高压单芯电缆护层接地方式的研究与应用

周国威，方可

（1.国网冀北电力有限公司张家口市崇礼区供电分公司，河北 张家口 076350；2.张家口职业技术学院，河北 张家口 075051）

0 引言

高压单芯电缆被广泛应用于输电线路、变电站及工业和商业建筑等领域，传输和分配大量的电能［1］，在电力系统中起着重要的作用。然而，高压单芯电缆的护层由于老化、火灾、机械损坏等多种原因，可能会发生接地故障，对电力系统的安全性和稳定性产生负面影响。因此，研究和应用高压单芯电缆护层的接地方式成为当今电力工程领域的一个重要课题。曾含等［2］基于优化包覆层结构，提出高压单芯电缆暂态热路建模方法，将复杂的3 层结构统一化处理，并通过实验获取热容和热阻参数。王航等［3］进行波纹金属护套高压单芯电缆线芯护层互感的研究，使用比奥—萨伐尔定律解算高压电缆线芯电流的磁感应强度，运用高斯定理求解波纹护套截面的磁通量；建立环形纹和螺纹护套的参数方程，并确定内外曲面作为磁通量积分边界，推导出线芯与波纹护套互感和等效直径方法误差的解析公式。刘日朗［4］采用电磁暂态计算软件（ATP-EMTP）进行输电电缆护层多点接地故障研究，使用仿真软件模拟电缆护层多点接地故障及其他故障情况，比较不同因素对护层环流值产生的影响。

电力系统规划不断扩大，对电气化专用电缆的需求越来越大，电缆作为电力系统中的重要组成部分，是电气绝缘组合电气设备开关柜的进出线，也是电力系统输电、配电导线。由于电力系统中变电低压设备主要采用全封闭组合电气设备，所有线路导线全部采用高压单芯电缆，而且高压单芯电缆成本低、高压耐受性能强，具有普通电缆不可代替的优势，因此得到广泛应用和批量化生产。然而，高压单芯电缆在电力系统中的大量应用带来了许多新的故障，如单线接地故障、高压单芯电缆护层套被烧融、高压单芯电缆终端头被击穿等，电缆金属护层的保护功能无法充分发挥，严重威胁电力系统巡视查验人员的生命安全。经查验，出现这些现象的主要原因在于高压单芯电缆护层的接地方式不合理。现行的接地方式仍沿用普通电缆接地方式，为两端分别并联接地，这种方式在实际应用中不仅电缆护层感应电势较大，而且电缆接地故障率较高。高压单芯电缆作为电力系统中的变电专用电缆，具有一定的特殊性，普通电缆护层接地方式并不适用于高压单芯电缆，因此需要研究一套新的接地方式，本文为此进行高压单芯电缆护层接地方式的应用研究。

1 高压单芯电缆护层接地方式设计

1.1 护层感应电势计算

高压单芯电缆护层接地需要满足《电力工程电缆设计规范》（GB 56161—2020）（简称《电缆规范》）中的要求：在没有任何保护措施的情况下，电缆护层上的感应电势不超过50 V［5］。根据规范要求，选择接地方式的依据主要是高压单芯电压护层感应电势，根据电势的实际情况确定接地方式。高压单芯电缆护层感应电势计算分为以下2种情况。

（1）当高压单芯电缆敷设形式采用的是“品”字形单回路线路时，高压单芯电缆护层感应电势计算公式如下：

其中：F表示高压单芯电缆护层感应电势；e表示高压单芯电缆屏蔽层与护层几何平均直径；I表示高压单芯电缆导体正常工作电流；d表示高压单芯电缆护层电气通路上任意一点到直接接地处的距离；S表示高压单芯电缆相间的轴距；u表示高压单芯电缆护层的半径。

