混合排列方式在交叉互联电缆中的应用

梁海生， 李　帆， 王永志， 曹　炜

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海200002；2.上海电力学院，上海200090）

混合排列方式在交叉互联电缆中的应用

梁海生1， 李帆1， 王永志2， 曹炜2

（1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海200002；2.上海电力学院，上海200090）

城市电网改造引起电缆线路割接，造成原有交叉互联接地方式被打破，这将导致金属护套中产生环流。从分析金属护套环流产生原理入手，找出影响金属护套感应电压的主要因素，通过相量图分析交叉互联电缆金属护套感应电压相量，提出混合排列方式在某些场合可以降低金属护套环流。同时，通过EMTP仿真验证了结论的正确性，并明确了混合排列方式的应用范围。

高压电缆；金属护套；排列方式；护套环流

0 引 言

目前，城市中越来越多地采用高压电缆代替架空线路，电缆金属护套感应电压过高将会威胁到人身安全，一般要求电缆金属护套至少有一点接地，在不采取安全措施时，金属护套感应电压应小于50 V，采取安全措施后，金属护套感应电压不能超过300 V［1］。在电缆金属护套接地方式选择中，交叉互联双端接地越来越多地受到青睐，但是随着电网改造和新建站点的重新布局，原有电缆将出现割接，会造成电缆金属护套交叉互联接地方式均匀分段的情况被打破，影响电缆金属护套接地环流，增加线路损耗，降低电缆传输容量和缩短电缆寿命［2-4］。本文研究通过改变电缆金属护套交叉互联各段排列方式，减小电缆线路改造时因分段不均匀产生的金属护套环流。

1 金属护套感应电压分析

1.1单段电缆金属护套感应电压

城市电缆越来越多地采用排管敷设，而排管又以3×7和2×10规格居多。一般设计中要求110kV及以上等级高压电缆应布置在排管最外层，有利于散热。由于排管规格的限制，无法实现品字形排列，因此，电缆在排管中的排列方式主要有水平排列方式、竖直排列方式和直角三角形排列方式，见图1。

单位长度电缆护套感应电压计算公式如式（1）［5］：

式中：ESA、ESB、ESC分别为A、B、C相电缆金属护套感应电压（V/km）；I为线芯电流（A）；GM Rs为金属护套的几何平均半径（mm）；S为AB相电缆距离（mm）；mS为BC相电缆距离（mm）；nS为AC相电缆距离（mm）；n为AC相电缆距离与AB相电缆距离比值；m为BC相电缆距离与AB相电缆距离比值。

图1　电缆排列方式

线芯电流为110 kV单芯皱纹铝护套交联电缆在上海地区线路设计中的标准值698A，用式（1）分别计算不同排列方式下单位公里长度电缆的金属护套感应电压相量值，见表1。

表1　不同排列方式下单段金属护套感应电压　（单位：V）

从表1可知，金属护套感应电压在电缆品字形排列方式下最小，竖直排列方式下最大，水平排列方式比竖直排列方式略小。根据图1排管中电缆的排列方式，可知引起竖直与水平排列方式金属护套感应电压差异的原因是排管的垂直距离240 mm略大于水平距离230 mm。为了简化后续研究中混合排列方式的种类，可以将水平排列方式与竖直排列方式近似认为是同一种排列。

1.2交叉互联电缆金属护套感应电压相量和分析

按照电缆三段护套交叉互联原理［5-6］，根据表1中数据，分别做出各种排列方式下三段等长且三段同一排列方式下金属护套的感应电压相量图（见图2）。

图2　交叉互联电缆金属护套感应电压相量图

由图2可以看出，三段等长交叉互联电缆中，品字形排列可以正好使三段电缆金属护套感应电压完全抵消，即三段护套感应电压相量和为零；其他排列方式下，三段电缆金属护套感应电压不能完全抵消且三段电缆金属护套感应电压相量和，直角三角形排列时小于水平（竖直）排列时。因此，可以预期，在不等长分段电缆中，可以通过直角三角形排列方式来减小最长段电缆的金属护套感应电压，或者通过水平（竖直）排列方式来增大较短一段电缆的金属护套感应电压，以平衡三段电缆不等长引起的电缆金属护套感应电压相量和，减小护套环流。

2 均匀分段交叉互联金属护套环流分析

当金属护套交叉互联电缆双端接地时，电缆金属护套环流是由三段电缆护套感应电压和引起的。从图2中三段电缆金属护套感应电压合成相量，能够直观地推论出品字形排列下的等长电缆护套中不会产生环流，直角三角形排列的护套环流小于水平排列的护套环流。以下通过电磁暂态仿真软件EMTP仿真，定量研究三段长度均为400 m的110 kV护套交叉互联电缆当线芯电流为698 A时的护套感应电压和环流，结果见表2。

表2中EMTP仿真结果验证了电缆护套采用交叉互联双端接地时等长分段同一排列方式下，直角三角形排列时金属护套环流最小，水平排列时金属护套环流最大，竖直排列与水平排列护套环流大小相当。

3 混合排列方式对不均匀分段交叉互联电缆护套环流的影响

电缆金属护套中环流是由于交叉互联电缆中金属护套电压相量和不为零产生的，在线芯电流恒定的情况下，金属护套感应电压主要取决于电缆长度以及电缆排列方式。现有文献中有些在三段等长品字形排列的理想条件进行研究，有些研究其中一个因素的变化对金属护套环流的影响，强调三段交叉互联电缆应采用同一排列方式，以减小金属护套环流［6-7］。

表2　均匀分段各段同一排列方式下的金属护套感应电压与环流

实际上，在电缆敷设过程中受到工井位置以及排管中其他回路电缆的影响，并不能保证电缆三段等长，也不能保证三段电缆能够按照品字形排列。此外，城市电网的改造，也会导致电缆原有交叉互联方式被破坏，这时，金属护套中的环流将会显著增加。

