高压单芯电缆回流线的作用、选型和布置.doc

高压单芯电缆回流线的作用、选型和布置齐道坤，王绍辉（1. 平顶山电力设计院，平顶山467001；2. 河南博慧方舟咨询发展有限公司，郑州450052）摘 要：高压单芯电缆当电缆载流量较大、线路较长时，其金属护层上的感应电压，可能危及生命和电网安全。为了降低金属护层的感应过电压，电力工程电缆设计规范规定了金属护层的互联接地方式：电缆金属护层两端直接接地、电缆金属护层交叉互联、电缆金属护层单点接地。对于带回流线的单点接地方式，规程就回流线的选型、布置和接线方式并未做出具体说明。为此本文通过等效电路图和算例说明了回流线的作用，通过公式推导，对是否需加回流线，及其选型和布置做出了说明，具有较高的实用价值。关键词：高压单芯电缆；单点接地；回流线；选型；布置中图分类号：TM862the Function、Selection and Assignment of the High-voltage Single-core CableQI Dao-kun，WANG Shao-hui(1. Pingdingshan Electric Power Design Institute，Pingdingshan 467001，China；2. Henan Bohui Fangzhou Consulting Development Ltd. Com，Zhengzhou 450052，China；）Abstract: To the high-voltage single-core cable, the induced voltage on nursing metal layer is likely to endanger the lives and security of power grids when the cable carrying capacity is larger and lines are longer. To decrease it, code for design of cables of electric engineering has provided the grounding of the metal layer. To single-point grounding with auxiliary ground wire, code doesnt provide the specific explain to model selection, assignment and connection mode of auxiliary ground wire. So the paper shows the role of the back line through the equivalent circuit diagram and example, and explains the need, model selection and assignment of auxiliary ground wire through derivation of formula, has high engineering values.Key words: High-voltage single-core cable；Single-point ground；auxiliary ground wire；Selection of Model；Assignment0 引言高压单芯电缆的截面一般由金属导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、垫层、金属护套和外护层等组成。在电缆长度和线芯截面积较大情况下，尤其是系统发生短路故障时，感应电势可能达到很大数值，危及人身安全甚至造成电缆运行事故。为了降低金属护层的感应过电压，电力工程电缆设计规范规定了金属护层的互联接地方式：电缆金属护层两端直接接地、电缆金属护层交叉互联、电缆金属护层单点接地。根据规程，线路不长且线路的正常感应电势最大值满足要求时，可采取单点接地；当线路较长时，单点接地无法满足要求时，低压电缆可采用两端直接接地，否则采取交叉互联接地。对于带回流线的单点接地方式，规程就回流线的选型、布置和接线方式并未做出具体说明。为此本文通过等效电路图和算例说明回流线的作用，通过公式推导，对是否增设回流线进行判断，并对回流线的选型和布置做出说明。1 公式推导添加回流线的系统简图，如图1所示。由于两相和三相短路时短路电流不以大地为回路，回流的路径较近，短路电流在金属护套上的感应电压就比较小，而且护套不接地端的对地电压也不受地网接地电阻的影响，因此护套及保护器所受最高电压一般出现在电网单相接地故障时（特别是当短路电流较大或地网接地电阻较大时）。以下分三种情况，进行分析：系统中性点BA回流线CA护层接地保护器图1系统简图Fig. 1 Simplify map of the system （1）无回流线情况下：A相发生单相接地时，单相短路回路电流经过大地返回D点。等效电路图如下图所示：图2无回流线时等效电路图Fig. 