高壓電纜環(huán)流分析及治理技術的研究與開發(fā)

顧雷　劉春序　 孫天琦　田力波

【摘要】? ? 我國電力系統(tǒng)發(fā)展較為迅猛，目前已建立出完整的運營體系，在電力需求與日俱增的現(xiàn)階段，電力企業(yè)應做好相關防護工作，以保持企業(yè)穩(wěn)定運行。高壓電纜線路的維護保養(yǎng)中，檢修人員常會發(fā)現(xiàn)高壓電纜線路發(fā)生護套環(huán)流現(xiàn)象，由此威脅到電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運營模式。本文對高壓電纜環(huán)流現(xiàn)象進行分析，詳細探究其產(chǎn)生原理，并討論危害內(nèi)容和異常原因，結(jié)合既往經(jīng)驗提出治理技術的現(xiàn)實應用措施，深入解析方案的各項落實事宜。

【關鍵詞】? ? 高壓電纜? ? 環(huán)流分析? ? 治理技術? ? 研究開發(fā)

引言：

隨著城市發(fā)展高壓電纜代替架空線成為必然的趨勢，城市耗能的增加，繼而會出現(xiàn)更多高電壓，長距離的輸電電纜線路的使用，電纜的輸電安全及穩(wěn)定性上更需要被人重視，需要新技術、新手段更全面智能的對高壓電纜進行監(jiān)測管控。電纜線路在之前使用過程中也出現(xiàn)各種各樣的問題，其中電纜護套環(huán)流持續(xù)變大，就是導致電纜故障的一個重要的因素。

一、高壓電纜環(huán)流分析

1.環(huán)流產(chǎn)生原理。高壓電纜在通過交流電流時，電纜周邊將生成對應的感應磁場，此時電流數(shù)值越大，則磁場強度便越強，由此產(chǎn)生渦流效應后將帶動電纜護套上生成感應電壓。

2.環(huán)流異常危害。護套環(huán)流異常反應時，將會對高壓電路系統(tǒng)產(chǎn)生巨大危害。第一，將影響電纜載流量。第二，將電纜護套使用壽命提前。第三，產(chǎn)生局部放電情況。

3.環(huán)流異常原因。高壓電纜的護套結(jié)構(gòu)是保障電纜線芯不外露的重要外部組成，其發(fā)生環(huán)流異常行為，將會嚴重阻礙電纜正常供電行為，因此需要對環(huán)流異常的形成原因做以分析，從基礎展開防范治理技術措施。

二、高壓電纜環(huán)流治理技術應用

在110kV及以上電力電纜中一般采用交叉互聯(lián)方式，利用三相交叉矢量和來抵消電纜金屬護層的感應電壓，但是在受到施工、運行環(huán)境等各種條件的限制，三相不能做到平衡，所以電纜在運行過程中，會出現(xiàn)接地環(huán)流。此項目就是歸納總結(jié)影響環(huán)流的內(nèi)在和外在的因素，并建立計算模型，分析影響因素的大小，并針對已經(jīng)投運的線路，出現(xiàn)環(huán)流變大的情況，研制出抑制裝置，確保高壓電纜的安全穩(wěn)定運行。

當護層兩端都接地時，就和大地形成一個通路，從而產(chǎn)生了接地環(huán)流。護層接地方式不當時，環(huán)流大小甚至可以達到線芯電流的50%或者更高，就會使得金屬護層上產(chǎn)生大量的損耗，影響了電纜的載流量并且使得電纜絕緣加速老化;同時高壓電纜線路的許多故障會表現(xiàn)為金屬護層接地環(huán)流的變化，比如護層絕緣損壞引起的多點接地、護層接地系統(tǒng)遭到破壞（接地線或者交叉互聯(lián)線被偷盜）等，所以有必要對電纜金屬護層的環(huán)流進行相關的分析計算。當護層單端接地時，接地線中將有電容電流流過，可以將單芯電纜線芯和線芯外面的金屬護套，看作是一個圓柱形的電容器，使得接地電流成分中含有電容電流，這個電容電流在電纜主絕緣狀態(tài)發(fā)生變化時也隨之發(fā)生變化。當電纜主絕緣存在水樹時，由于水樹的整流作用，將會有直流電流成分通過接地線，而電纜主絕緣或者接頭處存在缺陷的而產(chǎn)生的局部放電信號電流也會流經(jīng)電纜護層的接地線，這些不同類型的接地電流成分不僅可以反映電力電纜金屬護層自身的狀態(tài)，也可以反映主絕緣的品質(zhì)狀態(tài)（如老化以及缺陷等）引起的局部放電在內(nèi)的多類故障。

