110 kV高壓電纜金屬護套環流對載流量的影響

郝 雪

（中鐵二院電化院，四川 成都 610031）

1 前 言

隨著城市發展建設的日益增快，城市建設對美觀和高利用率的要求也越來越高。目前新建的高壓輸電線路更多采用地下電纜敷設方式。一般110 kV高壓電纜線路都采用單芯電纜進行敷設。高壓單芯電纜的金屬護套和電纜線芯同軸，相當于形成了一個二次電纜線圈，且同時存在于線芯電流形成的交變磁場中。當電流在電纜線芯傳輸時，金屬護套上就會產生交鏈磁通從而形成感應電壓，電纜運維人員誤碰電纜會對人身造成危險。因此，要求運維人員在滿足相關規范的要求下使用電纜，并將電纜金屬護套進行可靠的接地處理。高壓電纜線路工程主要采用單點直接接地方式、單端保護性接地方式、兩端直接接地方式以及交叉互聯接地方式4種接地方式進行金屬護套接地。高壓電纜線路選擇正確的接地方式是電纜線路長期安全可靠運行的重要保證。電纜線路在選擇接地方式時必須注意金屬護套環流的影響。金屬護套環流會產生額外的電壓損耗，從而降低電纜的電流輸送能力，同時會造成電纜線芯溫度升高，縮短電纜的使用壽命。目前，較長電纜線路主要采用交叉互連接地方式。本文所涉及的接地模型以及感應電壓和環流計算公式均是基于交叉互聯接地方式建立的。

2 電纜交叉互聯接地模型和等值電路的計算公式

2.1 電纜金屬護套的環流模型

單芯電纜金屬護套環流由電容電流和感應電流組合而成。其中，電容電流主要與電纜本體結構和電纜線芯與護套間的電壓有關。同時由于電容電流較小，因此在計算中可以忽略不計，僅計算感應電流分量即可[1-2]。

采用交叉互聯接地方式的金屬護套環流等效電路如圖1所示。在圖中，Ia、Ib以及Ic分別為A、B、C相金屬護套上的電流值，Ie為流入大地的電流值，Rd為大地等效電阻，Rd1和Rd2為電纜護套兩端的接地電阻。Zai、Zbi以及Zci（i=1、2、3）分別為A、B、C相在第i段中的金屬護套自阻抗，Eaai、Ebbi以及Ecci（i=1、2、3）分別為電纜線芯電流引起的第i段內A、B、C各相上的感應電壓。Etai、Etbi以及Etci（i=1，2，3）分別為其他相的金屬護套電流和流入大地的電流在第i段內A、B、C各相上引起的感應電壓。

2.2 金屬護套環流計算公式

根據電路的基本原理，對于一個交叉互聯段內的單芯電纜金屬護套等效電路可建立如下公式：

圖1 金屬護套交叉互聯接地等值電路圖

將一個交叉互聯段電纜的長度分別設定為L1、L2以及L3，且有L1+L2+L3=L。假設A相線芯電流為I，則其他各相電纜金屬護套感應電勢如下[3]。

單位長度A相金屬護套上的感應電勢為：

單位長度B相金屬護套上的感應電勢為：

單位長度C相金屬護套上的感應電勢為：

式中，GMRs為金屬護套的幾何平均半徑，單位為mm；S為A相與B相電纜間距，單位為mm；n為C相與A相電纜間距與S之比；m為C相與B相電纜間距與S之比；ω=2πf，f為工作頻率，單位為Hz；I為各相線芯電流，單位為A[4]。

A相與B相之間的互感為：

A相與C相之間的互感為：

B相與C相之間的互感為：

等值大地回路與護套的互感為：

金屬護套的電阻為：

其中，α20為溫度設為20 ℃時，金屬護套的溫度系數，θ為導體最高工作溫度，ρs為金屬護套的電阻率，單位為Ω m，A為金屬護套的等值截面積。

金屬護套的自阻抗為：

大地的漏電電阻為：

三相電纜由線芯電流產生的感應電壓分別為：

因大地回路電流和其他相金屬護套電流引起的A、B以及C三相上的感應電壓分別為：

在以上公式基礎上，結合交叉互聯段等值電路方程組，可以得出以下矩陣方程：

其中，相互之間具有以下關系：

可以獲得通過電纜的金屬護套的電流值Ia、Ib、Ic以及大地電流值Ie。

3 計及環流的載流量計算及結論

按照標準JB/T10181.11—2014內的載流量計算公式：

式中，θc為電纜線芯允許工作溫度，單位為K；θa為工作環境溫度，單位為K；T1為電纜絕緣層的熱阻；T3為電纜外護套的熱阻；T4為環境熱阻；單熱阻位為K·m/W；Rac為電纜芯線產生的有效交流電阻，單位為Ω·m；λ1為電纜護套上的損耗；Wi為導體絕緣長度的介質損耗，單位為W/m。

考慮護層環流的影響，計算載流量的公式為：

選取成都軌道交通5號線一期工程主變電所110 kV電纜線路實際參數。電纜采用YJLW03-64/110-1×500 mm2，土壤熱阻系數為1.4 T·Ω/m，采用排管敷設，相間距0.3 m，敷設深度600 mm，線芯額定電流為430 A，直接按照載流量公式計算的載流量為604 A。選取3組交叉互聯段進行計算。3組交叉互聯段如表1所示，護層環流及載流量計算結果如表2所示。

當電纜通過交叉互連線接地時，護套循環電流對載流能力的影響與交叉互連線中電纜段長度的均勻性有關。電纜分段越均勻，電纜金屬護套的循環電流越小，電纜的載流量越大，有利于電纜的操作。

表1 3組交叉互聯段

表2 護層環流及載流量計算結果