高壓電纜接地電流計算模型與狀態(tài)分析

國網上海市電力公司青浦供電公司 謝 偉 方 祺 張樹欣

城市化的推進加快，地區(qū)之間電力輸送日益增加，高壓電纜輸電線路長度和負荷也日益增加，特別是110kV及以上單芯高壓電力電纜需求量得到了大幅度的上升，相應的電纜承受的負荷也不斷提高。基于此現狀，大規(guī)模單芯電纜引起的金屬護套接地電流現象也更加明顯。此問題的存在也得到了更多的重視。根據國標的規(guī)定，高壓電力電纜的金屬層上的任意點的非直接接地處的正常感應電勢最大值應該在要求的范圍內。當存在一定的觸碰危險時數值不得高于50V，此外均不得高于300V。就高壓電纜而言，內部結構使用的為單芯結構類型，結合對電磁學原理知識的分析，可知此會造成金屬護套會產生一定的感應電壓。所以，高壓電纜金屬護套存在的感應電壓是無法杜絕的，需要進行有效的應對，保障電纜正常運行。

通常情況下，會采用分段接地的策略來減輕感應電壓帶來的影響。在實際工程現場中，假如存在不恰當的接地操作，將會進一步引發(fā)較嚴重的接地電流出現。接地電流會影響到電纜線路的正常使用。一是會影響輸電線路功能的發(fā)揮，二是會促使主絕緣性能受損，降低電纜的使用年限。所以有效且合理的接地操作、降低環(huán)流，對保障電纜的正常使用具有關鍵性意義。如果在電纜的終端處、中部接頭護層處和接地電纜之間的連接存在接觸不良的情況下，會造成連接位置出現高溫，進而會引發(fā)電纜異常，因此通過高壓電纜的接地電流可以衡量出電力電纜的工作情況。

基于此，可以對接地電流數值加以運算來分析高壓電纜的運作概況。本文立足于高壓電纜的構成部分，結合交叉接地方式，描述影響金屬護套接地電流數值的幾個要素，即接地、排列方式以及負荷情況與運作概況。通過這些層面的分析，構建出單芯電纜護套接地電流計算的數學模型。

1 高壓電纜的結構及接地方式分析

1.1 高壓電纜的結構分析

在高壓輸電電纜中由于交聯聚乙烯（XLPE，Cross Link_ed Polyethylene）具有較好的供電路可靠性、環(huán)境友好等優(yōu)點，在高壓輸電中有著廣泛的應用。本文主要結合以交聯聚乙烯為代表的高壓電纜進行分析。

高壓電纜的組成要素較多，其中影響到功能發(fā)揮的幾個重要部分為通電線芯、絕緣層與金屬護套。各個構成要素說選用的合成材料是不同的，所承擔的職責與起到的功能也是具有獨特性的。電纜導體即為線芯，其作用就是完成電流的輸送。基于其需要完成的責任，在材料的選用上，就需要使用在導電功能方面較為良好，且阻抗較低的材料，進而能夠使得電流輸送效率達到最大，降低損耗。此外，對機械強度、成本以及制造產地具有一定的要求。一般會選取鋁或者銅材質的線芯。

電纜半導電包帶的作用是將電纜導體、線芯綁扎起來，同時，起到一定的隔離、屏蔽功能，不具備腐蝕性。

電纜的導體屏蔽選取的材料不會是金屬材料，一般情況下，會選取半導體材料來完成對導體的覆蓋。此種形式的材料通常需要進行擠包處理。在進行擠包操作時，需要考慮電纜中的絕緣材料是否與處理后的半導體材料連接緊合。現階段，在工程現場中應用較多的為交聯型的導體屏蔽材料，而要使得半導體材料包裹導體具有較高的質量的話，就需要對實現均勻包裹。如果要達到均勻的包裹，就需要電纜的表面較為光滑，這也就意味著導體表面不存在較多毛刺、顆粒物體或者受損痕跡等。

