張小洪

（福州電力設計院有限公司，福州 350007）

引言

眾所周知，陸地高壓單芯電纜都設有一層鋁或鉛材料的金屬護套，當線芯通電后會在金屬套上產(chǎn)生感應電壓。為避免金屬套形成環(huán)流，在線路長度較短或分段不能均勻情況下，會采用單端接地方式。在系統(tǒng)短路時電纜金屬套產(chǎn)生的工頻感應電壓超過護套絕緣耐受強度或護層電壓限制器的工頻耐壓、需抑制電纜對鄰近弱電線路的電氣干擾強度時，需沿電纜鄰近設置平行回流線[1]。由于回流線的安裝位置、數(shù)量的不同對金屬套感應電壓影響不同，本研究以單回線路單根回流線及雙回線路共用一根回流線為例計算分析回流線對金屬護套感應電壓的影響。

1 工頻感應電壓計算原理

圖1為單芯電纜金屬護套至各相線芯之間的中心距離表示法。

圖1 單芯電纜金屬護套至各相線芯之間的中心距離表示法

按電工原理可得A、B、C三相金屬護套上的縱向感應電勢為：

式（1）為單回電纜的正常感應電壓計算公式。對于任意多回電纜，可按此原理進行推導，但推導出來的公式不易用于計算機計算。由于感應電壓也遵循疊加原理，可將任意多回電纜感應電壓計算表示為：

式中：Ei為計算相電纜金屬護套感應電壓，V/km；φi為計算相電纜金屬護套上產(chǎn)生的總磁通，V/km；In為第n相電纜的電流，A；Dn為第n相電纜到計算相電纜之間的中心距離，m；GMRi為計算相電纜金屬護套幾何平均距離，m。

2 加回流線后正常工頻感應電壓計算

電纜附近安裝有一非磁性平行導體的回流線p時，可按式（2）計算出各電纜對回流線p產(chǎn)生的感應電壓。由于回流線兩端接地，會產(chǎn)生一個以大地為回路的電流Ip，同時，這個電流也會對各電纜的護套感應出電壓，當不計回流線的接地電阻時，回流線上的電流：

于是可得到回流線對計算回路的感應電壓分別為：

將式（4）計算結(jié)果分別與式（2）計算結(jié)果相加，得到因加裝了回流線后各相電纜的護套感應電壓。

3 事故時的感應電壓計算原理

系統(tǒng)事故類型分為三相短路、相間短路及單相接地短路。單相接地短路故障約占65%，三相短路故障約占5%[7]，且一般單相接地時的感應電壓為最高。因此，重點分析單相接地短路時對護套的影響。單相接地短路電流按回流方式不同主要有：①接地電流全部以大地為回路（即不裝回流線情況）；②接地電流全部以電纜護套或回流線為回路；③接地電流部分以大地作為回路，另一部分以護套或回流線為回路?；芈肥疽鈭D分別見圖2～4，計算公式分別見公式（5～11）。

圖2 接地電流全部以大地為回路

圖3 全部以電纜護套或回流線為回路示意圖

圖4 部分以大地作為回路，另一部分以護套或回流線為回路示意圖（回流線未接進電源點）

式（5～11）中：IF為單相接地短路電流，A；Rg為大地電阻π2f × 10‐4，Ω/km；R為接地電阻，Ω；L為電纜長度，km；Rp為回流線電阻，Ω/km；GMRS為金屬套幾何平均半徑，m；GMRc為電纜線芯幾何平均半徑，m；GMRp為回流線幾何平均半徑，m。

4 電纜計算參數(shù)

表 1 為 ZB‐YJLW03‐Z 127/220 1×2500 電纜主要參數(shù)，表 2為ZR‐JDYJV 8.7/10 1×300電纜主要參數(shù)。

表1 ZB‐YJLW03‐Z 127/220 1×2500電纜主要參數(shù)

表2 ZR‐JDYJV 8.7/10 1×300電纜主要參數(shù)

5 感應電壓計算分析

根據(jù)上述計算原理，利用電子計算機，假定電纜線芯最大負荷電流1970 A，其他電纜負荷電流1000 A，大地電阻率為 50 Ω·m、回流線電阻為0.060 1 Ω/km，按單雙回路不帶回流線、帶回流線(三七布置)、帶回流線(任意布置)等方式進行理論計算，其簡圖如圖5～10所示。

圖5 單回不帶回流線（三七布置）

圖6 單回帶回流線

圖7 單回帶回流線（靠邊布置）

圖8 雙回不帶回流線

圖9 雙回帶回流線(一)

圖10（a/b)雙回帶回流線(二)

5.1 正常感應電壓計算結(jié)果及分析

表3所列為單回路正常感應電壓,表4所列為雙回路正常感應電壓(第2回路)。

表3 單回路正常感應電壓

表4 雙回路正常感應電壓（第2回路）

三種情況下單回路正常感應電壓均超過了GB 50217中規(guī)定的在未采取能有效防止人員任意接觸金屬套的安全措施時不得大于50 V的要求，但都未超過300 V，因此，人員進入電纜敷設場所時應采取帶絕緣手套、穿絕緣鞋等安全措施。