2 Equivalent circuit diagram without auxiliary ground wire 则系统短路时产生的工频感应过电压为： （1）其中：金属层单点接地处的接触电阻（）； 金属层和大地间的互感应电抗（）； 大地的漏电电阻（）； 地中电流穿透深度； 电缆金属层的平均半径（）；电缆线路计算长度（）；当SVL（护层电压限制器）设置于线路中央或者设置于两侧终端而在线路中央直接接地时，为两侧终端之间线路长度的一半；短路电流（），为工作频率（）。（2）有回流线，但回流线与电源中性线接地的地网未连通的情况下：接地电流以回流线或金属护套为回路，等效电路图如下图所示：图3有回流线但与地网未连通时等效电路图Fig. 3 Equivalent circuit diagram with auxiliary ground wire and not connecting with network 则系统短路时产生的工频感应过电压为： （2）其中：回流线电阻（）；分别为短路电流流经金属层、回流线产生的互感应电抗（)； 回流线至电缆导体的距离（）；回流线导体的半径（）。（3）回流线与电源中性线接地的地网连通的情况下：接地电流一部分以大地为回路，另一部分以回流线或金属层护套为回路。等效电路图如下图所示：（1） （2） 图4有回流线且与地网连通时等效电路图（1）回流线有导通电流 （2）回流线无导通电流Fig. 4 Equivalent circuit diagram with auxiliary ground wire and connecting with network(1)Turn-on current in auxiliary ground wire (2) Without turn-on current in auxiliary ground wire其中：通过回流线直接返回的接地电流，又称回流线的电导电流； 回流线上感应电压所形成的以大地为回路的循环电流； A相护套和发生接地故障的线芯以大地为回路的互阻抗， 回流线以大地为回路的自阻抗，A相护套和回流线以大地为回路的互阻抗，护套上的工频感应过电压：，对于图4（1）可列出方程：则： （3）其中： 回流线两端的接地电阻（）。2 算例分析110kV九里山电缆工程设计施工条件：采用直埋于土壤中的单芯交联聚乙烯电缆，土壤电阻率，大地的漏电电阻，导体电缆金属层单点接地处的接地电阻，导体电缆金属层外径87.2，电缆长度，回流线离A相间距为，回流线电缆参考外径，回流线电缆电阻，短路电流。计算结果如下：情况金属层感应电压（）无并行回流线23.46有回流线，但不和地网接通2.80有回流线，且和地网接通0.488通过计算，可以看出在单相接地故障情况下，不设回流线时的过电压值达到了24.86。如此高的过电压是电缆护层绝缘及保护器所无法承受的。在布置有回流线的情况下，感应电压则下降到了1.23，效果十分明显。3 回流线选型及布置通过前面的分析，是否需要添加回流线应根据公式（1）的计算结果判断：如果感应电压超过保护器的承受范围，则需要加回流线；反之则不加。对于回流线型号的选择，通过（2）式可以看出，回流线电阻在感应电压中占有相当的比重，所以在进行回流线导体的选择时，其导体的电阻值要小于回流线自然接地电阻的1/30。通过计算分析，回流线上的电压相对较低，一般其绝缘等级可按10配置。回流线的截面则应按流过电缆的系统短路电流进行选择和热稳定校验。回流线的布置要满足电力工程电缆设计规范的要求，在三相电缆之间按“三七开”布置并两端接地。此外经过对等效电路图的分析，可知要使回流线真正发挥作用，必须保证：（1）回流线一端和电缆的金属护套的可靠连接；（2）回流线另一端和变压器中性点间的可靠连接。这两点在施工过程中要格外留意。4 结论实际工程中，在不宜采用交叉互联方式，仅靠降低接地电阻又很难满足电缆单相接地故障时的过电压保护要求时，采用单端接地并加回流线的方式，能较好的满足设计规程要求，并因减少由于交叉互联的安装对电缆护层的破坏，从而提高了电缆线路运行的可靠性。而合理的选择回流线的材质、绝缘等级和布置方式，并确保其电气连接的正确性，则是回流线真正起到保护作用的重要保证。参考文献1 谢宝星.高压单芯电缆接地回流线的功能和应用J.水电站机电技术,2006,29(1)：22-23. XIE Bao-xing. the Function and Application of the High-voltage Single-core CableJ. Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station. 2006,29(1)：22-23.2 郑肇骥.高压电缆线路M. 北京：水利电力出版社.19833 高压电缆选用导则S.北京：中国海洋出版社.20024 郑肇骥,王焜明.高压电缆线路M.北京:电力水利水电出版社,1983.5 Gustavsen B, Irwin G, Mangelrod R, et al. Transmission line models for the simulation of interaction phenomena between parallel AC and DC overhead linesC. IPST 99 Proceedings. 1999:61-67.6 电气工程设计手册S. 北京：中国电力出版社,20