高压单芯交联聚乙烯电力电缆金属屏蔽层接地方式探讨

【摘 要】电力电缆线路以其占地少、安全性高、以及利于向超高压、大容量发展的趋势，正在电力系统中得到日益广泛的应用，10KV大截面及35kV大部分电力电缆均为单芯电缆。我局范围内的高耗能电力用户，35K线路部分大多采用单芯交联聚乙烯电缆，虽然单芯电缆的使用提高了单回电缆的输送能力，减少了接头，方便了电缆敷设和附件安装，但高压单芯电力电缆在敷设安装中还存在一些问题。本文基于电力规程相关标准，结合从现场安装，维护实际，分析了高压单芯电力电缆在应用中存在的几个问题，并提出了一些相应看法及解决对策，以防止电缆金属屏蔽层中存在的环流、护层端部感应电压，并提出单芯电缆应加装护层保护器。

【关键词】单芯电缆；环流；感应电压；一端接地；护层保护器

0 引言

电力安全规程规定：电气设备非带电的金属外壳都要接地，因此电缆的铝包或金属屏蔽层都要接地。

通常10kV及以下电压等级的电缆都采用两端接地或多点接地方式，这是因为这些电缆大多数是三芯电缆（三相芯线在电缆中呈“”对称布置），在正常运行中（三芯电缆带平衡负荷），流过三个线芯的电流总和为零（即三相电流向量和为零），在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链，这样，在铝包或金属屏蔽层两端就基本上没有感应电压（金属屏蔽上的感应电势叠加为零），两端接地后不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层，所以可两端接地；若三个线芯的电流总和不等于零，由于金属铠装层的阻抗较大，环流尚不过分显著，金属铠装层中产生的感应电流仅为线芯电流5%-8%，故敷设时可采取金属铠装层两端直接接地保护方式。但是当电压超过10kV时，35KV电缆大多数采用单芯电缆，单芯电缆的线芯与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。当单芯电缆线芯通过电流时在交变电场作用下，就会有磁力线交链铝包或金属屏蔽层，金属屏蔽层必然感应一定的电动势，使它的两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。此时，如果仍将铝包或金属屏蔽层两端三相互联直接接地，则铝包或金属屏蔽层将会出现很大的环流（作用几乎和1：1的电流互感器差不多），10KV循环电流可达到负荷电流的10-20%，35KV及以上电压等级的电力电缆其值可达线芯电流的50%-95%（35kV以上电缆护层阻抗值小）。屏蔽层循环电流的存在，造成屏蔽层发热和电能损耗，这不仅浪费了大量电能，而且降低了电缆的载流量（最大降幅达40%左右），并加速电缆主绝缘电-热老化，有必要采取措施减少或消除该循环电流；采用一端接地，则电缆金属护层中虽无环流，但接着带来了下列问题：当雷电波或内部过电压波沿电缆线芯流动时，电缆金属护层不接地端会出现较高的冲击过电压；或当系统短路事故电流流经电缆线芯时，其护层不接地端也会出现很高的工频感应过电压。上述过电压可能击穿电缆外护层绝缘，造成电缆金属护层多点接地故障，大幅增加环流附加热损耗，严重地影响电力电缆正常运行甚至大幅减少电缆使用寿命。一旦电缆金属护层多点接地故障，故障的测寻、定点和修复均比较困难，停电检修造成的电量损失较大。

1 单芯电缆金属屏蔽层循环电流实测分析

采用两端直接接地的方式，由于电磁感应电压的作用，就会在屏蔽层中产生循环电流。循环电流的大小主要与屏蔽层的自感阻抗和互感阻抗有关。即与屏蔽层的电阻、直径、电缆的间距等有关。

例1（以10KV单芯电缆为例）：某市区应用的300mm2单芯电缆，电缆敷设方式以直埋为主，使用混凝土槽保护。金属屏蔽层全部采用两端接地的方式。下面实测的线路是沿胜利路敷设的电缆主干线，电缆三相每3-3.5米用扎带绑扎成“品” 字形 ，绑扎两点中间的部分线芯散开呈水平放置。每个混凝土槽内并排敷设有两回电缆。我们对胜利路的电缆屏蔽层环流进行了实测。实测的环流电流值如表1。（也可用IEC287算法计算环流）。

表1

从实测值可见，循环电流可达负荷电流的10-20%。

例2（以35KV单芯电缆为例）：我局同――李线35KV线路有一段跨高速公路，长760米，电缆采用型号为YJLV-26/35-1*120，由于电缆头金属屏蔽层采用两端直接接地方式，2005年6月造成电缆中部两个中间接头金属屏蔽网（截面16mm2）发热烧段，但中间接头处绝缘良好；有一端接地铜网处电缆绝缘严重发热变型，由此可见环流的大小。

屏蔽层循环电流的存在，造成屏蔽层发热和电能损耗，降低了电缆的输送容量。因此，有必要采取措施减少或消除该循环电流。实测数值还反映出，环流值并没有绝对地因电缆长度和负荷电流的增大而增加。说明电缆三芯的布置对感应电压的影响不可忽视。

