高壓單芯電纜回流線的作用選型和布置

1、高壓單芯電纜回流線的作用選型和布置高壓單芯電纜回流線的作用、選型和布置齊道坤1，王紹輝2(1.平頂山電力設(shè)計(jì)院，平頂山467001 ； 2.河南博慧方舟咨詢發(fā)展有限公司，鄭州450052)摘 要：高壓單芯電纜當(dāng)電纜載流量較大、線路較長時(shí)，其金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓，可能危及生命和電網(wǎng)安全。為了降低金屬護(hù)層的感應(yīng)過電壓，電力工程電纜 設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了金屬護(hù)層的互聯(lián)接地方式：電纜金屬護(hù)層兩端直接接地、電纜金 屬護(hù)層交叉互聯(lián)、電纜金屬護(hù)層單點(diǎn)接地。對(duì)于帶回流線的單點(diǎn)接地方式，規(guī)程就 回流線的選型、布置和接線方式并未做出具體說明。為此本文通過等效電路圖和算 例說明了回流線的作用，通過公式推導(dǎo)，對(duì)是否需加回流

2、線，及其選型和布置做出 了說明，具有較高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：高壓單芯電纜；單點(diǎn)接地；回流線；選型；布置中圖分類號(hào)：TM862the Function、 Selection and Assignment of the High-voltage Single-coreCableQI Dao-kun1， WANG Shao-hui2(1. Pingdingshan Electric Power Design Institute， Pingdingshan 467001，China；2. Henan Bohui Fangzhou Consulting Development Ltd. Com， Zhe

3、ngzhou450052， 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 engineer

4、ing has provided the grounding of the metal layer. To singlepoint 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 di

5、agram 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引言高壓單芯電纜的截面一般由金屬導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、

6、絕緣層、絕緣屏蔽層、墊 層、金屬護(hù)套和外護(hù)層等組成1。在電纜長度和線芯截面積較大情況下，尤其 是系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，感應(yīng)電勢可能達(dá)到很大數(shù)值，危及人身安全甚至造成電纜 運(yùn)行事故45。為了降低金屬護(hù)層的感應(yīng)過電壓，電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定 了金屬護(hù)層的互聯(lián)接地方式：電纜金屬護(hù)層兩端直接接地、電纜金屬護(hù)層交叉互 聯(lián)、電纜金屬護(hù)層單點(diǎn)接地。根據(jù)規(guī)程，線路不長且線路的正常感應(yīng)電勢最大值滿足要求時(shí)，可采取單 點(diǎn)接地；當(dāng)線路較長時(shí)，單點(diǎn)接地?zé)o法滿足要求時(shí)，低壓電纜可采用兩端直接接 地，否則采取交叉互聯(lián)接地。對(duì)于帶回流線的單點(diǎn)接地方式，規(guī)程就回流線的選 型、布置和接線方式并未做出具體說明。為此本文通過等效電

7、路圖和算例說明回流 線的作用，通過公式推導(dǎo)，對(duì)是否增設(shè)回流線進(jìn)行判斷，并對(duì)回流線的選型和布置 做出說明。公式推導(dǎo)添加回流線的系統(tǒng)簡圖，如圖1所示。由于兩相和三相短路時(shí)短路電流不以大 地為回路，回流的路徑較近，短路電流在金屬護(hù)套上的感應(yīng)電壓就比較小，而且護(hù) 套不接地端的對(duì)地電壓也不受地網(wǎng)接地電阻的影響，因此護(hù)套及保護(hù)器所受最高電 壓一般出現(xiàn)在電網(wǎng)單相接地故障時(shí)（特別是當(dāng)短路電流較大或地網(wǎng)接地電阻較大 時(shí)）89。以下分三種情況，進(jìn)行分析：系統(tǒng)系統(tǒng)圖1系統(tǒng)簡圖Fig. 1 Simplify map of the system（1）無回流線情況下:A相發(fā)生單相接地時(shí)，單相短路回路電流經(jīng)過大地返回D點(diǎn)。

8、等效電路圖如下 圖所示：圖2無回流線時(shí)等效電路圖Fig. 2 Equivalent circuit diagram without auxiliary ground wire則系統(tǒng)短路時(shí)產(chǎn)生的工頻感應(yīng)過電壓UC為：UOVAC =（R + R l + j2X 1）Ik = R + （R + j2（0 X10-4 ln ）l七（1）s其中：R 金屬層單點(diǎn)接地處的接觸電阻（Q ）;X 1金屬層和大地間的互感應(yīng)電抗（Q）;Rg大地的漏電電阻（Q/km ）;D地中電流穿透深度；L電纜金屬層的平均半徑（m）；l 電纜線路計(jì)算長度（km ）;當(dāng)SVL （護(hù)層電壓限制器）設(shè)置于線路中 央或者設(shè)置于兩側(cè)終端而在

9、線路中央直接接地時(shí)，l為兩側(cè)終端之間線路長度的一 半;Ik短路電流（kA ）, 0 = 2寸，f為工作頻率（Hz ）。（2）有回流線，但回流線與電源中性線接地的地網(wǎng)未連通的情況下:接地電流以回流線或金屬護(hù)套為回路，等效電路圖如下圖所示:圖3有回流線但與地網(wǎng)未連通時(shí)等效電路圖Fig. 3 Equivalent circuit diagram with auxiliary ground wire and notconnecting with network則系統(tǒng)短路時(shí)產(chǎn)生的工頻感應(yīng)過電壓uc為:（2），一 一、 -S 2、，U= (R+ j2X)I + R I =(R+j2ox 10-4ln )l

