电缆接地故障分析及电缆护层保护箱的选用

王志强　史少伟　郭立秋　赵建宇　李鹏飞

（国网山西省电力公司原平市供电公司，山西　原平　034100）



电缆接地故障分析及电缆护层保护箱的选用

王志强史少伟郭立秋赵建宇李鹏飞

（国网山西省电力公司原平市供电公司，山西原平034100）

摘要：在出现电缆接地故障的情况下，电缆维护人员应及时对电压等级及电缆敷设方式进行分析，了解电缆保护层受损程度，并选用最为适用的护层保护箱，这样才能有效解决电缆接地故障。

关键词：电缆接地；护层保护箱；选用

1　电缆接地分析

1.1高压电缆中间接头的接地电阻

在电缆正常运行的过程中，其中间接头经保护器接地，并呈现出高电阻的特征，主要发挥交叉换位的作用，当电缆发生接地故障时，保护器呈现出低电阻的特征，电流通过保护器可迅速进入大地，达到保护电缆的目的，在严重故障的情况下，电缆中间接头接地装置的电流最高能达到10kA，此时地电位大幅上升，对相关设备及人员的安全都会造成严重威胁，金属护层的感应电流也会超过最高限制［1］。为了避免危险事故的发生，需将地电位上升产生的过电压控制在合理范围内，过电压的计算公式为Uf=IR，当过电压处于电缆护层绝缘耐受范围内时，满足R＜24/I。式中，R表示接地装置的接地电阻（Ω）；I表示流经接地装置的入地故障电流（kA）。人体允许的接触电位Ej和跨步电位Ek分别可通过下列公式计算：

Ej=0.165（R0+0.5Rb）/√t

Ek=0.165（R0+2.0Rb）/√t

公式，R0表示人体电阻（Ω），一般R0的值应取1 500Ω，Rb表示人体一只脚对地时的接地电阻（Ω），t表示电击时间（s）。根据设计出的接地装置，可分别计算接地电位差Uj和跨步电位差Uk，计算公式为Uj=KjIR，UK= KKIR。式中，Kj表示接地系数，通常取0.2；Kk表示跨步系数，通常取0.1；I表示接地装置入地短路电流（A）。

通过上述所有公式的计算，考虑保护动作时间，令t= 1，则可通过下列公式计算得出接地装置的电阻：R≤（174+0.17db）KjI；R≤（174+0.70db）KkI。根据现场客观条件以及接地装置的经济适用性，R的设计值应保持在1～5Ω，且必须采取适当的隔离和均压手段。

1.2高压电缆终端的接地电阻

大多数高压单芯电缆保护层和大地之间都安装有护层保护器，电缆终端还有避雷器，这样就能使冲击过电压不超过电缆护层绝缘耐受范围，在出现电缆短路故障的时候，一般应重点分析过电压保护接地问题，一般线芯电流在正常情况下只有几百安，且金属保护层上的感应电压也比较小。然而，如果出现单相短路故障、两相短路或三相短路故障，电缆线芯内通过的电流可达几千安，金属护层两端的感应电压也会大幅升高，电缆运行的安全性将会受到严重影响。所以，应及时采取措施降低金属保护层的感应电压，而且必须将接地电阻控制在最低，才能避免接地电位产生的不良影响。常见的电力电缆保护接地方式有Y接线方式和Y0接线方式。在第一种接线方式下，保护器的工频电压不受接地电位的影响，即使护层冲击过电压降低，护层的工频电压不会发生变化，在发生短路故障时，这两种接线方式的护层过电压数值基本一致。当电缆出现单相接地故障时，终端接地装置的接地电位与电缆护层所承受的过电压息息相关，一旦接地电位出现大幅上升，工频过电压很可能增加到一个极大值，且接地网内外的接地故障工频过电压有很大差异，电缆首末两端的过电压也不相等。采取上述两种保护接线方式时，当A相电缆出现多电源网内单相接地故障时，C相电缆护层的工频电压值最高，电缆终端的保护接地电阻计算公式为R≤2 000/I，通过考虑多种因素，一般取R≤0.5Ω，若受客观因素的限制，不能满足上述公式时，则应使R＜5.0Ω，并进行均压和隔离。对于安装有回流线保护装置和均压线保护装置的电缆故障来说，接地电位大小与护层电压、保护器电压之间互不影响，但是应保证均压线本身的阻抗远远低于均压线总的自然接地电阻，即满足6Zd＜R。

