高压单芯电缆金属护套接地方式探讨

李新振

（国网宁夏电力公司宁东供电公司，宁夏 银川 750411）

0 引言

有关电缆外护套绝缘的事故常有发生,引起了各设计和运行维护部门对电缆护套电压、电流的关注和研究。3芯电缆正常运行时,通过3芯线的三相电流的总和为0，电缆金属外护套中基本无磁场和感应电压。高压单芯电缆芯线通过单相电流时，有时电流会很大，金属屏蔽层会感应出很高的感应电压，达到危及人身安全的程度，或造成电缆外护套绝缘击穿，引发电缆损坏事故。

因此，必须采取合适的接地方式，以降低其感应电压，确保电缆安全、经济运行。以下参照电力电缆国家相关标准及文献，阐述了高压单芯电缆线路金属护套各种接地方式的特点及其适应范围,对比了各种铺设条件、护套接地方式下，对高压单芯电缆金属护套感应电压的影响，给出了高压单芯电缆外护套电压限制器选择原则及单芯电缆设计施工、运行维护中限制外护套感应电压的一些建议，为工程施工中电缆金属护套接地方式提供参考。

1 金属护套的接地方式

高压单芯电缆芯线通过单相电流时，会在金属护套上产生一定的感应电压，当电缆长度和通过电流很大时，或当电缆遭受操作过电压、雷击过电压时，会在金属护套上形成很高的感应电压，使电缆外护套绝缘发生击穿。故应在金属护套的一定位置采用特殊的连接方式和接地方式，同时安装护套电压限制器，以防止电缆护套绝缘发生击穿现象，保障电力电缆线路的安全运行。高压单芯电缆金属护套通常有两端接地、一端接地、中间接地与交叉互联4种接地方式。

1.1 金属护套两端接地

当电缆线路很短，传输容量有较大的裕度，金属护套上的感应电压极小时，可以采用金属护套两端直接接地的方式(见图1)。在此情况下，金属护套中的环流很小，造成的损耗不显著，对电缆载流量影响不大，不需要装设电缆护套电压限制器。这种方式可减少运行维护工作量，但在金属护套上存在环流，一般情况下不宜采用。

图1 电缆金属护套两端直接接地

1.2 金属护套一端接地，另一端保护接地

电缆线路较短时(500 m以内)，金属护套通常采用一端单点互联直接接地，另一端通过电压限制器接地的方式(见图2)。此时其他部位对地绝缘没有构成回路，可以减少及消除环流，有利于提高电缆的传输容量及运行安全。为保证人身安全，电缆在正常运行时，非直接接地端感应电压应限制在50 V以内；在短路等故障情况下，金属护套绝缘的冲击耐压和电压限制器在冲击电流作用下残压的配合系数不小于1.4。由于电缆越长，电缆非直接接地端产生的感应电压越高。因此一端直接接地的接线方式适用的电缆不能太长。

图2 电缆金属护套一端接地，另一端保护接地

1.3 金属护套中间直接接地、两端保护接地

电缆线路较长时(1 000 m以内)，若电缆线路采用一端接地，其金属护套感应电压将不能满足设计规范要求，此时可以在电缆线路的中点将电缆的金属护套进行单点互联接地，而电缆金属护套的两个终端通过电压限制器接地(见图3)，且保证电缆金属护套感应电压不超过50 V。中间接地安装方式的电缆线路可看作2个一端接地电缆线路连接在一起的安装方式。