由式（1）可知，单段电缆金属护套的感应电压随着电缆长度的增加线性增加。因此，当交叉互联的三小段电缆长度不相等时，即使品字形排列，也会导致三段电缆金属护套感应电压相量和不为零，使双端接地的金属护套中产生环流。

由于不同排列方式产生的感应电压不同，直角三角形排列下金属护套感应电压最小，水平排列下金属护套感应电压最大，所以不均匀分段的各段电缆采用不同的排列方式可能会削弱分段不均匀带来的环流。

表3为110 kV不均匀分段电缆当线芯电流为额定电流698 A时，各段不同的排列方式组合，对护套环流的影响。

表3　不同排列方式对不均匀分段电缆的影响

表3中，混合排列方式1与直角三角形排列对比，混合排列方式1下环流比直角三角形排列方式下环流可减少12％～64％；混合排列方式2与直角三角形排列对比，混合排列方式2下金属护套环流比直角三角形排列方式下环流增大60％～75％；混合排列方式2与混合排列方式1对比，混合排列方式2下金属护套环流比混合排列方式1下环流增大41％～400％。

由以上对比分析可知，在不等间距分段的三小段电缆交叉互联时，三段电缆采用适当的混合排列方式组合，能够有效降低金属护套中环流，如表3中混合排列方式1。但是，当混合排列组合不当时，不但不能降低护套环流，反而会使得金属护套中环流大幅增加，如表3中混合排列方式2。

因此，当受到施工条件限制，或者当电缆改造后造成三段电缆分段不均匀时，可以使长度较长的电缆采用直角三角形排列，长度较短的电缆采用竖直（水平）排列来降低金属护套的环流。

4 混合排列方式的应用范围

为了研究混合排列方式在不等长分段电缆中的具体应用范围，设置不同的分段格局，使任意两段电缆长度差ΔL最大值从10 m增加到100 m，并保证三段电缆最短一段电缆的长度不小于三倍的ΔL，线芯电流为698 A。通过EMTP仿真，分析三相金属护套的环流以及三段电缆金属护套感应电压相量和，最终确定ΔL的具体范围，见表4。

由表4可知，当ΔL为40m时，三段电缆均采用竖直排列方式时，金属护套的环流明显小于混合排列方式下金属护套的环流；当ΔL为70 m时，混合排列方式下金属护套的环流小于竖直排列方式下金属护套环流。

因此，建议当ΔL大于70 m时，三段电缆采用混合排列方式；当ΔL小于40 m时，三段电缆采用同一种排列方式。这样，可以减少金属护套环流，降低金属护套发热损耗，延长电缆运行寿命。

表4　不同ΔL下各排列方式下环流及电压相量和

5 结束语

本文结合城市电缆排管敷设的具体条件，得出电缆金属护套交叉互联双端接地时水平排列方式与竖直排列方式下的金属护套感应电压及环流近似相同，三角形排列方式下金属护套感应电压最小，水平（竖直排列方式）排列方式下金属护套感应电压最大。并将这一结论应用到不等长分段的交叉互联电缆中，通过排列方式组合，来降低三段电缆分段不均匀带来的金属护套环流。

通过EMTP仿真，明确了混合排列方式在金属护套交叉互联电缆中的应用范围，即当三段电缆长度差大于70 m时，混合排列方式能有效降低金属护套的环流，当三段电缆长度差小于40 m时，三段电缆采用同一排列方式，金属护套中环流更小。

［1］ GB 50217—2007 电力工程电缆设计规范［S］.

［2］ 牛海清，王晓兵，蚁泽沛，等.110 kV单芯电缆金属护套环流计算与试验研究［J］.高电压技术，2005，31（8）：15-17.

［3］ 徐 欣，陈 彦.220 kV单芯高压电力电缆金属护套感应电流的研究之一——感应电流的计算和预控［J］.电线电缆，2010（5）：42-56.

［4］ 王 波，罗进圣，黄宏新，等.220 kV高压单芯电力电缆金属护套环流分析［J］.高压电器，2009，45（5）：141-145.

［5］ 郑肇骥，王焜明.高压电缆线路［M］.北京：水利电力出版社，1983.

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［8］ ANSI/IEEE Std575—1988 An American national standard IEEE guide for the application of sheath-bonding methods for single-conductor cables and the calculation of induced voltages and currents in cable sheaths［S］.

［9］ 倪欣荣，马宏忠，王东海，等.电缆护套电压补偿与护套电流抑制技术［J］.电力系统自动化，2007，31（5）：65-69.

［10］ 李国征.电力电缆线路设计施工手册［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［11］ GB/T 2952.1—2008 电缆外护套第1部分：总则［S］.

The Application of Mixed Arrangement in Sheath Cross Bonding System

LIANG Hai-sheng1，LIFan1，WANG Yong-zhi2，CAO Wei2
（1.State grid of Shanghai electric power economic institute of technology，Shanghai200002，China；2.Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China）

Cable sheath cross-bonding system will be broken，when the cables are cut，due to urban power grid changing.Which cause induced current in the metal sheath.First the article analysis the induced voltage theory，and know the main factors which cause sheath current.Meanwhile，use phase diagram describe induced voltage vectors. The analysis of phase diagram provides the method that when the three sections are unequal，using different arrangement can reduce metal sheath current caused by unequal of three sections.Then we confirm the correctness of the conclusion and definite the limit of application by EMTP simulation.

high voltage cable；metal sheath；arrangement；sheath current

TM247.1

A

1672-6901（2015）06-0041-04

2015-01-27

梁海生（1979-），男，高级工程师.

作者地址：上海市九龙路375号［200332］.