1.335kV及其以下电缆的接地电阻

对于35kV及其以下的电压等级的电缆来说，其在正常运行的过程中，金属护层外并不存在磁场，电缆两端也没有感应电压和感应电流，当不同线芯中电流的总和不为0时，金属护层的阻抗偏大，环流不是很明显，护层中产生的感应电流最高仅为线芯内总电流的8%。因此，在敷设时应采用金属护层两端直接接地的保护方式，此时电缆保护接地装置的电阻R应满足该关系式：R≤250/I，式中，I表示接地故障电流，单位为A，对于一般电力工程来说，一般取R≤4Ω最为合理，若由于一些因素的限制而不能满足上述要求时，可适当放宽限制，但R的最大值不能超过10Ω。

表1　保护器的通流容量选取

2　电缆护层保护箱的选用

2.1电缆过电压产生原理

对于10Kv及以上的三芯电缆来说，由于电缆三芯同时接通电流，电流也基本上保持平衡，因此，可以认为电缆保护层上的电流为0，金属护套和电缆之间的关系等同于一个变压器的次级绕组和初级绕组之间的关系，当线芯中有电流通过时，金属护套将和磁力线交链，这就导致护套产生感应电压，且电缆长度越长、电流越大，产生的感应电压越大。当电缆过长时，护套上产生的感应电压可能会危及到人身安全，单芯电缆过电压产生的原理如图1所示。

图1　单芯电缆过电压产生的原理图

2.2电缆护层保护箱的选择

选择保护箱时，首先应计算最大冲击电流值，保证最大冲击电流时的残压乘以1.4之后比电缆护层绝缘的冲击耐压值小，保护箱应在最大工频电压作用5s内不被破坏，而且应在最大电流冲击下累积20次不被损坏，保护器的阀片数应根据工频电压的大小进行确定，阀片数量的计算公式为：m=Us/U1。式中，U1表示每片阀片所能承受的工频电压值，Us表示护层工频过电压值的大小（kV）。

3　电缆护层保护箱的参数设计

电缆护层保护箱主要由金属电极、非线性限流元件和硅橡胶外绝缘三部分组成，其绝缘效果和使用寿命的长短主要由电气参数的设计质量决定，根据国内外对电缆护层保护箱参数选取的相关规定，在对参数进行设计时应做到以下几点。首先，应计算出起始动作电压UImA和额定电压Ur，护层保护器额定电压的计算公式如下：Ur=Up/K。式中，K表示保护器工频电压配合系数，UP表示短路故障出现时电缆中工频电压的最大值。根据保护器的动作状况的差异，K应在1.1～1.3之间取值。K值的大小与其保护水平成反比。其次，应对保护器的通流容量Im进行科学计算，当电缆遭受雷电冲击时，金属护套的一端连接保护器，另一端接地，保护器的通流容量应按照表1所示进行选取。

参考文献：

［1］王欣.经电阻接地电力系统的接地保护研究［D］.济南：山东大学，2014.

中图分类号：TM862

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0136-02

收稿日期：2015-12-20

作者简介：王志强（1978-），男，技师，研究方向：电气自动化。

Failure Analysis and Selection of Cable Grounding Cable Sheath Protection Box

Wang ZhiqiangShi ShaoweiGuo LiqiuZhao JianyuLi Pengfei
（State Grid Electric Power Company,Shanxi Province Yuanping city Power Company，Yuanping Shanxi 034100）

Abstract:In the event of a ground fault in the cable,the cable should be timely maintenance personnel voltage cable laying and analyzed to understand the extent of the damage protective layer of the cable,and the choice of the most suitable protective layer protecting box,so as to effectively solve the grounding cable malfunction.

Key words:grounding cable；protective layer protecting box；selection