高压单芯电缆金属护套感应电压计算及其保护方式

1、高压单芯电缆金属护套感应电压计算及其保护方式c a lcu la t io n o n in du c t io n v o ltage o f m e ta l j ack e t o n h igh 2vo ltage an ds in g le2co re c ab le an d it s p ro tec t io n欧景茹(长春供电公司, 吉林长春130051)摘 要: 对高压单芯电缆在运行时护套产生的感应电动势进行了计算, 为确保电缆的安全运行采取了护套的一端接地与交叉换位方式, 降低了高压单芯电缆护套感应电动势, 效果良好。关键词: 电力电缆; 金属护套; 感应电动势; 交叉换

2、位文章编号: 100925306 (2001) 0320014203中图分类号: tm 247文献标识码: b目前, 长春供电公司现有高压 66 kv单芯电力式( 电力设备安装规程中规定) , 因此, 电缆的金属护套可以看做同心地套在线芯周围, 且其薄壁呈圆 柱体, 由于其壁厚远比其直径小得多 ( d s ) , 因此可以把金属护套的自感视为 0 (l i= 0) , 见图 1。电缆线路 10 条, 其中有已经运行了 13 a 的北菊甲、乙线和运行了 11 a 的长心甲、乙线, 1995 年建成的 西达甲、乙线, 及 1999 2000 年新建线路西建甲、乙线与热白甲、乙线。 现结合实际情况,

3、 对电缆金属护 套所产生的感应电压进行估算, 以确定电缆是采用一端接地还是交叉互联的方式, 来保证电缆护套感应电压满足电力设备安装规程要求。 本文在计算护 套感应电压时所采用的是电缆额定载流量, 而电缆运行时的实际载流量是其额定值的 80% , 因此我们 计算的感应电压更能符合规程要求。金属护套产生的感应电动势计算1图 1 单相回路磁场设电流为 ia , 则在 a 电缆护套上, 距离 a电缆当单芯电缆线芯流过交变电流时, 交变电流的周围必然产生交变的磁场, 形成与电缆回路相交链 的磁通, 也必然与电缆的金属护套相交链, 因此, 在金属护套上将会产生感应电动势。 由于电缆长度远大于组成电缆回路的

4、电缆之间的距离 (l s ) , 我们 可以认为电缆金属护套上产生的感应电动势是均匀分布的, 这样就可以计算单位长度金属护套上的感 应电动势。111单相回路电缆护套上的感应电动势目前, 单芯电缆金属护套都是采用接地保护方中心 x 处的磁通 h x = ia (2x )。设介质磁导率为 ,则相应磁感应强度 b x = ia (2x )。穿过宽 dx , 长度为 1 m 的矩形面的磁通量 dx= b x dx =ia ( 2x ) dx , 这部分磁通是与全部护 套相链, 所以圆磁通 d7 x = d x 1=ia (2x ) dx因此 a 电缆电流产生的磁通与 a电缆自己护套交链的磁链 7 aa

5、 , 在 x = d s 2 到 x = d a 2 范围内应表示为:d 2a7 aa = d 2(ia 2x ) dx = (ib 2) ln (d a d s )sb 电缆电流产生的磁通, 也会与 a电缆护套交= -jicx 。感应电动势的有效值|u sa | = |u sb | = |u sc | 2i链, 从图 1 可见, 距 b 电缆芯为 s 的 a 电缆护套与之交链的磁通, 计算从 x = s磁通应表示为:到 x = d b 2 范围内的ln (2s d s ) 10- 7 v m11212以平行直线敷设按平 行 直 线 敷 设 ( 见 图 2b ) 时 有 s 1 = s 2 =

6、 s ,s 3 = 2s , 则 x a = x c = 2ln ( 2s d s ) 10- 7 8 m , x 1 =x 2 = 2ln 210- 7 8 m 。由于 ia = ib , 相位差 120; ic = ib , 相位差 120, 有d b 27 ba = s ib 2x dx =ib 2 ln d b 2s()()()与 a 电 缆 护 套 相 链 的 磁 链 则 有 7 a = 7 aa +7 bb , 当 d a d b 时, 且 ia = - ib = i 时, 则 a 电缆护 套 全 部 磁 链 7 a = 7 aa + 7 ba = ( i2) ln ( 2s d

7、s) , 则单 位 长 度 上 电 缆 护 套 自 感 l = 7 a i = ( u sa = ib 3 (x a + x 1 ) + j (x a - x 1 ) 2u sb = - jib x 12) ln (2s d s ) , 单相电缆回路 a电动势 u s = - jl i电缆护套上的感应u sa = - ib-3 (x a + x 1 ) + j (x a -x 1 ) 2112三相回路电缆护套上的感应电动势单相电缆回路中电缆护套上相链的磁通的关系 式可改写为:7 a = ( i2) ln ( 2s d s ) = ( i2) ln ( 2d s ) - (i2) ln (1s

