潘英吉， 周和平

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35kV單芯電纜鋼鎧層發(fā)熱問題的解決方法

潘英吉1， 周和平2

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35kV單芯鋼鎧電纜在運(yùn)行中，鋼鎧層上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與本體接地點(diǎn)構(gòu)成閉合回路，電流在回路電阻上可產(chǎn)生85℃以上的高溫，直接危及系統(tǒng)安全運(yùn)行。對這一問題進(jìn)行了分析，結(jié)合我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50217—2007，在適當(dāng)距離內(nèi)切斷電纜鋼鎧層，打開閉合回路，將感應(yīng)電動勢限制在規(guī)定范圍內(nèi)，進(jìn)而解決了這一問題。

電力電纜； 故障； 安全性

35kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)通常采用不接地運(yùn)行方式，將中性點(diǎn)看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)。依據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律，在三相交流系統(tǒng)中，只有三相電流大小相等、相位角互差120°，三相電流向量之和方可等于零。對于單芯電纜與三芯一體電纜而言，在鋼鎧層上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是不同的。三芯一體鋼鎧電纜，因三相電流之和為零，所以在鋼鎧層上產(chǎn)生的合成磁通為零，不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。單芯電纜各自獨(dú)立運(yùn)行，在電纜鋼鎧層上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，為安全運(yùn)行起見，電纜兩端的鋼鎧層需要接地，這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉合回路，在感應(yīng)電動勢的作用下，感應(yīng)電流在鋼鎧層的阻抗上會產(chǎn)生較高溫度，并影響單芯電纜的載流量[1-2]，危及人身和設(shè)備安全。因此，單芯電纜鋼鎧層接地時(shí)，需要按照GB 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]限制其回路中電流的大小。

1 接線方式

單芯電纜鋼鎧層上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與電纜線路的電流和線路長度成正比，對于電纜長度較短、電流偏小的線路，電纜兩端可采用星形接地方式[4-5]，如圖1所示，圖1中IA、IB、IC為35kV單芯電纜的三相電流。星形接地方式的等效電路如圖2所示[6]，圖2中EA、EB、EC為單芯鋼鎧電纜的三相感應(yīng)電動勢，RL為鋼鎧層等值電阻，Ia、Ib、Ic為流過鋼鎧層的三相感應(yīng)電流，RD為大地電阻。由于35kV系統(tǒng)的三相電流相位互差120°，且模數(shù)值相等，因此鋼鎧層上產(chǎn)生的三相感應(yīng)電動勢及在閉合回路中產(chǎn)生的三相感應(yīng)電流都是相互對稱且大小相等的?？梢姡ㄟ^接地點(diǎn)流到大地的電流為Ia+Ib+Ic=0，即三相感應(yīng)電流沒有通過大地構(gòu)成回路，而是通過相間進(jìn)行流動[7-9]。依據(jù)回路電流法，求得三相電流分別為：

圖1 星形接地方式

圖2 等效電路

(1)

根據(jù)GB 50217—2007，當(dāng)電流流過單芯鋼鎧電纜時(shí)，屏蔽層上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

Es=LEso

(2)

式中：L為感應(yīng)電動勢兩端的有效距離，km；Eso為每1km所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，V/km。

三根單芯電纜按三角形方式排列，電纜單位長度電抗[3，10]為

Xo=2×10-4ωln(S/r)

(3)

式中：ω為工頻角頻率；S為電纜間中心距離，cm；r為電纜金屬層平均半徑，cm。

單芯電纜若為水平排列，GB 50217—2007中有詳細(xì)計(jì)算表達(dá)式，此處從略。

電纜每1km所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

Eso=IxlXo

(4)

式中：Ixl為線路電流。

為安全考慮，通常線路電流取最大值。GB 50217—2007中規(guī)定： 在未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，感應(yīng)電動勢不得大于50V；若采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施，則感應(yīng)電動勢不得大于300V。

2 實(shí)例

以城南變35kV地下單芯電纜輸電線路為例，電纜型號為YJV72-26/35-1×185mm2,電纜長度為 1150m。電纜為三角形方式排列，邊長中心距離S=48cm，電纜金屬層平均半徑r=7.8cm，最大電流為490A，則電纜鋼鎧層的電抗為：

