高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地方式的研究與應(yīng)用

周國(guó)威，方可

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口市崇禮區(qū)供電分公司，河北 張家口 076350；2.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075051）

0 引言

高壓?jiǎn)涡倦娎|被廣泛應(yīng)用于輸電線路、變電站及工業(yè)和商業(yè)建筑等領(lǐng)域，傳輸和分配大量的電能［1］，在電力系統(tǒng)中起著重要的作用。然而，高壓?jiǎn)涡倦娎|的護(hù)層由于老化、火災(zāi)、機(jī)械損壞等多種原因，可能會(huì)發(fā)生接地故障，對(duì)電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，研究和應(yīng)用高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層的接地方式成為當(dāng)今電力工程領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。曾含等［2］基于優(yōu)化包覆層結(jié)構(gòu)，提出高壓?jiǎn)涡倦娎|暫態(tài)熱路建模方法，將復(fù)雜的3 層結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化處理，并通過實(shí)驗(yàn)獲取熱容和熱阻參數(shù)。王航等［3］進(jìn)行波紋金屬護(hù)套高壓?jiǎn)涡倦娎|線芯護(hù)層互感的研究，使用比奧—薩伐爾定律解算高壓電纜線芯電流的磁感應(yīng)強(qiáng)度，運(yùn)用高斯定理求解波紋護(hù)套截面的磁通量；建立環(huán)形紋和螺紋護(hù)套的參數(shù)方程，并確定內(nèi)外曲面作為磁通量積分邊界，推導(dǎo)出線芯與波紋護(hù)套互感和等效直徑方法誤差的解析公式。劉日朗［4］采用電磁暫態(tài)計(jì)算軟件（ATP-EMTP）進(jìn)行輸電電纜護(hù)層多點(diǎn)接地故障研究，使用仿真軟件模擬電纜護(hù)層多點(diǎn)接地故障及其他故障情況，比較不同因素對(duì)護(hù)層環(huán)流值產(chǎn)生的影響。

電力系統(tǒng)規(guī)劃不斷擴(kuò)大，對(duì)電氣化專用電纜的需求越來越大，電纜作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，是電氣絕緣組合電氣設(shè)備開關(guān)柜的進(jìn)出線，也是電力系統(tǒng)輸電、配電導(dǎo)線。由于電力系統(tǒng)中變電低壓設(shè)備主要采用全封閉組合電氣設(shè)備，所有線路導(dǎo)線全部采用高壓?jiǎn)涡倦娎|，而且高壓?jiǎn)涡倦娎|成本低、高壓耐受性能強(qiáng)，具有普通電纜不可代替的優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛應(yīng)用和批量化生產(chǎn)。然而，高壓?jiǎn)涡倦娎|在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用帶來了許多新的故障，如單線接地故障、高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層套被燒融、高壓?jiǎn)涡倦娎|終端頭被擊穿等，電纜金屬護(hù)層的保護(hù)功能無法充分發(fā)揮，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)巡視查驗(yàn)人員的生命安全。經(jīng)查驗(yàn)，出現(xiàn)這些現(xiàn)象的主要原因在于高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層的接地方式不合理。現(xiàn)行的接地方式仍沿用普通電纜接地方式，為兩端分別并聯(lián)接地，這種方式在實(shí)際應(yīng)用中不僅電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)較大，而且電纜接地故障率較高。高壓?jiǎn)涡倦娎|作為電力系統(tǒng)中的變電專用電纜，具有一定的特殊性，普通電纜護(hù)層接地方式并不適用于高壓?jiǎn)涡倦娎|，因此需要研究一套新的接地方式，本文為此進(jìn)行高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地方式的應(yīng)用研究。

1 高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地方式設(shè)計(jì)

1.1 護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算

高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地需要滿足《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 56161—2020）（簡(jiǎn)稱《電纜規(guī)范》）中的要求：在沒有任何保護(hù)措施的情況下，電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢(shì)不超過50 V［5］。根據(jù)規(guī)范要求，選擇接地方式的依據(jù)主要是高壓?jiǎn)涡倦妷鹤o(hù)層感應(yīng)電勢(shì)，根據(jù)電勢(shì)的實(shí)際情況確定接地方式。高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算分為以下2種情況。

