09-大截面电缆线路接地方式

大截面电缆线路接地方式 ０ 前言 自从在北京的一些变电站内采用1600mm2单芯大截面电缆以来，根据电缆线路在实际运行过程中出现的种种问题，对接地方式进行了持续的改进。首先，象其他10kV电缆线路一样，采取的是两端直接接地的方式运行，由于较大的载流量在金属屏蔽中感应出较高的感应电压，形成了很大的环形电流。这一环形电流的存在，不仅引起电缆整体温度的升高，直接影响电缆线路的允许载流量，而且引起金属屏蔽层的电化学腐蚀，轻者加速绝缘老化，缩短电缆的使用寿命，重者导致电缆击穿，使电缆线路退出运行，特别是经过较长时期的运行以后，由于各种原因使电缆终端处接地编织带与电缆金属屏蔽层的连接发生松动，产生一定的接触电阻，电流的热效应在局部引起严重的发热，进而烧毁电缆和电缆终端的应力控制管。为了避免形成环形电流，对电缆线路的接地方式进行优化改进，就是采用单端直接接地，另一端悬空不接地的方式。从实际运行效果来看，这一方式虽然大大减少了局部发热的发生，但还时有出现。另外，在悬空不接地的接地线处。电缆线路单端接地，将使电缆金属屏蔽层中出现悬浮电压的可能性增加一倍，也就是说电缆线路的安全性减低了50%，安全风险增加了100%。 为了既能有效降低金属屏蔽中的环形电流，又不降低电缆运行的安全性能，就需要采用更加合理的接地方式，即一端直接接地，另一端经小电阻接地。

1 金属屏蔽中环形电流的分析 如果电缆线路在运行过程中，由于某种原因造成非接地端接地，会形成两端接地的情况，屏蔽层中较大的电流将使接地处出现局部过热而损坏电缆或造成火灾隐患，这种情况在几个变电站中已经出现，必须引起高度的重视。 1.1 现有接地方式 1600mm2电缆线路现有接地采用如图1所示的接地方式，电缆在一端通过接地线直接接地，在另一端做好接地线和绝缘保护后悬空而不接地，相当与单端接地的运行方式。

1.2 金属屏蔽层中的感应电压 2

1 4 3

图1 1600mm2电缆线路单端接地方式示意图 1－电缆；2－电缆终端；3－直接接地线；4－不接地接地线 211

运行中电力电缆，只要导体中有交流电流通过，就会在其金属屏蔽层中感应出电压，感应电压的大小主要与电缆的载流量、金属屏蔽层的几何尺寸、电缆的敷设方式有关。 目前，1600mm2电缆线路一般作A、B、C三相平行排列敷设，B相居中，A、C两相以一定的间距排列其两侧，在此情况下可按下列计算公式求出A、B、C三相电缆单位长度金属屏蔽层中的感应电压AU、BU、CU的有效值。 即： 22ACssmmUUIXXXX

V/m

BsUIX V/m

式中，722(ln)10/ssXmD 72(ln2)10/mXm

D为金属屏蔽层平均外径 mm S为电缆的相间距mm I为电缆的载流量 A。 在工程中常用的电缆中，D为72mm，S＝2D，在实际计算时，取I为电缆的设计载流量，约为1500A，因此：

77422(ln)102ln4102.2210/ssXmD

7742(ln2)10/2ln2101.1110/mXmm

220.441ACssmmUUIXXXX

V/m

0.333BsUIX V/m

由计算结果可知，1600mm2单芯大截面电缆金属屏蔽层单位长度的感应电压是很高的，而且两个边相的比中相的高出很多。 1.3 金属屏蔽层中的环流 当非接地端由于某种原因而接地时，就会在金属屏蔽层和两端接地线构成的闭合回路中有电流通过，此电流的大小应为电缆金属屏蔽层中的感应电压与金属屏蔽层环路中各电阻之和的比值，包括金属屏蔽层的导体电阻R、接触电阻R1和接地电阻Rd。尽管感应电压与电缆的长度成正比，屏蔽层的导体电阻与电缆的长度成正比，而接触电阻和接地电阻与电缆长度无关。在电缆线路不长（基本上都在100m左右）的情况下，屏蔽层的导体电阻相比起来是很小的，所以环流的大小基本上也与电缆的长度成正比。环流的大小可用以下公式进行计算。 Ld+R1AUIRR

 当R1＝0时，金属屏蔽层中通过最大的环流为： maxLIdAURR



变电站内接地系统具有良好的接地网，接地点处接地电阻都不大于0.5Ω，取两端直接接地处接地电阻之和为Rd，则Rd＝1Ω， 按照公司的订货技术条件，1600mm2电缆金属屏蔽层的有效截面积不小于95mm2，取20℃时金属铜屏蔽的电阻率＝0.01724Ω•mm2/m，电阻温度系数α＝0.003931 1/℃，当电缆通过电流为设计载流量值时，线芯温度为90℃，取金属屏蔽层的温度为70℃，此时，100米长电缆的金属屏蔽层的电阻：20.0172412010010.0039317020100=2.171095RS

max0.44110043.20.02171IA

(A)