單回路情況下三七開布置的帶回流線與不帶回流線工況感應電壓大小并無明顯差異，非三七開布置的帶回流線與不帶回流線工況感應電壓大小未降低，反而明顯升高，因此，在工程應用過程中回流線位置的設置非常重要。

雙回電纜在不帶回流線時，正常感應電壓較單回路電纜感應電壓最大高約10%，可見不同回路相的互感影響較大，回路數(shù)越多影響越大。雙回路帶回流線時，回流線位置設置不同產(chǎn)生的各相感應電壓大小也不盡相同，其中回流線設置于正中間且非三七開布置時的感應電壓最大，回流線設置于電纜附近且采用三七開布置時的感應電壓最小。

5.2 單相短路事故感應電壓計算分析

由于負荷電流對事故感應電壓影響較小，為簡化計算，不計負荷電流及不同回路間的影響。并假定A相短路，接地電阻0.15 Ω，回流線未接近電源點，不同電纜長度、不同短路電流在①接地電流全部以大地作回路；②接地電流以護套或回流線為回路；③部分接地電流以大地為回路情況下的單端接地方式護套感應電壓。其結(jié)果如表5～7所示。

表5 回流線非三七開，If=30 kA時的感應電壓

表6 回流線三七開，If=30 kA時的感應電壓

表7 回流線三七開，If=40 kA時的感應電壓

計算結(jié)果表明，非三七開排列的回流線感應電壓較三七開排列明顯較大。越靠近回流線相的感應電壓越小，反之越大，同時非故障相電纜感應電壓明顯小于故障相感應電壓。接地電流以護套或回流線為回路、部分接地電流以大地為回路較接地電流全部以大地作回路的感應電壓小60%～70%，可見增設了回流線后，感應電壓下降顯著；接地電流以護套或回流線為回路與部分接地電流以大地為回路之間感應電壓相差不大。工程上最常見的是接地電流部分以大地作為回路，另一部分以回流線作為回路的情況。

6 護層電壓限制器技術(shù)參數(shù)

近年來護層電壓限制器廣泛采用氧化鋅閥片加工而成，其具有良好的非線性，同時沒有串聯(lián)間隙，保護特性好。規(guī)程規(guī)定護層電壓限制器在可能最大沖擊電流作用下的殘壓不得大于電纜護層的沖擊耐壓被1.4所除數(shù)值；系統(tǒng)短路時產(chǎn)生的最大工頻感應過電壓作用下，在切除故障時間2 s情況下護層電壓限制器應能耐受；可能最大沖擊電流累積作用20次后，護層電壓限制器不得損壞[1]。表8為護層電壓限制器相關主要技術(shù)參數(shù)。

表8 護層電壓限制器相關主要技術(shù)參數(shù)

護層電壓限制器的工頻耐受電壓大小與耐受時間有關，電壓越高，耐受時間越短。額定電壓下無間隙氧化鋅避雷器的工頻電壓耐受時間特性曲線如圖11所示[4]。圖11中U為避雷器工頻耐受電壓，Ur為其額定電壓，t為耐受時間。由圖11可知，在切除故障時間2 s內(nèi)的避雷器工頻耐受電壓約為其1.18倍的額定電壓。因此，由表8可知常規(guī)護層電壓限制器在2 s內(nèi)的工頻耐壓值并不高，要想獲得更高的工頻耐壓值，需增加氧化鋅閥片，但隨之殘壓值也相應提高，接地箱的外形尺寸也隨之變大。220 kV電纜外護套的沖擊耐壓水平為47.5 kV，導致護層電壓限制器的最大殘壓值不能超過33.9 kV，查護層電壓限制器氧化鋅閥片的性能[5]計算2 s時工頻耐壓值不能超過12 kV。表9為氧化鋅閥片的規(guī)格和性能。

圖11 中性點有效接地系統(tǒng)工頻過電壓、耐受時間特性曲線

表9 氧化鋅閥片的規(guī)格和性能

7 結(jié)論

（1）2500 mm2陸地電纜在允許輸送電流、常規(guī)分段長度情況下正常感應電壓均未超過規(guī)程規(guī)定的300 V要求，但都超過50 V，人員進入電纜敷設場所時應采取帶絕緣手套、穿絕緣鞋等安全措施，小于2500 mm2的陸地電纜在常規(guī)分段長度情況下正常感應電壓不會超過規(guī)定值。

（2）系統(tǒng)正常運行時，各回路對計算回路的正常感應電壓影響較大，不可忽略。

（3）回流線的布置方式對感應電壓大小影響較大，推薦采用三七開布置，多回路共用1根回流線時，因設置位置不同產(chǎn)生的感應電壓大小不同，應根據(jù)實際情況具體計算分析，合理確定設置位置。

（4）接地電流全部以大地作回路的感應電壓最大，全部以護套或回流線為回路的感應電壓最小，部分以大地為回路的感應電壓大小在兩者之間并略大于全部以護套或回流線為回路的感應電壓。

（5）220 kV電纜線路用的護層電壓限制器在短路時間2 s時的工頻耐壓值不能超過12 kV。對于單相短路電流超過30 kA，分段長度超過400 m的2500 mm2電纜線路均建議設置回流線，護層電壓限制器的工頻耐壓要求應根據(jù)工程實際計算確定。