（1）當(dāng)高壓?jiǎn)涡倦娎|敷設(shè)形式采用的是“品”字形單回路線路時(shí)，高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算公式如下：

其中：F表示高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)；e表示高壓?jiǎn)涡倦娎|屏蔽層與護(hù)層幾何平均直徑；I表示高壓?jiǎn)涡倦娎|導(dǎo)體正常工作電流；d表示高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層電氣通路上任意一點(diǎn)到直接接地處的距離；S表示高壓?jiǎn)涡倦娎|相間的軸距；u表示高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層的半徑。

（2）當(dāng)高壓?jiǎn)涡倦娎|敷設(shè)形式為水平鋪設(shè)的單回路線路時(shí)，高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算公式如下：

根據(jù)高壓?jiǎn)涡倦娎|實(shí)際敷設(shè)形式，利用上述公式計(jì)算出高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)，為后續(xù)接地方式的選擇提供依據(jù)。

1.2 護(hù)層電壓限制

高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地形式的選取應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：當(dāng)線路長(zhǎng)度小于500 m 且能達(dá)到規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)采用一條直線或以中間的一點(diǎn)為基準(zhǔn)的直線直接接地；當(dāng)線路長(zhǎng)度大于500 m，單一的直接接地方法不能達(dá)到規(guī)范的要求時(shí)，水下電纜、35 kV 及以下的高壓?jiǎn)涡倦娎|或35 kV 以上傳輸能力較弱的高壓?jiǎn)涡倦娎|可以采用在線路兩頭直接接地的方式。對(duì)于長(zhǎng)度大于500 m、電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)超出規(guī)定要求的線路，應(yīng)將其分成相應(yīng)的小段，然后在小段之間進(jìn)行隔離，通過在電纜護(hù)層上安裝電壓限制器，對(duì)電壓進(jìn)行限制，以交叉互聯(lián)的方式接地。

當(dāng)高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層終端所接線路出現(xiàn)非破壞性原因?qū)е碌墓收蠒r(shí)，對(duì)于歷史故障次數(shù)較多的終端，認(rèn)定其存在嚴(yán)重的老化情況；對(duì)于歷史故障次數(shù)較少的終端，可認(rèn)定其老化問題較輕。每當(dāng)出現(xiàn)一次故障，表示終端受到一定的電流沖擊，其自身的老化速度會(huì)加快。表1為高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地方式的故障情況。

表1 高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地方式故障情況

為對(duì)電纜護(hù)層起到保護(hù)效果，應(yīng)選擇合適的電壓限制參數(shù)。高壓?jiǎn)涡倦娎|線路應(yīng)根據(jù)以下要求確定電纜護(hù)層電壓限制器的參數(shù)。

（1）在最大沖擊電流作用下，護(hù)層電壓限制器的殘壓K要符合以下條件：

其中：U表示電纜護(hù)層的沖擊電壓。

（2）護(hù)層電壓限制器必須能承受因電網(wǎng)發(fā)生短路引起的最大工業(yè)頻率感應(yīng)過壓，并能承受較長(zhǎng)的斷開和失效時(shí)間［6］，斷開的時(shí)間應(yīng)該在5 s內(nèi)。

（3）在累計(jì)施加20次最大脈動(dòng)電流的情況下，護(hù)層電壓限制器不會(huì)被破壞。

1.3 護(hù)層保護(hù)接地

當(dāng)高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層發(fā)生接觸時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)可能會(huì)超過50 V，在這種情況下，需保證電纜仍處于正常工作狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以選擇具有良好絕緣性能的材料作為電纜絕緣材料，減少電纜中感應(yīng)電勢(shì)的產(chǎn)生；通過提高護(hù)層的絕緣厚度，減少電場(chǎng)分布，減緩或防止在護(hù)層上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)；對(duì)電纜的終端和連接點(diǎn)進(jìn)行絕緣處理，使用絕緣套管、絕緣膠帶等，防止電纜的護(hù)層接觸和電勢(shì)干擾；定期進(jìn)行電纜的檢查和維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)護(hù)層接觸問題，確保電纜處于正常工作狀態(tài)。通過綜合應(yīng)用以上措施，可以有效地控制電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢(shì)，確保電纜在正常工作狀態(tài)下不超過50 V，提高電纜系統(tǒng)的可靠性和安全性，保障電力傳輸?shù)姆€(wěn)定運(yùn)行。