三、治理技術的實施方案

回流線是怎樣起到降低感應電壓又降低地電位升高的原理，在現(xiàn)實施工中哪些情況下需要設置回流線，哪些情況下無需設置回流線，面臨頻頻出現(xiàn)回流線的偷盜問題，本文提出回流線敷設條件及注意事項。

3.1在設有回流線的情況下發(fā)生單相短路故障感應電壓計算

在護套單點互聯(lián)并聯(lián)地電纜線路旁邊，輻射一條金屬導線，其兩端可妥善接地。這樣，在線路出現(xiàn)單相故障時，回流線中便會有接地故障電流流過從而起到一個分流作用。由此可見，在出現(xiàn)單相短路時，短路電流可沿著阻抗較小的回流線，流回電源端，根據(jù)回流線與大地構(gòu)成一個閉合回路，可列計算式：

為使流經(jīng)回流線的電流IP大一些，即使故障電流可以盡量的流經(jīng)回流線，且促使接地電阻R2數(shù)值小一些，促使ZPP數(shù)值大一些。因此必須減小SAP，促使回流線更加接近電纜線路，欲減小ZPP須減小rP，同時增大GMRp，即回流線的電阻要小，而它的半徑要大（如擴徑導線）。

3.2回流線分流作用對電纜金屬護套感應電壓影響

若已知回流線中流經(jīng)的故障電流Ip，就可得出A相電纜金屬護套的感應電壓為：

EA=（IF—IP）×R1+IF×ZsA—Ip×ZPA

式中：ZSA—A相金屬護套和故障相導線各以大地為回路的互感阻抗，歐;

ZSA=[rg+j2ω×10-4 x Ln（De/GMRs）]×L

ZpA一回流線和A相金屬護套各以大地為回路的互感阻抗，歐;

ZpA=[ rg +j2ω×10-4×Ln （De/SAP）]×L

由此可以很明顯地可以看出，當流經(jīng)回流線的電流Ip增大時，反感應電勢增大，這樣就降低了金屬護層上的感應電壓。也可以推出B相和C相的感應電壓：

EB=（IF—Ip）×Rl+IF×ZSB—IP×ZPB

Ec=2（IF—IP）×R1+IF×Zsc—IP×ZPC

3.3回流線的現(xiàn)場實施排列

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查此市內(nèi)的電力電纜敷設方式多為直埋式敷設，部分排管敷和隧道式敷設，如果只是簡單的按照常規(guī)敷設方式，通常情況下，在回流線感應電壓內(nèi)，三相不同，在回流線上會造成感應電壓，由于兩端接地，所以在回流線上造成不必要的損耗。通常為了減小這個損耗，常將回流線敷設在三相電纜間距之內(nèi)。但是在實際中影響因素比較大，在無法滿足這種排列時，可以將回流線盡量靠近電纜。排管式敷設時，回流線在敷設在兩相中間位置，較為合適。如圖1所示，因此也就避免了正常運行時，產(chǎn)生的環(huán)流損耗。

