董書發(fā)，馬仕躍

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FPSO中高中壓單芯電纜金屬護套接地方式的研究

董書發(fā)，馬仕躍

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

本文介紹了單芯電纜金屬護套常見的接地處理方式，分析感應(yīng)電壓產(chǎn)生的原因。金屬護套的感應(yīng)電壓除了和運行負荷的工作電流，電纜排列的方式，線芯的間距有關(guān)，還與供電回路數(shù)量，護套的接地方式選擇有關(guān)。最后，結(jié)合巴油P70項目采用電纜的參數(shù)及分析計算，指出實際敷設(shè)中應(yīng)采用三角型排列，金屬護套采用單端接地處理方式。

電力電纜 護套接地 感應(yīng)電壓 排列方式 海洋平臺

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,海洋平臺及FPSO對電力容量的需求越來越大，三芯電纜已無法滿足設(shè)備對電容量的需求，大量的高、中壓單芯鎧裝電纜被廣泛采用。由于受平臺或FPSO空間的限制，大量的電纜敷設(shè)于不銹鋼或玻璃鋼托架內(nèi)，為保證作業(yè)人員的人身安全及電纜的安全運行，需對電纜鎧裝層及屏蔽層接地，選擇何種接地方式將至關(guān)重要。

1 接地方式

金屬護套接地是指將鋼鎧和銅屏蔽層接地，但在實際接地中為了便于檢測電纜內(nèi)護套的好壞，有時會將鋼鎧和銅屏蔽層分別接地。本文中金屬護套接地包含鎧裝和銅屏蔽層接地。常見的單芯交流電纜的金屬護套的接地方式[1-2]有以下幾種：

1.1 單端接地

當(dāng)線路不長可采取單端直接接地，如圖1(a)所示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生雷擊或短路故障時，受沖擊電壓的影響，金屬護套及屏蔽層將會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的數(shù)值遠遠超過電纜正常工作電壓數(shù)倍，可能會將電纜護套的絕緣護套擊穿，造成電纜的金屬護套多點接地，因各個接地點位置不同，電位也將不同，之間存在電位差，與大地構(gòu)成回路而護套中出現(xiàn)接地環(huán)流。由于金屬護套及屏蔽層電阻阻值比較小，產(chǎn)生的環(huán)流較大，可能達到電纜導(dǎo)體輸電電流的1/3，金屬護套將會產(chǎn)生發(fā)熱，電纜的載流量也將會受到影響，若該電流持續(xù)時間較長，發(fā)熱將會使電纜絕緣老化，降低電纜的使用壽命，造成電能的損耗。

1.2 中點接地

當(dāng)電纜長度較長時，若電纜線路采用單端接地，金屬護套因工作電壓而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓將不滿足設(shè)計規(guī)范要求[3]，為降低感應(yīng)電壓，可以在電纜線路的中點將電金屬護套進行單點接地，而金屬護套的兩終端采用保護器接地方式，如圖2(b)所示，中點接地可看作兩個單端接地。采用此接地方式可保證感應(yīng)電壓不超過50 V，滿足規(guī)范要求。

圖1 接地方式

1.3 兩端接地

兩端接地即全接地方式，如圖1(c)所示。當(dāng)電纜長度較短，負荷較小時，可將金屬護套兩端直接接地方式，接地兩端也不采用保護裝置。若金屬護套兩端直接接地，金屬護套、大地將構(gòu)成一個回路，在電纜正常運行時，金屬護套因受交變的電流影響，將在金屬護套中產(chǎn)生感應(yīng)電壓進而形成環(huán)流及相應(yīng)損耗。有文獻指出，若用此種接地方式，在高壓電纜回路中產(chǎn)生的環(huán)流數(shù)值高達電纜導(dǎo)體電流的50%以上，甚至更高。因此，電纜金屬護套兩端接地一般不用，僅適用于極短電纜和小負載電流線路中。