電纜戶外終端在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生損耗，導(dǎo)致出現(xiàn)絕緣老化的現(xiàn)象，可按照電壓、電流、阻抗關(guān)系計(jì)算其損耗。電流流過固定長(zhǎng)度的導(dǎo)體時(shí)出現(xiàn)的損耗可用公式（4）計(jì)算：

其中：Rc表示電纜芯交流電阻；Ws表示鄰近效應(yīng)系數(shù)。各個(gè)參數(shù)之間必須是相互制約的關(guān)系，感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算公式如下：

其中：Dr表示接地狀態(tài)下的電壓；De表示接地狀態(tài)下的電流；ΔB表示阻尼系數(shù)；FA表示導(dǎo)納數(shù)值。為避免任何形式的接地與電纜護(hù)層發(fā)生直接接觸，必須采用行之有效的方法使感應(yīng)電勢(shì)小于300 V。當(dāng)電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)超過50 V時(shí)，除了在接地時(shí)利用電壓限制器限制護(hù)層電壓，還必須對(duì)高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層進(jìn)行保護(hù)，防止發(fā)生任何形式的直接接觸，因此采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護(hù)器接地的方式（如圖1所示）。

圖1 高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層保護(hù)接地示意圖

圖1 中，交流電在高壓?jiǎn)涡倦娎|中流動(dòng)時(shí)，會(huì)在周邊產(chǎn)生交流電場(chǎng)，并在線圈中形成磁通量，從而使其在電纜護(hù)層中產(chǎn)生一種新的電位。當(dāng)此電磁場(chǎng)與接地系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一種名為“環(huán)流”的感應(yīng)電流［7］。由于高壓?jiǎn)涡倦娎|的鐵心與金屬殼形成一種以電纜絕緣為媒介的圓筒形電容器，因此在金屬殼的環(huán)流中，除了產(chǎn)生感應(yīng)電流，還會(huì)產(chǎn)生大量的電容與漏電。在高壓?jiǎn)涡倦娎|中，如果出現(xiàn)環(huán)流，將會(huì)降低其承載能力、減弱傳輸能力；如果繼續(xù)出現(xiàn)一個(gè)環(huán)流，則會(huì)產(chǎn)生加熱現(xiàn)象，使其絕緣等級(jí)變得更低，如果加熱過大，還可能導(dǎo)致地線和護(hù)層被損壞，所以需在電纜的護(hù)層上增加一個(gè)護(hù)層保護(hù)器。在一般的工作電壓下，該保護(hù)裝置處于一個(gè)高電阻的情況，對(duì)環(huán)流進(jìn)行約束，從而將工頻感應(yīng)電勢(shì)控制在規(guī)定的電勢(shì)范圍內(nèi)；當(dāng)護(hù)層的過電壓達(dá)到保護(hù)器的初始操作電壓時(shí)，保護(hù)器處于低阻導(dǎo)通的狀態(tài)，使過電壓電流從保護(hù)器進(jìn)入地面，在過電壓消失后，保護(hù)器又回到高阻的狀態(tài)。因此，可采用保護(hù)接地的方式對(duì)電纜護(hù)層內(nèi)的工頻感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行約束，完成高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地。