10、I+ R 0ov.acp1 k g g pr r k g其中：Rp回流線電阻（O/km）；X1分別為短路電流流經(jīng)金屬層、回流線產(chǎn)生的互感應(yīng)電抗（O）；s回流線至電纜導(dǎo)體的距離（m）；rp 回流線導(dǎo)體的半徑（m）。（3）回流線與電源中性線接地的地網(wǎng)連通的情況下:接地電流一部分以大地為回路，另一部分以回流線或金屬層護(hù)套為回路。等效電路圖如下圖所示:圖4有回流線且與地網(wǎng)連通時(shí)等效電路圖回流線有導(dǎo)通電流(2)回流線無導(dǎo)通電流Fig. 4 Equivalent circuit diagram with auxiliary ground wire andconnecting with network(1)

11、Turn-on current in auxiliary ground wire (2) Without turn-on currentin auxiliary ground wire其中：/通過回流線直接返回的接地電流，乂稱回流線的電導(dǎo)電流；Ip 回流線上感應(yīng)電壓所形成的以大地為回路的循環(huán)電流；Z眼一一A相護(hù)套和發(fā)生接地故障的線芯以大地為回路的互阻抗，Z P回流線以大地為回路的自阻抗，Zpp = R + R + j 2o X10 -4 ln pZpAA相護(hù)套和回流線以大地為回路的互阻抗，ZA = R + j2o X10-4lnDD護(hù)套上的工頻感應(yīng)過電壓：U = I Z l - (I +1 )

12、Z l，OV. ACk AA o p PA對(duì)于圖4 (1)可列出方程:則：i +i = Ri+%+ZpAIo p % + R2 + Zppl k(3)U = (Z - Z R1 + R2+ IZpA )lIOV.ACAA PA R + R + lZ k其中：R1、R2 回流線兩端的接地電阻（Q ）。算例分析婦10kV九里山電纜工程設(shè)計(jì)施工條件：采用直埋于土壤中的單芯交聯(lián)聚乙烯電纜，土壤電阻率100（Om），大地的漏 電電阻0.0493（。），導(dǎo)體電纜金屬層單點(diǎn)接地處的接地電阻1.0Q，導(dǎo)體電纜金屬層 外徑mm，電纜長度430m，回流線離A相間距為220mm，回流線電纜參考外徑 16mm，回流線

13、電纜電阻0.124。/km，短路電流22.21kA。計(jì)算結(jié)果如下：情況金屬層感應(yīng)電壓（kV）無并行回流線有回流線，但不和地網(wǎng)接通有回流線，且和地網(wǎng)接通通過計(jì)算，可以看出在單相接地故障情況下，不設(shè)回流線時(shí)的過電壓值達(dá)到了 kV。如此高的過電壓是電纜護(hù)層絕緣及保護(hù)器所無法承受的。在布置有回流線的 情況下，感應(yīng)電壓則下降到了 kV，效果十分明顯?；亓骶€選型及布置通過前面的分析，是否需要添加回流線應(yīng)根據(jù)公式（1）的計(jì)算結(jié)果判斷：如果 感應(yīng)電壓超過保護(hù)器的承受范圍，則需要加回流線；反之則不加。對(duì)于回流線型號(hào)的選擇，通過（2）式可以看出，回流線電阻在感應(yīng)電壓中占有 相當(dāng)?shù)谋戎?，所以在進(jìn)行回流線導(dǎo)體的選擇時(shí)

14、，其導(dǎo)體的電阻值要小于回流線自然 接地電阻的1/30。通過計(jì)算分析，回流線上的電壓相對(duì)較低，一般其絕緣等級(jí)可 按10kv配置?；亓骶€的截面則應(yīng)按流過電纜的系統(tǒng)短路電流進(jìn)行選擇和熱穩(wěn)定校 驗(yàn)?；亓骶€的布置要滿足電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在三相電纜之間按 “三七開”布置并兩端接地牌。此外經(jīng)過對(duì)等效電路圖的分析，可知要使回流線 真正發(fā)揮作用，必須保證：（1）回流線一端和電纜的金屬護(hù)套的可靠連接；（2） 回流線另一端和變壓器中性點(diǎn)間的可靠連接。這兩點(diǎn)在施工過程中要格外留意。結(jié)論實(shí)際工程中，在不宜采用交叉互聯(lián)方式，僅靠降低接地電阻乂很難滿足電纜單 相接地故障時(shí)的過電壓保護(hù)要求時(shí)，采用單端接地并加回流線

15、的方式，能較好的滿 足設(shè)計(jì)規(guī)程要求，并因減少由于交叉互聯(lián)的安裝對(duì)電纜護(hù)層的破壞，從而提高了電 纜線路運(yùn)行的可靠性。而合理的選擇回流線的材質(zhì)、絕緣等級(jí)和布置方式，并確保 其電氣連接的正確性，則是回流線真正起到保護(hù)作用的重要保證。參考文獻(xiàn)1謝寶星.高壓單芯電纜接地回流線的功能和應(yīng)用J.水電站機(jī)電技 術(shù)，2006,29(1)： 22-23.XIE Bao-xing. the Function and Application of the High-voltageSingle-core CableJ. Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station. 2006,29(1) : 22-23.鄭肇驥.高壓電纜線路M.北京：水利電力出版社.1983高壓電纜選用導(dǎo)則S.北京：中國海洋出版社.2002鄭肇驥，王焜明.高壓電纜線路M.北京：電力水利水電出版社，1983.Gustavsen B, Irwin G, Mangelrod R, et al. Transmission line models for the simulation of interaction phenomena between parallel AC and DC ov