國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 謝 偉 方 祺 張樹欣

城市化的推進加快，地區(qū)之間電力輸送日益增加，高壓電纜輸電線路長度和負荷也日益增加，特別是110kV及以上單芯高壓電力電纜需求量得到了大幅度的上升，相應(yīng)的電纜承受的負荷也不斷提高?；诖爽F(xiàn)狀，大規(guī)模單芯電纜引起的金屬護套接地電流現(xiàn)象也更加明顯。此問題的存在也得到了更多的重視。根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定，高壓電力電纜的金屬層上的任意點的非直接接地處的正常感應(yīng)電勢最大值應(yīng)該在要求的范圍內(nèi)。當(dāng)存在一定的觸碰危險時數(shù)值不得高于50V，此外均不得高于300V。就高壓電纜而言，內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用的為單芯結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合對電磁學(xué)原理知識的分析，可知此會造成金屬護套會產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓。所以，高壓電纜金屬護套存在的感應(yīng)電壓是無法杜絕的，需要進行有效的應(yīng)對，保障電纜正常運行。

通常情況下，會采用分段接地的策略來減輕感應(yīng)電壓帶來的影響。在實際工程現(xiàn)場中，假如存在不恰當(dāng)?shù)慕拥夭僮?，將會進一步引發(fā)較嚴(yán)重的接地電流出現(xiàn)。接地電流會影響到電纜線路的正常使用。一是會影響輸電線路功能的發(fā)揮，二是會促使主絕緣性能受損，降低電纜的使用年限。所以有效且合理的接地操作、降低環(huán)流，對保障電纜的正常使用具有關(guān)鍵性意義。如果在電纜的終端處、中部接頭護層處和接地電纜之間的連接存在接觸不良的情況下，會造成連接位置出現(xiàn)高溫，進而會引發(fā)電纜異常，因此通過高壓電纜的接地電流可以衡量出電力電纜的工作情況。

基于此，可以對接地電流數(shù)值加以運算來分析高壓電纜的運作概況。本文立足于高壓電纜的構(gòu)成部分，結(jié)合交叉接地方式，描述影響金屬護套接地電流數(shù)值的幾個要素，即接地、排列方式以及負荷情況與運作概況。通過這些層面的分析，構(gòu)建出單芯電纜護套接地電流計算的數(shù)學(xué)模型。

1 高壓電纜的結(jié)構(gòu)及接地方式分析

1.1 高壓電纜的結(jié)構(gòu)分析

在高壓輸電電纜中由于交聯(lián)聚乙烯（XLPE，Cross Link_ed Polyethylene）具有較好的供電路可靠性、環(huán)境友好等優(yōu)點，在高壓輸電中有著廣泛的應(yīng)用。本文主要結(jié)合以交聯(lián)聚乙烯為代表的高壓電纜進行分析。

高壓電纜的組成要素較多，其中影響到功能發(fā)揮的幾個重要部分為通電線芯、絕緣層與金屬護套。各個構(gòu)成要素說選用的合成材料是不同的，所承擔(dān)的職責(zé)與起到的功能也是具有獨特性的。電纜導(dǎo)體即為線芯，其作用就是完成電流的輸送?；谄湫枰瓿傻呢?zé)任，在材料的選用上，就需要使用在導(dǎo)電功能方面較為良好，且阻抗較低的材料，進而能夠使得電流輸送效率達到最大，降低損耗。此外，對機械強度、成本以及制造產(chǎn)地具有一定的要求。一般會選取鋁或者銅材質(zhì)的線芯。

電纜半導(dǎo)電包帶的作用是將電纜導(dǎo)體、線芯綁扎起來，同時，起到一定的隔離、屏蔽功能，不具備腐蝕性。

電纜的導(dǎo)體屏蔽選取的材料不會是金屬材料，一般情況下，會選取半導(dǎo)體材料來完成對導(dǎo)體的覆蓋。此種形式的材料通常需要進行擠包處理。在進行擠包操作時，需要考慮電纜中的絕緣材料是否與處理后的半導(dǎo)體材料連接緊合?，F(xiàn)階段，在工程現(xiàn)場中應(yīng)用較多的為交聯(lián)型的導(dǎo)體屏蔽材料，而要使得半導(dǎo)體材料包裹導(dǎo)體具有較高的質(zhì)量的話，就需要對實現(xiàn)均勻包裹。如果要達到均勻的包裹，就需要電纜的表面較為光滑，這也就意味著導(dǎo)體表面不存在較多毛刺、顆粒物體或者受損痕跡等。