1.4 交叉互聯(lián)接地

若線路較長，可采取交叉互聯(lián)接地，如圖2所示。電力電纜在運行時A、B、C三相電壓相位差為120°，在每相的金屬護套中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也相差120°，若將三相電壓矢量相加，結(jié)果等于0。交叉互聯(lián)接地是利用三相電壓矢量和為零，將每相線路分成三或三倍數(shù)段，然后利用互聯(lián)箱進行交叉連接，感應(yīng)電壓將相互抵消，再通過護套保護器接地處理，電纜兩端的金屬護套直接接地處理。若將電纜線路合理的分配成等長段，三相線路嚴格對稱，可實現(xiàn)理想的交叉互聯(lián)，每相護套內(nèi)的感應(yīng)電壓為零，電纜兩端的接地電位差也為零。采用此方案，可提高電纜的輸電容量，保證電纜的可靠運行。

圖2 交叉互聯(lián)接地

電纜的金屬護套采用不同接地方式的目的是降低及消除感應(yīng)電壓，確保巡視及檢修人員的人身安全。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，交流單芯電力電纜的金屬護套，必須直接接地，且在金屬護套上任一點非接地處的感應(yīng)電壓應(yīng)滿足以下要求：在未采取安全措施時，感應(yīng)電壓不得大于50 V；在采取安全措施時，感應(yīng)電壓不得大于100 V。其他部位對地不構(gòu)成電流回路，減少及消除環(huán)流，只有這樣才能提高電纜的傳輸容量及電纜的運行安全。表1給出不同接地方式優(yōu)缺點對比表。

表1 接地方式對比

2 感應(yīng)電壓分析

在交流傳輸系統(tǒng)中，從單芯電纜的導(dǎo)體及金屬護套的結(jié)構(gòu)上，可以看成為一個空芯變壓器，電纜的金屬導(dǎo)體為變壓器的一次繞組，金屬護套為變壓器的二次繞組，金屬導(dǎo)體流過交變的電流，產(chǎn)生交變的磁場，在交變磁場中的金屬護套也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若電纜長度較短時感應(yīng)電壓的數(shù)值不大，若長度較長時因感應(yīng)電壓的疊加，數(shù)值將會很大，可能會危及作業(yè)人員的人身安全。當(dāng)護套與大地形成通路時，護套中的感應(yīng)電壓將會在護套中形成環(huán)流，消耗電能，并引起電纜發(fā)熱，特別是在高壓及超高壓電纜線路中，護套損耗對線路的載流量造成很大的影響[4-6]。

在圖3中，1、2、3分別為A、B、C三相各個金屬護套之間的間距。為了便于分析，在三相負荷電流平衡的電纜線路中，將同芯的金屬護套O看作鄰近的平行導(dǎo)線。在圖3中，為A相電纜金屬護套幾何半徑；3為與C相間距；1為A相金屬護套與B相間距，2為B相金屬護套與C相間距，單位為mm。設(shè)A、B、C相通過的電流為：

根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，在A、B、C三相金屬護套中產(chǎn)生的磁通分別為：

在式2中，s為假想的平行導(dǎo)體O的幾何半徑，≈s,根據(jù)公式1三相電流關(guān)系及公式2磁通與電壓之間的關(guān)系，可得三相中的感應(yīng)電壓為:

圖4 單芯電纜排列方式

根據(jù)式（3）可知，每一相產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與每相之間的線芯距離，線路的負載電流相關(guān)。當(dāng)金屬護套、大地構(gòu)成回路時，因感應(yīng)電壓的存在，金屬護套上會產(chǎn)生電流即環(huán)流。同時，受電纜構(gòu)成及結(jié)構(gòu)的影響，單芯電纜線芯與金屬護套構(gòu)成一個電容器，中間介質(zhì)為電纜主絕緣層，在金屬護套中，還包含泄漏電流、充電電流。后兩種電流的大小主要受電纜線芯與金屬護套之間的電壓及電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素的影響，與電纜三相排列方式與金屬護套接地方式無關(guān)。實際工程中常見的電纜排列方式如圖3所示，包括直角排列，三角排列和水平排列。

