摘要：依托杭州市在建的紫之隧道工程，分析计算长距离敷设的10kV单芯电缆金属层工频感应电压，提出适宜、合理的10kV单芯电缆布置方式和接地方式。
关键词：10kV单芯电缆；感应电压；分析
在建的杭州市紫之隧道（紫金港路—之江路）工程位于杭州绕城高速与西湖风景区之间，北起紫金港路，南接之浦路，全长约14.14km。工程沿线线性分布有10座10/0.4kV降压变电所，并在6座通风竖井内均设置跟随式降压变电所，总用电负荷约9698.52kW。根据供电方案，整个工程按一个供电分区设计，10座变电所环网贯通供电，如图1所示。
常规的10kV电力电缆有单芯、3芯两种型式。在电力行业，66kV及以上高压电缆因为相间绝缘问题一般采用单芯的型式，6kV至35kV的中压电缆因电压较低，相间绝缘已不是瓶颈问题，故一般采用三芯的型式，但当负荷容量大，所需电缆截面特别大时，再做成三芯
电缆的型式。一般的，单芯电缆与三芯电缆的导体截面积、绝缘厚度是一致的，区别在于外护套厚度、电缆近似外径和电缆重量。三芯电缆的外径大约是单芯电缆的2倍，重量是单芯电缆的3.7倍。以400mm2截面电缆为例，三芯电缆与单芯电缆的适用性如下表所示：
针对紫之隧道工程，各变电所间距在1.5km~2.5km之间。显而易见，采用单芯电缆，引起成盘长度大大增加，可有效减少隧道内电缆接头数量，相应的，因接头导致的线路故障率也可大大降低，间接的提高系统供电的可靠性。因此，在隧道外部电源段敷设空间较为宽裕，施工方案，但易受外部机械开挖、雨水浸泡等损伤，采用三芯电缆，而在隧道内部，由于隧道内空间狭小，敷设环境良好、稳定，且需尽量减少接头数量，采用低烟无卤A类耐火、交联聚乙烯绝缘、非磁性钢带铠装、聚烯烃护套铜芯单芯电力电缆（WDZAN-YJY63-8.7 /10kV-1x400mm2），以提升电缆载流能力，提高电缆成盘长度，减少电缆中间接头的数量。
鉴于工程大量的采用大截面单芯电缆，最大成盘长度做到了2580m，不同的电缆布置方式和接地方式所导致的金属屏蔽层感应电压已经有可能超过50V的人体安全电压，或产生显著的涡流损耗，降低电缆的载流能力，增加电缆的自身损耗。本文依托紫之隧道工程的实际案例，定性、定量的分析计算10kV单芯电缆金属层工频感应电压，并对单芯电缆的敷设方式和接地方式提出合理性建议。
1.定性分析
单芯电力电缆的主要结构部件包括线芯、绝缘层、金属屏蔽层、内衬层和外护层等，如图2所示。当电缆线芯通过电流时，在交变电场作用下，金属屏蔽层会感应一定的电动势。三芯电缆带平衡负荷时，三相电流向量和为零，金属屏蔽上的感应电势叠加为零，而单芯电缆每相之间存在一定的距离，感应电势不能抵消。同一布置方式下，同类单芯电缆随着电缆长度的加长、线芯负荷电流的增大，金属屏蔽层的感应电压亦相应增大。当该感应电压增大到一定程度并且相互叠加时，就可能危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，该感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。
需要指出的是，铠装层作为电缆外护层的一部分，主要作用是起机械加强和防腐蚀作用，一般采用非铁磁材料。虽然非磁性铠装也会因交变磁场引起涡流，造成附加损耗，但是由于铠装层的厚度微小，这种损耗实际上是很小的，可以忽略。
根据国家规范《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）的规定，交流单芯电力电缆线路的金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势最大值当未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时不得大于50V。
2.定量计算
依照不同的敷设方式，单芯交流电缆可采用‘品’字形布置或‘一’字形布置，‘品’字形布置适用于电缆沟、隧道等空气中敷设。‘一’字形布置适用于保护管、直埋等敷设。
为了简化计算，将电缆看作是延长的变压器，线芯导体为一次绕组，电缆金属护套为二次绕组。当导体中流过交变电流时，交变电场将在电缆金属护套上生成感应电压，感应电压的大小与导线电流、频率、导线和金属护套间的互感、电缆长度成正比。此外，感应电压的大小还与电缆布置方式有关。
2.1当电缆‘品’字型捆绑布置时的自身感应电压
为了简化计算，我们假设电缆线芯和金属屏蔽层之间的耦合因数k达到1。电缆中心距与电缆外径的比值为1.05，并假定每回I、r均等。根据国家规范《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）附录F的规定：
