110 kV高压电缆金属护套环流对载流量的影响

郝 雪

（中铁二院电化院，四川 成都 610031）

1 前 言

随着城市发展建设的日益增快，城市建设对美观和高利用率的要求也越来越高。目前新建的高压输电线路更多采用地下电缆敷设方式。一般110 kV高压电缆线路都采用单芯电缆进行敷设。高压单芯电缆的金属护套和电缆线芯同轴，相当于形成了一个二次电缆线圈，且同时存在于线芯电流形成的交变磁场中。当电流在电缆线芯传输时，金属护套上就会产生交链磁通从而形成感应电压，电缆运维人员误碰电缆会对人身造成危险。因此，要求运维人员在满足相关规范的要求下使用电缆，并将电缆金属护套进行可靠的接地处理。高压电缆线路工程主要采用单点直接接地方式、单端保护性接地方式、两端直接接地方式以及交叉互联接地方式4种接地方式进行金属护套接地。高压电缆线路选择正确的接地方式是电缆线路长期安全可靠运行的重要保证。电缆线路在选择接地方式时必须注意金属护套环流的影响。金属护套环流会产生额外的电压损耗，从而降低电缆的电流输送能力，同时会造成电缆线芯温度升高，缩短电缆的使用寿命。目前，较长电缆线路主要采用交叉互连接地方式。本文所涉及的接地模型以及感应电压和环流计算公式均是基于交叉互联接地方式建立的。

2 电缆交叉互联接地模型和等值电路的计算公式

2.1 电缆金属护套的环流模型

单芯电缆金属护套环流由电容电流和感应电流组合而成。其中，电容电流主要与电缆本体结构和电缆线芯与护套间的电压有关。同时由于电容电流较小，因此在计算中可以忽略不计，仅计算感应电流分量即可[1-2]。

采用交叉互联接地方式的金属护套环流等效电路如图1所示。在图中，Ia、Ib以及Ic分别为A、B、C相金属护套上的电流值，Ie为流入大地的电流值，Rd为大地等效电阻，Rd1和Rd2为电缆护套两端的接地电阻。Zai、Zbi以及Zci（i=1、2、3）分别为A、B、C相在第i段中的金属护套自阻抗，Eaai、Ebbi以及Ecci（i=1、2、3）分别为电缆线芯电流引起的第i段内A、B、C各相上的感应电压。Etai、Etbi以及Etci（i=1，2，3）分别为其他相的金属护套电流和流入大地的电流在第i段内A、B、C各相上引起的感应电压。

2.2 金属护套环流计算公式

根据电路的基本原理，对于一个交叉互联段内的单芯电缆金属护套等效电路可建立如下公式：

图1 金属护套交叉互联接地等值电路图

将一个交叉互联段电缆的长度分别设定为L1、L2以及L3，且有L1+L2+L3=L。假设A相线芯电流为I，则其他各相电缆金属护套感应电势如下[3]。

单位长度A相金属护套上的感应电势为：

单位长度B相金属护套上的感应电势为：

单位长度C相金属护套上的感应电势为：

式中，GMRs为金属护套的几何平均半径，单位为mm；S为A相与B相电缆间距，单位为mm；n为C相与A相电缆间距与S之比；m为C相与B相电缆间距与S之比；ω=2πf，f为工作频率，单位为Hz；I为各相线芯电流，单位为A[4]。

A相与B相之间的互感为：

A相与C相之间的互感为：

B相与C相之间的互感为：

等值大地回路与护套的互感为：

金属护套的电阻为：

其中，α20为温度设为20 ℃时，金属护套的温度系数，θ为导体最高工作温度，ρs为金属护套的电阻率，单位为Ω m，A为金属护套的等值截面积。

金属护套的自阻抗为：

大地的漏电电阻为：

三相电缆由线芯电流产生的感应电压分别为：

因大地回路电流和其他相金属护套电流引起的A、B以及C三相上的感应电压分别为：

在以上公式基础上，结合交叉互联段等值电路方程组，可以得出以下矩阵方程：

其中，相互之间具有以下关系：

可以获得通过电缆的金属护套的电流值Ia、Ib、Ic以及大地电流值Ie。

3 计及环流的载流量计算及结论

按照标准JB/T10181.11—2014内的载流量计算公式：

式中，θc为电缆线芯允许工作温度，单位为K；θa为工作环境温度，单位为K；T1为电缆绝缘层的热阻；T3为电缆外护套的热阻；T4为环境热阻；单热阻位为K·m/W；Rac为电缆芯线产生的有效交流电阻，单位为Ω·m；λ1为电缆护套上的损耗；Wi为导体绝缘长度的介质损耗，单位为W/m。

考虑护层环流的影响，计算载流量的公式为：

选取成都轨道交通5号线一期工程主变电所110 kV电缆线路实际参数。电缆采用YJLW03-64/110-1×500 mm2，土壤热阻系数为1.4 T·Ω/m，采用排管敷设，相间距0.3 m，敷设深度600 mm，线芯额定电流为430 A，直接按照载流量公式计算的载流量为604 A。选取3组交叉互联段进行计算。3组交叉互联段如表1所示，护层环流及载流量计算结果如表2所示。

当电缆通过交叉互连线接地时，护套循环电流对载流能力的影响与交叉互连线中电缆段长度的均匀性有关。电缆分段越均匀，电缆金属护套的循环电流越小，电缆的载流量越大，有利于电缆的操作。

表1 3组交叉互联段

表2 护层环流及载流量计算结果