高壓電纜輸送電能的導(dǎo)體上的屏蔽的功能就是調(diào)節(jié)導(dǎo)體附近電場的分布。因為絕緣層無法完全貼合導(dǎo)體，二者之間會存在一定的縫隙，同時導(dǎo)體的表面難以達到理想狀態(tài)下的光滑狀態(tài)，所以將造成電場的局部過大。此現(xiàn)象的出現(xiàn)無疑會損害絕緣性能。所以，就要求對導(dǎo)體表面加以處理，通過覆蓋半導(dǎo)體屏蔽材料的方式，能夠使得導(dǎo)體與絕緣層間存在的縫隙被填充，進而實現(xiàn)二者間的高度貼合，基于此，最終會使得導(dǎo)體附近的電場達到均勻分布的狀態(tài)，優(yōu)化了局部放電電壓，降低二者間形成放電現(xiàn)象的可能性。同時，選用的半導(dǎo)體材料的構(gòu)成中含有一定的碳元素，而碳元素能夠?qū)㈦婋x的破壞物吸附起來，進而可以促使電場的均勻化分布目標(biāo)的達成。在此基礎(chǔ)之上，也進一步使得絕緣功能得以提升，提高電纜的使用壽命。

電纜的絕緣層的目標(biāo)即為電氣隔離，其能夠?qū)⒗w芯中存在的高壓和絕緣層外部隔離開來。絕緣層不僅要能夠應(yīng)對高壓，也需要面對局部放電現(xiàn)象，所以，在材料的選取上要考慮耐高壓、穩(wěn)定特性優(yōu)良的材料。通常而言，絕緣層中選用的材料類型為高阻值的材料，例如聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯等諸多種類，其中，在實際現(xiàn)場中應(yīng)用較多的材料為交聯(lián)聚乙烯。由于電纜絕緣層表現(xiàn)出的耐高壓、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等多種優(yōu)勢，所以，能夠提高電纜的正常運行狀態(tài)。此種屏蔽層屬于內(nèi)屏蔽層。

高壓電纜局部放電現(xiàn)象的出現(xiàn)還受到另外現(xiàn)狀的影響，即交聯(lián)聚乙烯絕緣層與高壓電纜金屬護套無法始終確保完全的貼合狀態(tài)，二者間出現(xiàn)間隙的情況下，局部放電現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性也就會增大。所以在生產(chǎn)電纜時，可以在電纜絕緣層的表面覆蓋半導(dǎo)體材料的屏蔽層，其屬于外層屏蔽層。通過此種操作，能夠?qū)⒔^緣層和金屬護套間的間隙進行有效填充，基于此，可以使得絕緣層和金屬護套的電位達到等勢狀態(tài)，進而能夠降低局部放電現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。

1.2 高壓電纜接地方式分析

現(xiàn)在高壓電纜接地中常用的有四種方式，分別是單端接地方式、雙端接地方式、中點接地方式和交叉互聯(lián)接地方式。

單端接地方式。常用在供電下路較短的線路中，將高壓電纜金屬護套的一頭直接進行接地，另一頭接入到高壓電纜保護器后進行接地。這種接地方式在高壓電纜金屬套和大地之間沒有回路，就不會差生接地電流，在運行中，高壓電纜金屬護套中由于沒有接地電流就不會出現(xiàn)發(fā)熱的情況，可以提高高壓電纜的載流量。但是在經(jīng)過保護器接地端感應(yīng)電壓較高，容易對高壓電纜的絕緣層造成破壞，而且線路越長感應(yīng)電壓越高，影響到工作人員的安全，所以這種方式只適用在輸電線路較短的高壓電纜中。

雙端接地方式。指的是輸電電纜的金屬護套的兩端位置處，不與護套保護裝置進行連接，而是與地加以相連。此種連接方案節(jié)省了保護器，降低了成本的同時還減少了對保護器的維護，具有較高的經(jīng)濟性，但是這種接地方式會在高壓電纜金屬保護套中形成較大的接地電流，要求電纜線芯中的流過的電流不能過大，適用于保護套接地電阻較大的低壓電纜。

中點接地方式。在單端接地方式的基礎(chǔ)上，如果高壓輸電線路超過500m，造成非直接接地端的感應(yīng)電壓較大，可以將兩個單端接地方式合并，將高壓電纜保護金屬套兩端直接接地，將線路的中點經(jīng)金屬保護套接地。

交叉互聯(lián)接地方式。在高壓電纜的實際設(shè)計中，一般都是利用三角性排列的鋪設(shè)方式，在線路需要轉(zhuǎn)彎的地方和保護套進行交叉連接，這樣由于接地電路很小，不會對高壓電纜的運行造成影響，交叉互聯(lián)接地方式現(xiàn)在是應(yīng)用最廣泛的連接方式。