2 克服高压单芯电缆环流措施

单芯电缆不应两端接地。从消除环流损耗，不降低电缆的载流量考虑，应提倡单芯电缆金属屏蔽层一端接地方式。

同――李线35KV电缆线路采用金属屏蔽层一端接地，电缆金属屏蔽层中环流消除。但是采用金属屏蔽层一端接地方式，非接地端计算和实测感应电压应不超过50V，大于50V的宜安装护套保护器。高压电缆线路安装时，应该按照GB50217-1994《电力工程电缆设计规程》的要求，单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时，金属护套任一点的感应电压不应超过50-100V（未采取不能任意接触金属护套的安全措施时不大于50V）；如采取了有效措施时，不得大于100V），并应对地绝缘。如果大于此规定电压时，应采取金属护套分段绝缘或绝缘后连接成交叉互联的接线。为了减小单芯电缆线路对邻近辅助电缆及通信电缆的感应电压，应尽量采用交叉互联接线。对于电缆长度不长的情况下，可采用单点接地的方式。采用金属护套单端接地或各相的金属护套交叉换位互联接地以减少金属护套损耗，为保护电缆护层绝缘，在不接地的一端应加装护层保护器。另外，一端接地的方式一般应在与架空线连接端一端接地，以减小线路受雷击时的过电压。

高压单芯电缆线路的接地方式有下列几种：

1）护层一端直接接地，另一端通过护层保护接地――可采用方式；

2）护层中点直接接地，两端屏蔽通过护层保护接地――常用方式；

3）护层交叉互联――常用方式；

4）电缆换位，金属护套交叉互联――效果最好的接地方式（如下图所示）；

5）护套两端接地――不常用，仅适用于极短电缆和小负载电缆线路。

总之：单芯大截面以及较长电力电缆应采用金属屏蔽层一端接地方式。

3 单芯电力电缆护层过电压保护

例3（青铜峡新型材料基地――恒源冶炼厂，电源进线采用电缆线路，长1400米，型号为2*（YJV-26/35-1*300），电缆头金属屏蔽层采用一端直接接地，另一端金属屏蔽层缠绝缘后悬空方式，运行不到三个月发现金属屏蔽层悬空端绝缘被击穿接地，击穿前运行人员发现金属屏蔽层悬空端不定期有火花放电现象，可见金属屏蔽层悬空端感应电压很高。

一端接地是指电缆线路一端金属屏蔽直接接地，另一端金属屏蔽对地开路不互联。一端接地后，可以消除护层循环电流，减少线路损耗。但开路端在正常运行时有感应电压；在雷击和操作时，金属屏蔽开路端可能出现很高的冲击过电压；系统发生短路事故和短路电流流经芯线时，金属屏蔽不接地端也可能出现很高的工频感应电压，这些都可能引起外护层的击穿损坏，当电缆外护层不能承受这种过电压的作用而损坏时，就会造成金属护层的多点接地。因此，在采用一端互联接地时，必须采取措施限制护层上的过电压，降低护套对地间的过电压，为此常在金属护套不接地端与大地之间装设护层保护器。

护层保护器在正常工作条件下应呈现较高的电阻。此时流经护层保护器的电流为 u A级，以保证电缆在金属护套单端接地或金属护套交叉换位互联接地的正常状态下工作。当大气过电压或内部过电压侵入时，不接地端的护套或护套交叉换位互联处会出现较高的冲击过电压（可能会达到侵人波的60%以上和120%以上），这时护层保护器呈现较小的电阻，使过电压电流能较容易地经保护器流人大地，而保护器自身不应被损坏（作用在金属护层上的电压就是保护器的残压），同时不接地端又应恢复呈现高阻。

高压单芯电缆护层保护器选择原则：保护器通过最大冲击电流时的残压乘以1.4后，应低于电缆护层绝缘的冲击耐压值；保护器在最大工频电压作用下，能承受5s而不损坏；保护器应能通过最大冲击电流累计20次而不损坏。所以高压单芯电缆采用一端接地时，另一端需经护层保护器接地。

4 结束语

鉴于上述原因，对于高压单芯交联聚乙烯电缆的接地必须用合理与合适的方式，确保电缆的安全运行。尤其高压单芯大截面长电缆用户采用一端接地时，非接地端应采取有效措施，消除感应电压对高压单芯电缆的影响。

【参考文献】

[1]刘惠民.电力工业标准汇编（电气卷）《施工及安装》[M].中国电力出版社，1996.

[2]江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路[M].北京：中国电力出版社，1997.

[3]董振亚.电力系统的过电压保护[M].北京：中国电力出版社，1997.

[4]姜芸，等.电力电缆保护接地[J].高电压技术，1998，24（4）：P36-38.

[5]电力建设施工、验收及质量验评标准汇编（下册）[M].中国电力出版社，1999.

作者简介：牛兴全（1974―），男，回族，宁夏吴忠人，2005年毕业于东北大学自动化专业，变电检修技师，现主要从事电气安装、检修、维护工作。

张雪峰（1975-11-19），男，回族，宁夏吴忠人，2005年毕业于东北大学自动化专业，工程师，现主要从事电气安装、检修、维护工作。