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计算可知，当上述三相电缆紧贴水平排列（即电缆平铺间距取0mm），边相感应电压高于中相感应电压。同时，当电缆平铺间距不等于0mm时，因Xs与平铺间距成正比，计算的到的感应电势最大值会更高。
综上所述，可以得到：
（1）当电缆长度与工作电流较大的情况下，部分线路的金属屏蔽层感应电压超过规范允许的50V，将危机人身安全。
（2）当电缆以紧贴三角形布置时，感应电压较一字型布置大大降低。
（3）当电缆相间距离增加，相对位置改变时，感应电压都会相应地改变。
（4）当电缆线路所在系统发生短路故障或遭受雷电冲击和操作冲击电压作用时，在金属互套的一端会出现过电压，该过电压可能击穿电缆外护套，此时需设置过电压保护器。
3.电缆布置方式和接地方式分析
根据前述计算可知，单芯电缆采用“品”字形敷设时可以有效均衡各项的感应电势值，并可使每相感应电势值较“一”字型敷设大大降低，间接地降低单芯电缆接地制作工艺的要求。所以，推荐在工程中优先采用“品”字形敷设工艺，使三相线芯呈紧贴正三角形布置，在电缆敷设后，每隔1米距离用非铁磁性扎带绑扎。
但是，单芯电缆采用“品”字形敷设工艺时，某些线路金属屏蔽层感应电压值仍然超过规范允许的50V安全电压值，并引发金属护套产生损耗和发热，大大降低电缆的实际载流量和输送能力，甚至有可能危及运营维管人员的人身安全。鉴于紫之隧道电缆均沿隧道两侧电缆沟敷设，属于空气中明敷，电缆沟顶部设置有混凝土盖板，沟内所有金属器件均做等电位联结，可以有效防止司机或乘客任意接触电缆金属层。隧道运营管理人员则需定期开盖检查，尤其是电缆接头部位和终端头，除增加管理措施外，难以有效防止他们触碰金属层和与金属层有效连接的设备外壳等部位，有必要采用合适的接地方式来将感应电压值降低至50V以内。
一般的，单芯电缆金属屏蔽层的接地方式主要有以下三种：
（1）单端接地方式
单端直接接地是指电缆线路一端金属屏蔽层直接接地，另一端金属屏蔽对地开路不互联或装设过电压保护器。单端接地后，可以消除涡流，减少线路损耗，提升线缆载流能力，但开路端在正常运行时有感应电压且为线路感应电压最大值。在系统发生短路事故和发生操作过电压时，金属屏蔽不接地端可能出现很高的工频感应电压。当电缆外护层不能承受这种过电压的作用而损坏时，就会造成金属护套的多点接地。此时，可在开路端装设护层保护器以是限制护层过电压。
（2）双端直接接地
双端直接接地是指电缆线路两端金属屏蔽层均直接接地。双端接地后，线路在屏蔽层将不可避免的产生涡流损耗，在一定程度上降低了线缆载流能力，并在线路中部产生感应电压的最大值。相比较于单端接地方式，双端接地方式可以有效的钳制线路末端感应电压值，有效延长线路敷设长度。
4.紫之隧道工程的实际应用
结合前述关于电缆“品”字形敷设时的感应电压计算值，紫之隧道工程各段10kV线路应根据各段感应电压计算情况分类选择合适的金属屏蔽层接地方式。
1）对于部分线路感应电压远低于规范允许的50V安全电压时，包括3#~2#变电所、4#~3#变电所、6#~5#变电所等，采用单端接地方式，在其中一座变电所端接地，另一端呈高阻状态，以减少线路涡流损耗。
2）对于感应电压接近50V的单根线路，包括6#~5#变电所、8#~7#变电所、10#~9#变电所等，应根据实测感应电压结果选取合适的接地方式，尽量采用单端接地方式，并做好管理规程和措施，以增加线路敷设长度，确保检修安全。
3）对于感应电压超过50V的线路，包括5#~4#变电所、7#~6#变电所、9#~8#变电所等，可采取分段单端接地方式或双端接地方式，以增加线路敷设长度，确保检修安全。
5.结论
杭州市紫之隧道工程应线路较长，负荷较大且呈线性分布，为充分保证线路末端的电压损失和载流量在合理的范围，系统选用了大截面的10kV电缆。同时，工程为尽量避免在隧道内制作电缆中间接头，积极减少电缆接头的数量，提高供电可靠性，大量采用单芯电缆，不可避免的带来了单芯电缆的敷设和接地问题。研究表明，长距离敷设的10kV单芯电缆在采用“品”字形敷设和采用合适的接地方式后可以有效降低金属屏蔽层感应电势，有效控制电缆涡流和损耗，保障线缆的载流能力和安全性。
参考文献：
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[4]王敏;10kV单相电力电缆屏蔽层的感应电压和环流[J];高电压工程,2002年第5期
作者介绍：
吴火军（1985.01.23），性别：男；籍贯：浙江庆元；民族：汉；学历：大学本科，学士；职务：电气工程师；研究方向：供配电系统；单位：中国电建集团华东勘测设计研究有限公司；
论文作者:吴火军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/17
标签：电缆论文; 感应论文; 电压论文; 金属论文; 过电压论文; 变电所论文; 护套论文; 《电力设备》2017年第17期论文;