2 高壓電纜接地電流產(chǎn)生與計算模型研究

2.1 高壓電纜接地電流產(chǎn)生原因

高壓電纜的線芯中的電流會產(chǎn)生交變的磁場，在磁場中的高壓電纜金屬套內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。雖然利用電纜的交叉互聯(lián)方式能夠有效降低高壓電纜金屬保護套上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。但在高壓電纜的實際鋪設(shè)中，由于受到環(huán)境的限制，很難保證電纜的每個小段都是完全一致的，會造成在鋪設(shè)的過程中電纜的排列方式有一定的差異；還有就是在電纜排列的方式上相同，也難以保證電纜的長度相同，所以在高壓電纜的金屬護套上會產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，利用交叉互聯(lián)的方式只能降低感應(yīng)電壓。

就是在正常的運行中高壓電纜金屬護套上也會有接地電流，只是接地電流的幅值較小，不會對高壓電纜的安全運行造成影響，但是如果高壓電纜的的絕緣受到破壞，存在絕緣老化、化學(xué)腐蝕以及外力破壞等就會造金屬護套存在多點接地的情況，破壞了高壓電纜金屬護套的交叉互聯(lián)接地方式，金屬護套中的感應(yīng)電壓就會增大，導(dǎo)致接地電流也會增加，影響高壓電纜的安全運行。

在電纜交叉互聯(lián)箱中如果出現(xiàn)故障也會導(dǎo)致接地電流增加，特別是交叉互聯(lián)的接線方式不一致，會造成換相失敗，增大接地電流。如果電纜的接頭的絕緣隔板被擊穿、護層保護器被擊穿、交叉互聯(lián)箱金屬進水等也會造成接地電流增加。

2.2 高壓電纜接地電流計算模型

對高壓電纜的接地電流進行計算，結(jié)合交叉互聯(lián)接地方式建立高壓電纜的等效電路如圖1所示。

圖1 高壓電纜交叉互聯(lián)接地等效電路圖

在圖1的等效電路中，Rd1和Rd2是高壓電纜金屬護套兩端接地電阻阻值，Rd是高壓電纜的接地區(qū)域的大地漏阻，ISA、ISB和ISC分別代表的是高壓電纜A、B和C相金屬護套上的感應(yīng)電流，ZAi、ZBi和ZCi是高壓電纜排列后各個小段的金屬護套的自阻抗，Im是大地的漏電流，USAi、USBi和USCi表示的是高壓電纜金屬護套上的感應(yīng)電壓，UTAi、UTBi和UTCi表示的是感應(yīng)電流和大地漏電流引起的感應(yīng)電壓，i是數(shù)字1、2和3。

根據(jù)電磁感應(yīng)可以得到高壓電纜金屬護套的感應(yīng)電壓的計算式為：

在式（1）中，rse是大地漏電流和金屬護套之間的距離，它的大小受到大地磁導(dǎo)率P的影響的。利用Xab、Xbc和Xac對高壓電纜A、B和C相金屬護套上的互感抗進行表示，req表示三相金屬套與大地的互感抗，可以得到：

代入式（1）中，進行化簡，可以得到：

根據(jù)高壓電纜電流計算式知道：

經(jīng)過整理可以得到：

可得到高壓電纜金屬護套接地電流的計算式為：

根據(jù)上述可以知道，只要得到高壓電纜中線芯電流的大小就可以計算做出接地電流。

3 基于接地電流的高壓電纜狀態(tài)評估

假如電纜接地系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)下，按照理想情況，接地電流測量出的數(shù)值和計算得出的數(shù)值是一致的。不過在實際工程現(xiàn)場中，電纜的排列情況如電纜間的距離、長度偏差、電容電流的變化，均會給數(shù)據(jù)采集帶來一定的干擾性，這就會促使計算得出的結(jié)果存在一定的誤差。所以，使用絕對值來衡量電纜接地狀況需要進行考慮。

當(dāng)電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用過程中產(chǎn)生不平衡狀態(tài)下，結(jié)合水平排列以及品字形排列的S/d數(shù)值大小，能夠得出三相同時取得平衡或者不平衡。這種不平衡在疊加到原有系統(tǒng)上時，同時改變?nèi)嘟徊婊ヂ?lián)接地電流的大小，所以只要在ABC相接地電流之間的大小趨勢與軟件的電流計算值相對應(yīng)，基本就可以斷定該電纜的接地系統(tǒng)是正常工作的。假如計算存在一定偏差情況的話，那么通常這些偏差的出現(xiàn)是由于排列方式參數(shù)準(zhǔn)確程度不高或者存在的微弱電容電流值。