高壓電纜輸送電能的導體上的屏蔽的功能就是調節(jié)導體附近電場的分布。因為絕緣層無法完全貼合導體，二者之間會存在一定的縫隙，同時導體的表面難以達到理想狀態(tài)下的光滑狀態(tài)，所以將造成電場的局部過大。此現象的出現無疑會損害絕緣性能。所以，就要求對導體表面加以處理，通過覆蓋半導體屏蔽材料的方式，能夠使得導體與絕緣層間存在的縫隙被填充，進而實現二者間的高度貼合，基于此，最終會使得導體附近的電場達到均勻分布的狀態(tài)，優(yōu)化了局部放電電壓，降低二者間形成放電現象的可能性。同時，選用的半導體材料的構成中含有一定的碳元素，而碳元素能夠將電離的破壞物吸附起來，進而可以促使電場的均勻化分布目標的達成。在此基礎之上，也進一步使得絕緣功能得以提升，提高電纜的使用壽命。

電纜的絕緣層的目標即為電氣隔離，其能夠將纖芯中存在的高壓和絕緣層外部隔離開來。絕緣層不僅要能夠應對高壓，也需要面對局部放電現象，所以，在材料的選取上要考慮耐高壓、穩(wěn)定特性優(yōu)良的材料。通常而言，絕緣層中選用的材料類型為高阻值的材料，例如聚乙烯、交聯聚乙烯等諸多種類，其中，在實際現場中應用較多的材料為交聯聚乙烯。由于電纜絕緣層表現出的耐高壓、結構穩(wěn)定等多種優(yōu)勢，所以，能夠提高電纜的正常運行狀態(tài)。此種屏蔽層屬于內屏蔽層。

高壓電纜局部放電現象的出現還受到另外現狀的影響，即交聯聚乙烯絕緣層與高壓電纜金屬護套無法始終確保完全的貼合狀態(tài)，二者間出現間隙的情況下，局部放電現象出現的可能性也就會增大。所以在生產電纜時，可以在電纜絕緣層的表面覆蓋半導體材料的屏蔽層，其屬于外層屏蔽層。通過此種操作，能夠將絕緣層和金屬護套間的間隙進行有效填充，基于此，可以使得絕緣層和金屬護套的電位達到等勢狀態(tài)，進而能夠降低局部放電現象出現的可能性。

1.2 高壓電纜接地方式分析

現在高壓電纜接地中常用的有四種方式，分別是單端接地方式、雙端接地方式、中點接地方式和交叉互聯接地方式。

單端接地方式。常用在供電下路較短的線路中，將高壓電纜金屬護套的一頭直接進行接地，另一頭接入到高壓電纜保護器后進行接地。這種接地方式在高壓電纜金屬套和大地之間沒有回路，就不會差生接地電流，在運行中，高壓電纜金屬護套中由于沒有接地電流就不會出現發(fā)熱的情況，可以提高高壓電纜的載流量。但是在經過保護器接地端感應電壓較高，容易對高壓電纜的絕緣層造成破壞，而且線路越長感應電壓越高，影響到工作人員的安全，所以這種方式只適用在輸電線路較短的高壓電纜中。

雙端接地方式。指的是輸電電纜的金屬護套的兩端位置處，不與護套保護裝置進行連接，而是與地加以相連。此種連接方案節(jié)省了保護器，降低了成本的同時還減少了對保護器的維護，具有較高的經濟性，但是這種接地方式會在高壓電纜金屬保護套中形成較大的接地電流，要求電纜線芯中的流過的電流不能過大，適用于保護套接地電阻較大的低壓電纜。

中點接地方式。在單端接地方式的基礎上，如果高壓輸電線路超過500m，造成非直接接地端的感應電壓較大，可以將兩個單端接地方式合并，將高壓電纜保護金屬套兩端直接接地，將線路的中點經金屬保護套接地。

交叉互聯接地方式。在高壓電纜的實際設計中，一般都是利用三角性排列的鋪設方式，在線路需要轉彎的地方和保護套進行交叉連接，這樣由于接地電路很小，不會對高壓電纜的運行造成影響，交叉互聯接地方式現在是應用最廣泛的連接方式。