在巴油P70項目中，采用的單芯高壓電纜為15 kV交聯(lián)聚乙烯單芯鎧裝300 mm2，負荷電流500 A,電纜軸間距44.2 mm，金屬護套平均半徑18.6 mm，根據(jù)公式3計算可得，各電纜排列方式對應(yīng)的每相感應(yīng)電壓如表2。

表2 不同敷設(shè)方式感應(yīng)電壓數(shù)值

敷設(shè)方式感應(yīng)電壓V/km USAUSBUSC 三角27.227.227.2 直角34.327.234.3 水平42.427.242.4

由表2可知，在單芯電纜金屬護套中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，不但取決于電纜的負荷電流，同時也受三相單芯電纜的排列方式及傳輸線路長度的影響。此外，根據(jù)相關(guān)文獻護套中的感應(yīng)電壓還與附近線路的排列方式，有無回流線，回流線的根數(shù)，線路回路數(shù)有關(guān)[7-9]。在金屬護套中的環(huán)流，受感應(yīng)電壓、接地電阻，金屬護套的阻抗等參數(shù)影響。

3 結(jié)語

單芯電纜金屬護套接地方式的選擇將直接影響著電纜的安全運行，采取合適、正確的接地方式，不僅能提高電纜的傳輸容量，降低工程成本，而且對設(shè)備的運行、維護有著重要的意義。因此，在電纜線路設(shè)計及施工中，應(yīng)合理的選擇接地方式。此外，對于單芯電纜，為減少渦流等因素的影響，設(shè)計及選擇時不應(yīng)采用未經(jīng)磁化處理的金屬鎧裝護套。通過對中高壓單芯電纜采用不同排列方式及感應(yīng)電壓的計算分析并結(jié)合實際情況，巴油P70項目采用三角形敷設(shè)方式，即將三相電纜通過卡子固定在一起，金屬護套接地采用盤柜側(cè)單端接地，另一端做懸空并做相應(yīng)的絕緣處理。

[1] 鄭肇驥, 王琨明. 高壓電纜線路[M]. 北京: 水利電力出版社, 1993．

[2] 江日洪. 交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008．

[3] GB 50217-2007. 電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 王謙，郝建, 張電，等. 交叉互聯(lián)高壓電纜絕緣故障的理論及仿真分析[J]. 高壓電器, 2014(9): 47-52.

[5] 毛為民. 電力電纜相序阻抗計算與分析[J]. 供用電, 2002, 19(4): 24-25.

[6] 王波，羅進圣，黃宏新等. 220 kV 高壓單芯電力電纜金屬護套環(huán)流分析[J]. 高壓電器， 2009， 45(5): 141-145.

[7] 鄒宏亮, 孫云蓮, 張弛, 等. 多回路電力電纜不同敷設(shè)方式對環(huán)流的影響[J]．高電壓技術(shù), 2016, 42(8): 2563-2570．

[8] 賈欣, 曹曉瓏, 喻明. 單芯電纜計及護套環(huán)流時載流量的計算[J]．高電壓技術(shù)， 2001， 27(1): 25-26．

[9] 田金虎, 劉渝根, 趙俊光, 等. 多回同相多根并聯(lián)高壓電力電纜電流分布及金屬護套環(huán)流計算[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(1): 153-159.

Research on Grounding Mode for High and Middle Voltage Single Core Cable Metal Sheath in FPSO

Dong Shufa, Ma Shiyue

（Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China）

TM75

A

1003-4862（2019）01-0040-03

2018-08-18

董書發(fā)（1984-），男，工程師。研究方向：機電一體化及海洋平臺建造。E-mail：dongsf@mail.cooec.com.cn