（2）当高压单芯电缆敷设形式为水平铺设的单回路线路时，高压单芯电缆护层感应电势计算公式如下：

根据高压单芯电缆实际敷设形式，利用上述公式计算出高压单芯电缆护层感应电势，为后续接地方式的选择提供依据。

1.2 护层电压限制

高压单芯电缆护层接地形式的选取应当遵循以下原则：当线路长度小于500 m 且能达到规范要求时，应采用一条直线或以中间的一点为基准的直线直接接地；当线路长度大于500 m，单一的直接接地方法不能达到规范的要求时，水下电缆、35 kV 及以下的高压单芯电缆或35 kV 以上传输能力较弱的高压单芯电缆可以采用在线路两头直接接地的方式。对于长度大于500 m、电缆护层感应电势超出规定要求的线路，应将其分成相应的小段，然后在小段之间进行隔离，通过在电缆护层上安装电压限制器，对电压进行限制，以交叉互联的方式接地。

当高压单芯电缆护层终端所接线路出现非破坏性原因导致的故障时，对于历史故障次数较多的终端，认定其存在严重的老化情况；对于历史故障次数较少的终端，可认定其老化问题较轻。每当出现一次故障，表示终端受到一定的电流冲击，其自身的老化速度会加快。表1为高压单芯电缆护层接地方式的故障情况。

表1 高压单芯电缆护层接地方式故障情况

为对电缆护层起到保护效果，应选择合适的电压限制参数。高压单芯电缆线路应根据以下要求确定电缆护层电压限制器的参数。

（1）在最大冲击电流作用下，护层电压限制器的残压K要符合以下条件：

其中：U表示电缆护层的冲击电压。

（2）护层电压限制器必须能承受因电网发生短路引起的最大工业频率感应过压，并能承受较长的断开和失效时间［6］，断开的时间应该在5 s内。

（3）在累计施加20次最大脉动电流的情况下，护层电压限制器不会被破坏。

1.3 护层保护接地

当高压单芯电缆护层发生接触时，感应电势可能会超过50 V，在这种情况下，需保证电缆仍处于正常工作状态。为实现这一目标，可以选择具有良好绝缘性能的材料作为电缆绝缘材料，减少电缆中感应电势的产生；通过提高护层的绝缘厚度，减少电场分布，减缓或防止在护层上产生感应电势；对电缆的终端和连接点进行绝缘处理，使用绝缘套管、绝缘胶带等，防止电缆的护层接触和电势干扰；定期进行电缆的检查和维护工作，及时发现并修复护层接触问题，确保电缆处于正常工作状态。通过综合应用以上措施，可以有效地控制电缆护层上的感应电势，确保电缆在正常工作状态下不超过50 V，提高电缆系统的可靠性和安全性，保障电力传输的稳定运行。

电缆户外终端在运行时会发生损耗，导致出现绝缘老化的现象，可按照电压、电流、阻抗关系计算其损耗。电流流过固定长度的导体时出现的损耗可用公式（4）计算：

其中：Rc表示电缆芯交流电阻；Ws表示邻近效应系数。各个参数之间必须是相互制约的关系，感应电势计算公式如下：

其中：Dr表示接地状态下的电压；De表示接地状态下的电流；ΔB表示阻尼系数；FA表示导纳数值。为避免任何形式的接地与电缆护层发生直接接触，必须采用行之有效的方法使感应电势小于300 V。当电缆护层感应电势超过50 V时，除了在接地时利用电压限制器限制护层电压，还必须对高压单芯电缆护层进行保护，防止发生任何形式的直接接触，因此采用一端直接接地、另一端经保护器接地的方式（如图1所示）。

图1 高压单芯电缆护层保护接地示意图

图1 中，交流电在高压单芯电缆中流动时，会在周边产生交流电场，并在线圈中形成磁通量，从而使其在电缆护层中产生一种新的电位。当此电磁场与接地系统发生短路时，就会出现一种名为“环流”的感应电流［7］。由于高压单芯电缆的铁心与金属壳形成一种以电缆绝缘为媒介的圆筒形电容器，因此在金属壳的环流中，除了产生感应电流，还会产生大量的电容与漏电。在高压单芯电缆中，如果出现环流，将会降低其承载能力、减弱传输能力；如果继续出现一个环流，则会产生加热现象，使其绝缘等级变得更低，如果加热过大，还可能导致地线和护层被损坏，所以需在电缆的护层上增加一个护层保护器。在一般的工作电压下，该保护装置处于一个高电阻的情况，对环流进行约束，从而将工频感应电势控制在规定的电势范围内；当护层的过电压达到保护器的初始操作电压时，保护器处于低阻导通的状态，使过电压电流从保护器进入地面，在过电压消失后，保护器又回到高阻的状态。因此，可采用保护接地的方式对电缆护层内的工频感应电势进行约束，完成高压单芯电缆护层接地。

