高压电缆金属护套环流分析

杨健锐

（广州电力设计院有限公司， 广东 广州 510610）

引言

随着城市化进程的加快，城市输电线路110 kV及以上架空线路逐步转为电缆敷设。交联电缆是“固态”绝缘的代表产品。聚乙烯树脂本身是一种常温下电性能极优的绝缘材料。目前通常选用交联聚乙烯绝缘单芯电缆，电缆的金属护套选用铝护套，当电缆导体通过交流电流，该电流在金属护套上会产生磁通[1]。电缆金属护层上的接地线为保护接地，其作用是将电缆接头外屏蔽层上的高感应电压和电缆接头故障时产生的漏电流通过接地线再经接地系统导入大地，从而保证设备和工作人员的人身安全。如电缆发生故障时，将导致漏电流增大，此时接地线上电流将同时增大，如不及时处理，将会影响电缆的安全稳定运行。当金属护套的接地点由两个或两个以上及形成环路且有电流流过，长期较大的护套电流将对电缆造成很大的危害，护套将产生损耗，从而降低电缆的运行寿命，并且降低电缆的载流量[2]。同时还会使金属护套回路的各组成部分（包括同轴电缆、接地线及各连接部位）长期发热，造成电缆外护套、同轴电缆和接地线的绝缘性能降低，影响线路的安全运行。

1 金属护套环流计算原理

电缆导体和护套间的关系可以看作一个空心变压器。电缆导体相当于一次绕组，而金属护套相当于二次绕组。在金属护套两端接地的情况下，当电缆导体通过交变电流时，电缆的金属护套上将产生感应电压，而护套上会产生环流，其电路图如图1所示。

图1 电缆护套环流原理图

在图1中，待解的Isa、Isb、Isc分别为三相电缆金属护套环流；R1、R2为接地电阻；R＋jX为金属护套的自阻抗，Is为流向大地的环流；Re为大地的漏电阻；Ea、Eb、Ec为导体的电流分别在护套上产生的感应电势；Ea'、Eb'、Ec'为其他相护套环流、大地环流分别护套上产生的感应电压。则经过推导后有

其中，左侧方括号内为系数矩阵，它随着电缆结构参数、排列方式及电缆金属护套的接地方式而不同。对此矩阵方程求解，即可得到护套环流。

2 金属护套环流影响因素分析

通常35 kV及以下电缆都采用两端接地方式，因为这些电缆基本均为三芯电缆，正常运行时流过3个线芯的电流是均衡的，在金属护套层基本没有磁链。但对于110 kV及以上电缆，基本为单芯电缆，由于感应电压的存在，若采用两端接地的方式，则此时出现较大的环流。而采用交叉互联的接线方式，若金属护套完全换位（电缆正三角形排列，金属护套交叉互联）且三小段等长时，由于导体电流相位互差120°、幅值相等，则其金属护套感应电压也近似三相对称，将其交叉互联后，感应电压会互相抵消，大大降低感应电压，从而可有效减少环流。即在电缆敷设位置对称，护套交叉互联且三小段等长的情况下，金属护套上环流无环流或者环流极小。

影响电缆金属护套环流的另外一个很重要的因素是电缆导体的负荷电流，根据电磁理论，感应电压与负荷电流成正比，负荷电流越大，感应电压越大，而感应电压越大，在电缆结构、长度相同的条件下，则环流越大。

在交叉互联接地方式下，同个交叉互联的三段护套上感应电压相位相对称，同个交叉互联段内电缆长度不相等时，则同个交叉互联段内三小段感应电压不能完全抵消，产生了环流，所以环流的大小与电缆交叉互联分段的均匀性有很大关系。

另外电缆结构参数、排列方式及电缆金属护套的接地方式会影响系数矩阵，从而也是会影响电缆金属护套的环流。

3 金属护套环流计算及限制措施

以广州某220 kV工程实例进行分析，电缆截面为2 500 mm2，等效半径为68 mm，电缆长度为1 200 m，采用不同负荷电流，不同接线方式的最大相环流计算结果如表1所示。

表1 电缆环流计算结果

由表1可看出，两端直接接地的护套环流比交叉互联两端接地要大很多，护套上将会出现很大的环流，因而金属护套两端互联直接接地的方式只有在工作电流小、电缆长度短的情况下才采用。故正常情况下，在电缆长度较长情况下会选择交叉互联两端接地的接线方式。另外，还可看出，在接线方式不变的情况下，环流与负荷电流的比值近似保持不变，说明负荷电流大小不影响环流占比。

另外，由于电缆分段长度、电缆排列方式运行后不可改变，而调整接线方式也较为困难，此时可通过加大电阻来降低环流。当金属护套互联时，可在接地处串联适当的电阻，从而有效地减少电缆金属护套的环流[3]。

4 结语

本文通过分析金属护套环流计算原理，总结出了电缆金属护套环流的计算方法，研究了影响电缆金属护套环流的各种因素并分析了其限制措施，对电缆工程设计有一定的参考。