图3 金属护套中间直接接地，两端保护接地

1.4 金属护套交叉互联

当电缆线路很长时(超过1 000 m),电缆金属护套可以采用交叉互联方式接地。交叉互联是将电缆线路分成3个等长小段(偏差不超过5 %)，在每小段之间安装绝缘接头，金属护套在绝缘接头处用同轴电缆引出并经互联箱进行交叉互联后，通过电缆护套电压限制器接地，同时，电缆2个终端的金属护套直接接地，这样形成1个互联段位(见图4)。如果三相电流对称，那么电缆末端金属护套感应电压就是0，可以直接将其接地，而不会在金属护套中出现环流。感应电压最高的地方出现在绝缘接头处，因此应在此处装设电压限制器。同样，在短路等故障情况下，金属护套绝缘的冲击耐压和电压限制器在冲击电流作用下残压的配合系数不小于1.4。电缆线路更长时，可以通过若干个互联段位连接形成1个多段互联。每个互联段位之间安装直线电缆接头，金属护套互联直接接地。如果把这样一个交叉互联接地，看作是一个单元，由于该单元金属护套是两端直接接地，所以任何长度的电缆，都可以分成若干个单元，理论上这种接线方式适用于各种长度的电缆。交叉互联两端接地采用正三角形敷设，3小段长度相等(分段均匀)时无环流产生；采用水平敷设且分段均匀时有微弱环流(可忽略)；而分段不均匀时其环流不可忽略，分段越不均匀环流越大。采用交叉互联方式可以减少金属护套感应电压及环流，有利于提高电缆传输容量。

图4 金属护套的交叉互联

2 单芯电缆线路金属护套感应电压计算及保护器的选择

2.1 单芯电缆线路金属护套感应电压技术要求

电缆线路的正常感应电压最大值规定如下。

(1) 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50 V。

(2) 除上述情况外，不得大于300 V。

2.2 单芯电缆线路金属护套感应电压算例分析

下面给出算例，对比分析不同护套接地、铺设方式下对电缆护套感应电压的影响。设电缆全长L=1 000 m，电缆技术参数I=800 A，电缆直径D=90 mm，中心距S=160 mm，品字型、直角、直线铺设时电缆护套感应电压分别按公式(1)～(3)计算：

式中：UPZX，UZJ，UZX分别为品字型、直角、直线铺设时的护套感应电压，V；I电缆电流，A;L为电缆长度，m；S为电缆中心距，cm;r为电缆半径，cm；ω为角频率，rad/s。

计算结果如表1所示。

表1 不同接地、铺设方式下电缆护套感应电压对比

由公式(1)～(3)及表1可见，影响电缆护套感应电压的因素除了电缆金属护套的接地方式外，还与电缆铺设方式、工艺有很大关系。表1表明：当单芯电缆电流很大时，两端接地的护套内将产生不小的电流，严重影响了电缆载流量；一端接地系统护套感应电压最大达到88.5 V，必须采取有效的措施加以限制；同时，考虑到经济性和安全性，单芯电缆长度超过1 000 m时，适宜采用交叉互联系统。

2.3 电压限制器的选择

单芯电缆护套电压限制器参数的选择，应符合下列规定。

(1) 在最大可能冲击电流作用下护套电压限制器的残压，不得大于电缆护套的冲击耐压被1.4所除的数值。

(2) 在系统短路时产生的最大工频感应过电压作用下，在可能长的切除故障时间内，护套电压限制器应能耐受。切除故障时间应按5 s以内计算。

(3) 最大可能冲击电流累积作用20次后，护套电压限制器不得损坏。

(4) 同时应考虑雷击影响下电压限制器的选择及安装要求。

① 电压限制器的残压应低于电缆外护套绝缘的冲击耐压，即：

式中：U10——电压限制器冲击电流下的残压，V；Uch——护套绝缘冲击耐压，V。

② 电压限制器工频放电电压应低于护套工频击穿电压，即：

式中：U放——电压限制器工频放电电压，V；U2——护套2 s工频耐压，V。

3 单芯电缆护套保护及限制护套过电压的几点措施

(1) 合理考虑电缆分段长度,进一步强化设计验算。

(2) 强化对于线路故障情况下的护套感应电压设计验算。

(3) 电缆护套厚度需达到技术要求，在符合电缆设计规范的前提下因地制宜地采用新型外护套。

(4) 严格电缆线路中间接头、终端、交叉互联系统制作安装工艺流程。

(5) 在通道情况允许时采用回流线。

(6) 确保接地电阻达到标准要求。

(7) 加强环流监测。

(8) 对重要的高压电缆线路，宜设有温度检测装置。

4 结束语

通过对高压单芯电缆金属护套接地方式的探讨，在66 kV及66 kV以上电缆工程设计施工中，可在保证电力系统安全运行的前提下，结合现场实际情况选择不同的金属护套接地方式。单芯电力电缆的金属护套电压保护涉及电缆线路规划、设计、安装、运行维护等各个方面，每一个环节都应把好关，才能保证电缆线路的长期安全可靠运行。

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