2 试验论证

2.1 试验准备与设计

为验证设计接地方式的可行性与可靠性，选择某变电站为试验对象。该变电站采用110/10 kV 变压器，以变压器组方式为线路供电，通过MATLAB 平台搭建一个可模拟配电网的测试环境，并考虑相关的参数设置，验证接地方式对配电网的影响。利用本文的设计方式对该变电站高压单芯电缆护层接地，为使试验数据与结果具有可行性，将设计方式设定为试验组，选择目前常用的2 种接地方式作为比较对象，为方便后续试验陈述，以下用传统方式A与传统方式B 表述。按照上述流程计算电缆护层感应电势，采取相应的接地方式，对具体接地效果进行评测。

2.2 试验结果与讨论

选择电缆护层感应电势为指标，用于评测高压单芯电缆护层接地效果，将《电缆规范》中要求的感应电势不能超过50 V 作为接地效果检验标准，随机选择8 根接地后的电缆，使用KHFA-A5FA9 检测器检测电缆护层上的感应电势，每根电缆检测3 次，取平均值作为最终检测结果，使用Excel 表格对测量数据统计（见表2）。

表2 3种方式下电缆护层上的感应电势 （单位：V）

根据表2可知，使用本设计方式的高压单芯电缆护层感应电势均小于50 V，符合《电缆规范》中的要求，说明不需要再采取任何安全措施，电缆护层上感应电势范围在33.62～38.42 V；而传统方法A 电缆护层感应电势范围在52.61～59.52 V，传统方法B 电缆护层感应电势范围在52.68～59.35 V，均远高于本文设计方式，证明在安全性方面本文设计的方式更佳。为进一步验证本设计方式的可靠性，对比电缆接地故障次数，如果电缆护层接地方式选择不合理，护层保护效果将大打折扣，导致接地故障频发。因此，通过对比电缆接地故障次数，可检验电缆护层接地方式的合理性。以时间为变量，每隔30 d 统计一次电缆接地故障次数，使用Excel表格记录数据（见表3）。

表3 3种方式下高压单芯电缆接地故障次数对比（单位：次）

根据表3 可知，在本次试验中3 种方式出现接地故障的次数差异明显，应用本文设计方式的高压单芯电缆接地故障仅发生3 次，故障率为0.01%；与之相比较，传统方式A 接地故障次数多了38次，传统方式B 接地故障次数多了39 次。通过以上统计和对比可以证明，在电缆护层感应电势方面及电缆接地故障方面，本文设计方式均表现出明显的优势，更适用于高压单芯电缆护层接地。

3 结语

选择合适的护层接地方式对确保高压单芯电缆系统的安全性和稳定性至关重要，不同的接地方式在电场分布、电位分布和电路路径等方面均会产生不同的影响，因此高压单芯电缆护层接地方式选择的合理性与科学性直接关系到高压单芯电缆运行的稳定性及护层功能的正常发挥。本文针对传统接地方式存在的不足与缺陷，对其进行优化与创新，提出一种新的接地方式，降低了高压单芯电缆护层的感应电势及电缆接地的故障率。经试验验证得到以下结果：应用本文设计方式，高压单芯电缆护层感应电势均小于50 V，在安全性方面表现更佳；本文设计方式的高压单芯电缆仅发生了3次接地故障，故障率为0.01%，表现出明显的优势，更适用于高压单芯电缆护层接地。本研究为高压单芯电缆护层接地实践提供了理论支撑，同时为相关研究提供了参考依据，但本文的研究目前尚处于初步探索阶段，尚未在实际工程中得到大量的应用与实践，今后可在接地方式的优化设计方面展开深层次的探究。