2 高壓電纜接地電流產生與計算模型研究

2.1 高壓電纜接地電流產生原因

高壓電纜的線芯中的電流會產生交變的磁場，在磁場中的高壓電纜金屬套內就會產生感應電壓。雖然利用電纜的交叉互聯方式能夠有效降低高壓電纜金屬保護套上產生的感應電壓。但在高壓電纜的實際鋪設中，由于受到環(huán)境的限制，很難保證電纜的每個小段都是完全一致的，會造成在鋪設的過程中電纜的排列方式有一定的差異；還有就是在電纜排列的方式上相同，也難以保證電纜的長度相同，所以在高壓電纜的金屬護套上會產生一定的感應電壓，利用交叉互聯的方式只能降低感應電壓。

就是在正常的運行中高壓電纜金屬護套上也會有接地電流，只是接地電流的幅值較小，不會對高壓電纜的安全運行造成影響，但是如果高壓電纜的的絕緣受到破壞，存在絕緣老化、化學腐蝕以及外力破壞等就會造金屬護套存在多點接地的情況，破壞了高壓電纜金屬護套的交叉互聯接地方式，金屬護套中的感應電壓就會增大，導致接地電流也會增加，影響高壓電纜的安全運行。

在電纜交叉互聯箱中如果出現故障也會導致接地電流增加，特別是交叉互聯的接線方式不一致，會造成換相失敗，增大接地電流。如果電纜的接頭的絕緣隔板被擊穿、護層保護器被擊穿、交叉互聯箱金屬進水等也會造成接地電流增加。

2.2 高壓電纜接地電流計算模型

對高壓電纜的接地電流進行計算，結合交叉互聯接地方式建立高壓電纜的等效電路如圖1所示。

圖1 高壓電纜交叉互聯接地等效電路圖

在圖1的等效電路中，Rd1和Rd2是高壓電纜金屬護套兩端接地電阻阻值，Rd是高壓電纜的接地區(qū)域的大地漏阻，ISA、ISB和ISC分別代表的是高壓電纜A、B和C相金屬護套上的感應電流，ZAi、ZBi和ZCi是高壓電纜排列后各個小段的金屬護套的自阻抗，Im是大地的漏電流，USAi、USBi和USCi表示的是高壓電纜金屬護套上的感應電壓，UTAi、UTBi和UTCi表示的是感應電流和大地漏電流引起的感應電壓，i是數字1、2和3。

根據電磁感應可以得到高壓電纜金屬護套的感應電壓的計算式為：

在式（1）中，rse是大地漏電流和金屬護套之間的距離，它的大小受到大地磁導率P的影響的。利用Xab、Xbc和Xac對高壓電纜A、B和C相金屬護套上的互感抗進行表示，req表示三相金屬套與大地的互感抗，可以得到：

代入式（1）中，進行化簡，可以得到：

根據高壓電纜電流計算式知道：

經過整理可以得到：

可得到高壓電纜金屬護套接地電流的計算式為：

根據上述可以知道，只要得到高壓電纜中線芯電流的大小就可以計算做出接地電流。

3 基于接地電流的高壓電纜狀態(tài)評估

假如電纜接地系統處于良好的運行狀態(tài)下，按照理想情況，接地電流測量出的數值和計算得出的數值是一致的。不過在實際工程現場中，電纜的排列情況如電纜間的距離、長度偏差、電容電流的變化，均會給數據采集帶來一定的干擾性，這就會促使計算得出的結果存在一定的誤差。所以，使用絕對值來衡量電纜接地狀況需要進行考慮。

當電纜交叉互聯系統應用過程中產生不平衡狀態(tài)下，結合水平排列以及品字形排列的S/d數值大小，能夠得出三相同時取得平衡或者不平衡。這種不平衡在疊加到原有系統上時，同時改變三相交叉互聯接地電流的大小，所以只要在ABC相接地電流之間的大小趨勢與軟件的電流計算值相對應，基本就可以斷定該電纜的接地系統是正常工作的。假如計算存在一定偏差情況的話，那么通常這些偏差的出現是由于排列方式參數準確程度不高或者存在的微弱電容電流值。