3.4注意事項

1.回流線敷設適用條件及注意事項。

按照《城市電力電纜線路設計技術規(guī)范DL/T5221-2005》相關規(guī)定，要求10電力金屬護套、屏蔽層接地方式內(nèi)的10.0.2交流單芯電纜保護套連接方式，遵循10.0.2連接，并設置金屬護套、屏蔽層電壓限制器。若線路補償，無法滿足10.0.1設計要求，可選擇一端直接接地的方法。若系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，且對臨近若電線產(chǎn)生干擾，需要沿著電纜線路選擇平行敷設方法，選擇一根回流線。

值得注意的是，回流線選擇需要結(jié)合以下規(guī)定：第一，回流線界面選擇，要結(jié)合系統(tǒng)發(fā)生的單相接地故障電流、故障持續(xù)時間，對其穩(wěn)定性開展驗算;第二，回流線的排列布置方式，需要確保電纜的正常工作，確?；亓骶€內(nèi)的損耗是線路最小;第三，若為稍長線路一端接地無法滿足標準，無法劃分為三段，或者是交叉互聯(lián)時，可選擇線路中間接地方式，依照規(guī)定進行回流線增加。結(jié)合《GB_50217-2007電力工程電纜設計規(guī)范（1）》內(nèi)的相關規(guī)定，交流單芯電力電纜金屬上，任意一點非直接接地處的正常感應電勢計算，需要與規(guī)定要求契合，電纜線路正常電勢最大值需要滿足以下相關規(guī)定：第一，未取得有效防止人員，就任意接觸金屬層，且未實施安裝措施，其數(shù)值不可超過50V;第二，除上述情況外，不得大于300V。

2.交流100Kv以上，單芯電纜金屬單點接地時，下列情況在電纜附近設置平行回流線。首先，系統(tǒng)短路時，電纜金屬層產(chǎn)生的工頻感應電壓，超過電纜保護層、絕緣耐受度、保護層電壓限制器等;其次，需要抑制電纜鄰近的弱電線路，避免產(chǎn)生電氣干擾。

3.回流線的選擇與設置，應符合下列規(guī)定：第一，回流線的阻抗、兩端接地電阻，需要達到抑制電纜金屬層工頻感應過電壓，并促使截面滿足最大暫態(tài)電流作用下的熱穩(wěn)定，滿足相應要求;第二，回流線排列，需要確保電纜運行時，在回流線內(nèi)產(chǎn)生的損耗最小;第三，電纜線路上的任一終端設置，不管是變電所還是發(fā)電廠，均需要與電源中線接地網(wǎng)實現(xiàn)相互接通。

4.敷設回流線時注意事項。

回流線輻射期間，其注意事項見下表1。

四、結(jié)束語

綜上，電纜護套發(fā)生的環(huán)流現(xiàn)象，將會加速絕緣層保護套的被腐蝕速度，因此需要對電纜護套加以防范措施，比如采用加設獨立電阻、電感器設備、控制阻抗串聯(lián)等電力系統(tǒng)設計中的優(yōu)化方式，將護套環(huán)流現(xiàn)象有效避免。另外在電纜線路的總體設計和施工等環(huán)節(jié)中，可規(guī)范性其過程，保障電纜線路建設符合標準化規(guī)定，在治理技術的實際實施中需要對方案的可行性進行討論，并設置實施原則，完善電纜護套環(huán)流防治措施。

參? 考? 文? 獻

[1]鄭大白，龍治華，王鳳凱.大長度高壓電力電纜在海底電纜登陸段的設計與應用[J].電線電纜，2021（01）：10-13+23.

[2]姚天翼，翟超超，王悅，秦亞杰，劉劍.110 Kv高壓電纜金屬護層接地電流過大分析[J].電力安全技術，2020，22（11）：53-58.

[3]馬信武，訾士才，李寧，田鵬.高壓電纜環(huán)流分析及治理技術的應用[J].中國新通信，2020，22（20）：223-224.

[4]王航，周文俊，陳杰，曹京滎，周承科.波紋金屬護套高壓單芯電纜線芯護層互感的解析解[J].電工技術學報， 2020，35（16）：3369-3376.