2 試驗(yàn)論證

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)接地方式的可行性與可靠性，選擇某變電站為試驗(yàn)對(duì)象。該變電站采用110/10 kV 變壓器，以變壓器組方式為線路供電，通過MATLAB 平臺(tái)搭建一個(gè)可模擬配電網(wǎng)的測(cè)試環(huán)境，并考慮相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，驗(yàn)證接地方式對(duì)配電網(wǎng)的影響。利用本文的設(shè)計(jì)方式對(duì)該變電站高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果具有可行性，將設(shè)計(jì)方式設(shè)定為試驗(yàn)組，選擇目前常用的2 種接地方式作為比較對(duì)象，為方便后續(xù)試驗(yàn)陳述，以下用傳統(tǒng)方式A與傳統(tǒng)方式B 表述。按照上述流程計(jì)算電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)，采取相應(yīng)的接地方式，對(duì)具體接地效果進(jìn)行評(píng)測(cè)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

選擇電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)為指標(biāo)，用于評(píng)測(cè)高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地效果，將《電纜規(guī)范》中要求的感應(yīng)電勢(shì)不能超過50 V 作為接地效果檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)選擇8 根接地后的電纜，使用KHFA-A5FA9 檢測(cè)器檢測(cè)電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢(shì)，每根電纜檢測(cè)3 次，取平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果，使用Excel 表格對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見表2）。

表2 3種方式下電纜護(hù)層上的感應(yīng)電勢(shì) （單位：V）

根據(jù)表2可知，使用本設(shè)計(jì)方式的高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)均小于50 V，符合《電纜規(guī)范》中的要求，說明不需要再采取任何安全措施，電纜護(hù)層上感應(yīng)電勢(shì)范圍在33.62～38.42 V；而傳統(tǒng)方法A 電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)范圍在52.61～59.52 V，傳統(tǒng)方法B 電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)范圍在52.68～59.35 V，均遠(yuǎn)高于本文設(shè)計(jì)方式，證明在安全性方面本文設(shè)計(jì)的方式更佳。為進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方式的可靠性，對(duì)比電纜接地故障次數(shù)，如果電纜護(hù)層接地方式選擇不合理，護(hù)層保護(hù)效果將大打折扣，導(dǎo)致接地故障頻發(fā)。因此，通過對(duì)比電纜接地故障次數(shù)，可檢驗(yàn)電纜護(hù)層接地方式的合理性。以時(shí)間為變量，每隔30 d 統(tǒng)計(jì)一次電纜接地故障次數(shù)，使用Excel表格記錄數(shù)據(jù)（見表3）。

表3 3種方式下高壓?jiǎn)涡倦娎|接地故障次數(shù)對(duì)比（單位：次）

根據(jù)表3 可知，在本次試驗(yàn)中3 種方式出現(xiàn)接地故障的次數(shù)差異明顯，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方式的高壓?jiǎn)涡倦娎|接地故障僅發(fā)生3 次，故障率為0.01%；與之相比較，傳統(tǒng)方式A 接地故障次數(shù)多了38次，傳統(tǒng)方式B 接地故障次數(shù)多了39 次。通過以上統(tǒng)計(jì)和對(duì)比可以證明，在電纜護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)方面及電纜接地故障方面，本文設(shè)計(jì)方式均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，更適用于高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地。

3 結(jié)語

選擇合適的護(hù)層接地方式對(duì)確保高壓?jiǎn)涡倦娎|系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，不同的接地方式在電場(chǎng)分布、電位分布和電路路徑等方面均會(huì)產(chǎn)生不同的影響，因此高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地方式選擇的合理性與科學(xué)性直接關(guān)系到高壓?jiǎn)涡倦娎|運(yùn)行的穩(wěn)定性及護(hù)層功能的正常發(fā)揮。本文針對(duì)傳統(tǒng)接地方式存在的不足與缺陷，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，提出一種新的接地方式，降低了高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層的感應(yīng)電勢(shì)及電纜接地的故障率。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)果：應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方式，高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)均小于50 V，在安全性方面表現(xiàn)更佳；本文設(shè)計(jì)方式的高壓?jiǎn)涡倦娎|僅發(fā)生了3次接地故障，故障率為0.01%，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，更適用于高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地。本研究為高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層接地實(shí)踐提供了理論支撐，同時(shí)為相關(guān)研究提供了參考依據(jù)，但本文的研究目前尚處于初步探索階段，尚未在實(shí)際工程中得到大量的應(yīng)用與實(shí)踐，今后可在接地方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面展開深層次的探究。