高压电缆环流分析及治理技术的研究与开发

顾雷　刘春序　 孙天琦　田力波

【摘要】    我国电力系统发展较为迅猛，目前已建立出完整的运营体系，在电力需求与日俱增的现阶段，电力企业应做好相关防护工作，以保持企业稳定运行。高压电缆线路的维护保养中，检修人员常会发现高压电缆线路发生护套环流现象，由此威胁到电网系统的正常运营模式。本文对高压电缆环流现象进行分析，详细探究其产生原理，并讨论危害内容和异常原因，结合既往经验提出治理技术的现实应用措施，深入解析方案的各项落实事宜。

【关键词】    高压电缆    环流分析    治理技术    研究开发

引言：

随着城市发展高压电缆代替架空线成为必然的趋势，城市耗能的增加，继而会出现更多高电压，长距离的输电电缆线路的使用，电缆的输电安全及稳定性上更需要被人重视，需要新技术、新手段更全面智能的对高压电缆进行监测管控。电缆线路在之前使用过程中也出现各种各样的问题，其中电缆护套环流持续变大，就是导致电缆故障的一个重要的因素。

一、高压电缆环流分析

1.环流产生原理。高压电缆在通过交流电流时，电缆周边将生成对应的感应磁场，此时电流数值越大，则磁场强度便越强，由此产生涡流效应后将带动电缆护套上生成感应电压。

2.环流异常危害。护套环流异常反应时，将会对高压电路系统产生巨大危害。第一，将影响电缆载流量。第二，将电缆护套使用寿命提前。第三，产生局部放电情况。

3.环流异常原因。高压电缆的护套结构是保障电缆线芯不外露的重要外部组成，其发生环流异常行为，将会严重阻碍电缆正常供电行为，因此需要对环流异常的形成原因做以分析，从基础展开防范治理技术措施。

二、高压电缆环流治理技术应用

在110kV及以上電力电缆中一般采用交叉互联方式，利用三相交叉矢量和来抵消电缆金属护层的感应电压，但是在受到施工、运行环境等各种条件的限制，三相不能做到平衡，所以电缆在运行过程中，会出现接地环流。此项目就是归纳总结影响环流的内在和外在的因素，并建立计算模型，分析影响因素的大小，并针对已经投运的线路，出现环流变大的情况，研制出抑制装置，确保高压电缆的安全稳定运行。

当护层两端都接地时，就和大地形成一个通路，从而产生了接地环流。护层接地方式不当时，环流大小甚至可以达到线芯电流的50%或者更高，就会使得金属护层上产生大量的损耗，影响了电缆的载流量并且使得电缆绝缘加速老化;同时高压电缆线路的许多故障会表现为金属护层接地环流的变化，比如护层绝缘损坏引起的多点接地、护层接地系统遭到破坏（接地线或者交叉互联线被偷盗）等，所以有必要对电缆金属护层的环流进行相关的分析计算。当护层单端接地时，接地线中将有电容电流流过，可以将单芯电缆线芯和线芯外面的金属护套，看作是一个圆柱形的电容器，使得接地电流成分中含有电容电流，这个电容电流在电缆主绝缘状态发生变化时也随之发生变化。当电缆主绝缘存在水树时，由于水树的整流作用，将会有直流电流成分通过接地线，而电缆主绝缘或者接头处存在缺陷的而产生的局部放电信号电流也会流经电缆护层的接地线，这些不同类型的接地电流成分不仅可以反映电力电缆金属护层自身的状态，也可以反映主绝缘的品质状态（如老化以及缺陷等）引起的局部放电在内的多类故障。

三、治理技术的实施方案

回流线是怎样起到降低感应电压又降低地电位升高的原理，在现实施工中哪些情况下需要设置回流线，哪些情况下无需设置回流线，面临频频出现回流线的偷盗问题，本文提出回流线敷设条件及注意事项。

3.1在设有回流线的情况下发生单相短路故障感应电压计算

在护套单点互联并联地电缆线路旁边，辐射一条金属导线，其两端可妥善接地。这样，在线路出现单相故障时，回流线中便会有接地故障电流流过从而起到一个分流作用。由此可见，在出现单相短路时，短路电流可沿着阻抗较小的回流线，流回电源端，根据回流线与大地构成一个闭合回路，可列计算式：

为使流经回流线的电流IP大一些，即使故障电流可以尽量的流经回流线，且促使接地电阻R2数值小一些，促使ZPP数值大一些。因此必须减小SAP，促使回流线更加接近电缆线路，欲减小ZPP须减小rP，同时增大GMRp，即回流线的电阻要小，而它的半径要大（如扩径导线）。