如果接地线接触电阻AR为20Ω，因为其数值远大于其他两个电阻之和，那么，按照串联回路分压原理，几乎100％的感应电压都将作用在此点上，其消耗的功率为： 22(100)/44.1/10019.4AAPURW

这时 0.4411000.440.02171100IA 2 金属屏蔽中的悬浮电压 2.1 悬浮电压计算 1600mm2单芯电缆主要由导体、绝缘层、金属屏蔽层、外护套和石墨外电极所组成，如图2所示。

当直接接地端由于某种原因而断开时，金属屏蔽层失去接地，电缆的相电压就会施加在由导体和金属屏蔽层以及由金属屏蔽层和石墨外电极组成的两个串联的电容C1和C2上，在金属屏蔽层上就会形成悬浮电压。C1和C2上的电压分别为U1和U2，如图3所示。

1 2 3 4 5

图2 电缆结构示意图 1－导体； 2－XLPE绝缘层；3－金属屏蔽层；4－PVC外护套；5－石墨外电极

金属屏蔽层 导体 外电极 U21 C211

U111 C111

图3 串联电容分压示意图 213

当两个电容串联时，在交流电的作用下，电容上所分担的电压与电容值成反比，即1221UCUC,而U0=U1+U2,所以12012CUUCC＝，虽然电缆的电容C1和电容C2不仅与电缆的结

构有关，而且与电缆的长度成正比，但电容C1和电容C2所对应的电缆长度是相同的，所以电压U1和U2与电缆的长度无关，可用单位长度的电容代入公式计算。 常用电缆的导体外径D1＝49.5mm，绝缘层外径D2＝59.5mm，金属屏蔽层外径D3＝72mm，PVC外护套外径D4＝80mm，XLPE绝缘材料相对介电常数εr1＝2.3，PVC绝缘材料相对介电常数εr2＝5.5。则：

1102111222.38.8559.5lnln49.5694.7()rCDDpF

 2204311225.58.8580lnln722900()rCDDpF

 31

20

12

694.71010694.7290031117CUUCCV＝

2.2 悬浮电压造成的危害和隐患 ⑴ 构成人身安全威胁 金属屏蔽层上有高达上千伏的电压存在，直接对有可能接触到两端悬空点的工作人构成人身触电的威胁。 ⑵ 火灾隐患 在两端悬空点出都有可能形成放电，是引起火灾的大隐患。 ⑶ 击穿PVC外护套 虽然设计的PVC外护套有4.0mm的厚度，能够耐受10kV的试验电压，但PVC吸水率高，抗老化性能差，外护套绝缘性能下降很快，有可能在薄弱点发生击穿，甚至造成电缆的热击穿。 ⑷ 因为PVC的介质损耗要大的多，带悬浮电压长时间运行，会造成电缆过度发热。 3 采用一端直接接地，另一端经小电阻接地的两端接地方式 按照有关设计规程规定，电缆在最大允许载流量的情况下，金属屏蔽层中的感应电压不得超过50V，采取适当绝缘措施后不得超过100V。根据上面的计算，感应电压为44.1V，小于规定值，因此不需要采取其他措施来降低感应电压。 对于单端接地的接地方式，加大了接地点断开的可能性，在金属屏蔽层中产生的上千伏的悬浮电压危害性十分巨大，大大降低了电缆线路运行的安全性能。同时这种方式还有可能演变成非良好接地的两端接地方式，引起局部发热。所以采用有条件的两端接地系统更安全可靠。 经过计算，如果增加一个100～200Ω的小电阻，就可以大幅减小金属屏蔽层中的环流，同时小电阻的发热功率在20W以内，只要选择耐热的金属膜小电阻，就既能控制环流，避免局部发热，又能提高接地的安全可靠性。 综上所述，在10kV -1*1600mm2单芯大截面电缆线路中，宜采用如图4所示的一端直接接地，另一端经小电阻接地的两端接地方式。

4 结论 通过计算和分析，为了在10kV-1* 1600mm2单芯大截面电缆的金属屏蔽层不产生较大的环流，同时又不降低电缆线路的安全可靠性，应当改进现有接地方式，采用一端直接接地，另一端经小电阻接地的两端接地方式。

2 1 4 3

图4 1600mm2电缆线路单端接地另一端经小电阻接地方式示意图 1－电缆；2－电缆终端；3－直接接地线；4－经小电阻接地接地线