李怀花 杨依路
(国网山东济宁供电公司 山东济宁 272023)
摘 要：本文从110kV高压单芯电缆不同的接地保护方式入手，通过计算感应过电压来求得在满足安全规定的要求下所能敷设长度L所满足的不等式及临界值，为电缆工程的设计提供理论参考依据。通过理论推导及实例分析表明，在不同接地保护方式下，对于能够敷设安全长度的大小，单端接地时最短，中间接地，两端保护器接地次之，使用交叉互联接地方式最长。
关键词：110kV高压单芯电缆；感应过电压；敷设安全长度
引言
高压单芯电缆运行时在金属护套上会产生感应过电压，根据电缆敷设长度的不同，其值也将不同，据GB50217—94要求：非直接接地一端金属护套中的感应电压不超过50V。对于110kV正常工作的高压单芯电缆来说，其产生感应过电压的途径主要有正常工作时，不接地端产生的工频感应电压及在短路与雷电波或内部过电压流入高压电缆在金属护套上产生很高的冲击电压[1]。电缆不正常工作时需要考虑其绝缘及保护器参数问题[2,3]，本文不予讨论。文献[4,5]中探讨了正常工作时高压单芯电缆金属接地方式，但都是在给定电缆长度工况下进行讨论，没有一个具体统一的方式对电缆敷设安全长度进行计算分析等，具有一定的限制性。文献[6]对水平直线敷设方式的高压电缆进行了设计，并未考虑重要的等三角形敷设方式，不够全面。因此需要对在满足安全规定要求下的高压单芯电缆敷设长度进行讨论分析。
本文首先给出了不同敷设方式下金属护套感应过电压计算公式，然后通过对不同保护接地方式的讨论得出满足安全需要的所能敷设长度L满足的不等式及临界值，最后通过一个实例分析来进行验证及得出结论。
1 电缆金属护套感应过电压计算
当单芯电力电缆芯线内流过交流电流时，将使电缆金属护套处于交变磁场中，必定有磁力线交链金属护套，从而使金属护套感应一定的电势。交流系统中高压单芯电缆线路一回或者两回的各相按通常配置排列情况下，在电缆金属层上任一点非直接接地点的正常感应过电压计算公式为
2 电缆金属护套保护接地方式
为了避免感应过电压造成危害，必须采取有效的保护接地措施。根据现有的接地方式而言，若将两端直接接地，则金属护套中将会流过很大的环流，其值将达到线芯电流的50%～95%，不仅造成巨大的电能浪费而且影响电缆的散热，降低电缆的载流量并加速电缆绝缘老化，一般不宜采用。当电缆金属护套采用一端直接接地，另外一端经过电压保护器接地或者金属护套进行交叉互联接地时可以避免上述问题，下面就对其进行分析。
2.1 单端接地
单端接地分为金属护套一端接地，另一端保护接地及金属护套中间接地，两端保护接地两种方式，如图2所示。接地电缆不分段，金属护套一端直接接地，另一端经过保护器接地，如图2(a)所示，电缆金属护套接地采用一端接地能有效减少护套中的环流，降低电缆护套上的损耗，能很好解决护套发热的问题，也能够有效地避免电缆短路时护套产生的感应过电压造成的危害。当电缆采用中点直接接地，两边经保护器接地的方式相当于第一种单端接地方式的基础上增加一个末端接地，如图2(b)所示。
(b)中间接地，两端保护器接地
图2 高压单芯电缆金属护套单端接地
对于图2(a)所示的单端接地方式而言，从始端随着电缆长度的增加，其金属护套感应过电压值不断增加，如图3(a)所示；就图2(b)所示的单端接地方式而言，由于是在中点接地，所以其始端与末端为金属护套感应过电压最大点，如图3(b)所示。与第一种方式相比较，在允许感应电压下，电缆敷设长度可提高1倍。
2.2 交叉互联接地
通过以上分析可知在单端接地工况下，电缆敷设长度有一定限制，对于特别长的线路而言，正常运行条件下在金属护套上感应过电压值有可能超过100V，则不满足要求。此时，可以采用将电缆线路分成三个小段，在每一个小段安装绝缘接头，金属护套在绝缘接头处用同轴电缆引出经交叉互联后，通过电缆保护器接地[5,7]，如图4所示。其两端则直接接地。其分段可以均匀(偏差不超过5%)也可以不均匀。若分段不均匀，金属护套中的感应电压不为零，同时伴有环流的产生；若电缆各段均匀，当成正三角形敷设时，其感应过电压与环流均为零。
图5 高压单芯电缆金属护套感应电压分布
同样，对于交叉互联接地方式而言，其金属护套感应过电压最大值出现在分段连接处，如图5中d、e点所示。与单端方式所能敷设的长度相比较而言能够3倍增加，根据金属护套感应表达式(1)、(2)可得电缆敷设安全长度 必须满足的条件。由于在等三角形敷设方式下无感应电压，所以在平行直线敷设方式工况下，L满足不等式(6)
根据表1、2、3、4可得如下结论：
(1)在不同的敷设方式下，电缆单位长度感应过电压随着工作电流的升高而呈正比例增加，随着相间距的增加，电缆单位长度感应过电压也增大；(2)等三角形敷设方式下电缆感应过电压最低，大小约为水平直线敷设方式下79%，且各相感应电压相等，在满足规定的安全电压下其敷设长度临界值最大；(3)交叉互联接地方式比单端接地方式所能敷设电缆临界长度约长3倍左右，在满足安全要求的情况下，可以将较长电缆线路分成三段或者三的整数倍小段。
综上所示，等三角形敷设及交叉互联接地可以有效降低金属护套感应过电压，增加高压电缆敷设安全长度。由于在实际应用中会留有一定的裕度，因此在设计时不会把电缆敷设安全长度设计为临界值状态，但可作为一定的参考。同时要综合考虑负载状态、工作电流、相间距离以及预算等因素，选择合适的设计方式。
4 结论
本文通过对110kV高压单芯电缆正常工作时，不同敷设方式下的感应过电压的计算以及不同保护接地方式的分析得出敷设安全长度L所满足的不等式，结合敷设方式、负载电流、相间距及电缆截面等因素计算出L临界值，理论推导及实例分析表明这些因素对其影响很大。对于能够敷设安全长度的大小，单端接地时最短，中间接地，两端保护器接地次之，使用交叉互联接地方式最长。但是本文并未考虑载流量对其敷设安全长度的影响，如，热稳定及动稳定性等，需要进一步研究。
参考文献
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[7]张全胜，王和亮，周作春．110kV XLPE电缆金属护套交叉互联接地讨论[J]．高电压技术，2005，31(11)：71-73
论文作者:李怀花,杨依路
论文发表刊物:《电力设备》2016年1期供稿
论文发表时间:2016/4/15
标签：护套论文; 过电压论文; 电缆论文; 感应论文; 金属论文; 方式论文; 长度论文; 《电力设备》2016年1期供稿论文;