3.2回流线分流作用对电缆金属护套感应电压影响

若已知回流线中流经的故障电流Ip，就可得出A相电缆金属护套的感应电压为：

EA=（IF—IP）×R1+IF×ZsA—Ip×ZPA

式中：ZSA—A相金属护套和故障相导线各以大地为回路的互感阻抗，欧;

ZSA=[rg+j2ω×10-4 x Ln（De/GMRs）]×L

ZpA一回流线和A相金属护套各以大地为回路的互感阻抗，欧;

ZpA=[ rg +j2ω×10-4×Ln （De/SAP）]×L

由此可以很明显地可以看出，当流经回流线的电流Ip增大时，反感应电势增大，这样就降低了金属护层上的感应电压。也可以推出B相和C相的感应电压：

EB=（IF—Ip）×Rl+IF×ZSB—IP×ZPB

Ec=2（IF—IP）×R1+IF×Zsc—IP×ZPC

3.3回流线的现场实施排列

根据现场调查此市内的电力电缆敷设方式多为直埋式敷设，部分排管敷和隧道式敷设，如果只是简单的按照常规敷设方式，通常情况下，在回流线感应电压内，三相不同，在回流线上会造成感应电压，由于两端接地，所以在回流线上造成不必要的损耗。通常为了减小这个损耗，常将回流线敷设在三相电缆间距之内。但是在实际中影响因素比较大，在无法满足这种排列时，可以将回流线尽量靠近电缆。排管式敷设时，回流线在敷设在两相中间位置，较为合适。如图1所示，因此也就避免了正常运行时，产生的环流损耗。

3.4注意事项

1.回流线敷设适用条件及注意事项。

按照《城市电力电缆线路设计技术规范DL/T5221-2005》相关规定，要求10电力金属护套、屏蔽层接地方式内的10.0.2交流单芯电缆保护套连接方式，遵循10.0.2连接，并设置金属护套、屏蔽层电压限制器。若线路补偿，无法满足10.0.1设计要求，可选择一端直接接地的方法。若系统发生单相接地故障，且对临近若电线产生干扰，需要沿着电缆线路选择平行敷设方法，选择一根回流线。

值得注意的是，回流线选择需要结合以下规定：第一，回流线界面选择，要结合系统发生的单相接地故障电流、故障持续时间，对其稳定性开展验算;第二，回流线的排列布置方式，需要确保电缆的正常工作，确保回流线内的损耗是线路最小;第三，若为稍长线路一端接地无法满足标准，无法划分为三段，或者是交叉互联时，可选择线路中间接地方式，依照规定进行回流线增加。结合《GB_50217-2007电力工程电缆设计规范（1）》内的相关规定，交流单芯电力电缆金属上，任意一点非直接接地处的正常感应电势计算，需要与规定要求契合，电缆线路正常电势最大值需要满足以下相关规定：第一，未取得有效防止人员，就任意接触金属层，且未实施安装措施，其数值不可超过50V;第二，除上述情况外，不得大于300V。

2.交流100Kv以上，单芯电缆金属单点接地时，下列情况在电缆附近设置平行回流线。首先，系统短路时，电缆金属层产生的工频感应电压，超过电缆保护层、绝缘耐受度、保护层电压限制器等;其次，需要抑制电缆邻近的弱电线路，避免产生电气干扰。

3.回流線的选择与设置，应符合下列规定：第一，回流线的阻抗、两端接地电阻，需要达到抑制电缆金属层工频感应过电压，并促使截面满足最大暂态电流作用下的热稳定，满足相应要求;第二，回流线排列，需要确保电缆运行时，在回流线内产生的损耗最小;第三，电缆线路上的任一终端设置，不管是变电所还是发电厂，均需要与电源中线接地网实现相互接通。

4.敷设回流线时注意事项。

回流线辐射期间，其注意事项见下表1。

四、结束语

综上，电缆护套发生的环流现象，将会加速绝缘层保护套的被腐蚀速度，因此需要对电缆护套加以防范措施，比如采用加设独立电阻、电感器设备、控制阻抗串联等电力系统设计中的优化方式，将护套环流现象有效避免。另外在电缆线路的总体设计和施工等环节中，可规范性其过程，保障电缆线路建设符合标准化规定，在治理技术的实际实施中需要对方案的可行性进行讨论，并设置实施原则，完善电缆护套环流防治措施。

参  考  文  献

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