電流分布相對越不均勻。隨著土的電阻率增大，沖擊電流分布趨于均勻。b.伸長接地體上的電壓分布隨沖擊電流幅值的增加而下降，隨土中電阻率的下降而下降，隨著接地體長度的增加而下降。

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