Xo=2×10-4ωln(S/r)=0.0628×
ln(48/7.8)=0.114Ω

鋼鎧層上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

Es=LIxlXo=1.15×490×0.114=64.24V

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，感應(yīng)電動勢不應(yīng)超過50V。從計(jì)算結(jié)果看，感應(yīng)電動勢的數(shù)值已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)要求，此外，因電纜兩端接地產(chǎn)生較大環(huán)流，通過紅外測溫儀對電纜外皮測試，溫度達(dá)到85℃以上，已經(jīng)危及人身和設(shè)備的安全運(yùn)行。為減小環(huán)流，曾改變過電纜鋼鎧層的接地方式，如交叉接地、通過限流電阻接地等，但效果均不理想，因此需要采取技術(shù)措施使感應(yīng)電動勢降下來。

鋼鎧層每1m所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

Em=Es/L=64.24/1150=0.0558V/m。

產(chǎn)生50V感應(yīng)電動勢的距離為：

L50=E50/Em=50/0.0558=896.05m。

為保證感應(yīng)電動勢不大于50V，可以在線路長度896.05m處將鋼鎧層斷開，但剩余長度約為254m，感應(yīng)電動勢為14.24V，顯然兩端感應(yīng)電動勢不相等。當(dāng)剩余長度小于感應(yīng)電動勢50V的長度時(shí)，鋼鎧層斷開處應(yīng)選擇在這條電纜的中心處，這樣鋼鎧層兩端的感應(yīng)電動勢是相等的，即均為32.12V，并滿足感應(yīng)電動勢不大于50V。在電纜生產(chǎn)廠家的配合下，對鋼鎧層斷開處的兩端做好防水和絕緣包扎，并做好接地點(diǎn)，如圖3所示。

圖3中，Ⅰ段電源側(cè)鋼鎧層采用星形接地，在鋼鎧層斷開處的左側(cè)采用電壓保護(hù)接地，作用是防止感應(yīng)雷擊危及電纜運(yùn)行安全。電壓保護(hù)裝置由避雷器閥片制作而成，在鋼鎧層電壓超過限值時(shí)動作，可將過電壓能量對地釋放。

圖3 新型接地方式

正常運(yùn)行時(shí)，由于閥片阻值很大，可以認(rèn)為對地是開路狀態(tài)，鋼鎧層上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢沒有形成閉合回路，感應(yīng)電流為零，也就不會產(chǎn)生高溫，不會影響單芯電纜的載流量。

3 結(jié)束語

通過對城南變35kV出線電纜接地方式的改造，從源頭上斷開了感應(yīng)電動勢與接地點(diǎn)形成的閉合回路，使回路電流等于零，電纜鋼鎧層不再產(chǎn)生溫升，即保持正常室內(nèi)或室外溫度，同時(shí)感應(yīng)電動勢的數(shù)值也被限制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，應(yīng)用效果良好。

對于電纜生產(chǎn)廠家而言，如果電纜在生產(chǎn)過程中能平衡并減小感應(yīng)電動勢至GB 50217—2007規(guī)定范圍內(nèi)，將電纜鋼鎧層逐段斷開，并做好標(biāo)記，且可以根據(jù)需要連接或斷開，這樣將給現(xiàn)場施工帶來諸多方便。

[1] 邱關(guān)源.電路[M].4版.北京： 高等教育出版社,2006.

[2] 吳薛紅,濮天偉,廖德利.防雷與接地技術(shù)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[3] 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50217—2007[S].

[4] 李景祿.接地裝置的運(yùn)行與改造[M].北京： 中國水利水電出版社,2005.

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[6] 黃大龍.35kV單芯電纜屏蔽接地不當(dāng)引起故障的分析[J].安徽電力,2010(2)： 7-8.

[7] 羅春霖.35kV高壓單芯電纜的故障原因分析及解決方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2013(7)： 43-45.

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(編輯： 啟 德)

During operation of 35kV single core armoured cable, due to a closed loop circuit constituted by the induced electromotive force generated at the steel armor and the grounding point of the main body, the current in the loop resistance can produce more than 85℃ high temperature that may directly endanger the safe operation of the system. This problem was analyzed and solved based on national standard GB 50217—2007 by cutting off the cable armor layer within the appropriate distance to open the closed loop circuit and limit the induced electromotive force within the specified range.

Power Cable； Fault； Safety

2017年1月

潘英吉(1979— )，男，碩士，高級工程師，主要從事自動化工程控制、太陽能發(fā)電和繼電保護(hù)等工作， E-mail： 13009150955@126.com

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