8、) = l aa i- m ba i式中 可近似为空气中的 0 = 410- 7 h m , 则l aa = (2) ln (2d s ) = 2 ln (2d s ) 10- 7m ba = (2) ln (1s ) = 2 ln (2d s ) 10- 7由上式可以推广到三相电缆回路中, 由于 ia + ibx 22|u sa | = |u sc | =a + x d x 1 + x 1i+ic = 0, 故可视为: a 相电缆同 b 相电缆构成一回路, 电流为 ib; 又与 c 相电缆构成一回路, 电流为 ic。与 a 电缆护套相链的磁通的关系式为:7 a = l aa ib - m b

9、a ib + l aa ic - m ca ic = l aa ( ib +m ba ib - m ca ic = - l aa ia - m ba ib - m ca ic令 l sa = - (l aa ia + m ba ib + m ca ic ) ia则 7 a = l sa iaic ) -图 2 三相回路电缆敷设形式各相单位长度感应电动势有效值|u sb | = i x a由上述计算可知, 单芯电缆金属护套产生的感 应电动势, 在三相回路系统中, 在三相平衡负载情况 下直线敷设时, 两边电缆护套上产生的感应电动势 最大; 以对称敷设 (正三角形敷设) 时, 电缆金属护套 上的感应

10、电动势最小且相等。设 a 、b 相电缆间距为 s 1 , b、c 相间距为 s 2 , a 、c 相间距为 s 3 , 则三相电缆回路中电缆护套上的感 应电动势为:u sa = - jl a ia = - j(l aa ia + m ba ib + m ca ic ) =- j (l aa - m ba ) ia + (m ca - m ba ) ic =-jia x a + jicx 12金属护套的保护接地式中 x a = (l aa - m ba ) = 2ln ( 2s 1 d s ) 10- 7 8 m ,x 1 = (m ca - m ba ) = 2ln (s 3 s 1 ) 10

11、- 7 8 m 。 同理 u sb = jia x a + jicx c; u sc = + jicx c + jia x 2式中 x c = 2ln (2s 2 d s ) 10- 7 8 m ,x 2 = 2ln (s 2 s 1 ) 10- 7 8 m 。11211以等边三角形敷设 按等边三角形敷设电缆 ( 见图 2a ) 时, 有 s 1 =s 2 = s 3 = s , 则 x a = x b = x c = x = 2ln ( 2s d s ) 在实际运行过程中, 三相单芯电缆的金属护套上不可避免地产生感应电动势, 且其大小与电缆长 度及电流成正比, 此感应电压可能会很高, 危害人

12、身安全; 会影响电缆的载流量, 加速电缆老化, 降低电缆使用寿命, 甚至会造成电缆运行事故。电力设备规 程规定: 电气设备不带电的金属外壳要直接接地, 与电力电缆金属护套感应电动势不超过 65 v 。在实际 情况下, 电力电缆的金属护套采用一端或多点牢固10- 7 8 m , x 1 = x 2 = 0, 故有 u sa =-jia x a + jicx 1 =-jiax , u sb = + jia x a + jicx c = - jib x , u sa = - jicx c + jia x 2接地, 可避免由于金属护套产生的感应电动势造成危害。下面就实际情况进行计算, 确定电缆金属护套

13、 保护接地的方式。211 金属护套一端接地在电缆较短, 且电缆护套感应电压不超过 10 v时, 护套两端可以直接接地, 当电缆护层感应电压不 超过 65 v 时, 可以将电缆金属护套一端直接接地,另一端对地通过避雷器保护接地 ( 见图 3) , 避免在护套上产生环流。 电缆金属护套接地采用一端接地 能有效减少护套中的环流, 降低电缆护套上的损耗,能很好解决护套发热的问题, 也能够有效地避免电 缆短路时护套产生的感应过电压造成的危害; 其中 电缆采用中点接地时, 在允许感应电压下, 电缆敷设 长度可提高 1 倍。441 m (乙线为 1 284 m , 计算略) , 额定电流 544 a ,护套

14、直径 d s = 7210 mm , 电缆相间距 s = 160 mm 。 为 此线路可视全部按等边三角形敷设 ( 波形 见 图4b) , 每段电缆护套产生的感应电动势为: u s1 = u s2= u s3 = 2214 v 。图 3 电缆一端直接接地, 一端保护接地西建甲、乙线是由建和变至西建甲、乙线 101 号 塔 ( 变压器电缆架空线混联的线路) , 其回长为375 m 。 该 电 缆 型 号 yjlw 02 - 4866 kv - 1 1200, 额 定 电 流i =1036 a , 护 套 直 径 d s =9916 mm , 电缆相间距 s = 200 mm , 等边三角形敷设

15、l1 = 300 m , 水平并列 敷 设 l2 = 75 m , 电 缆 总 长375 m 。 该电缆路径是采用等边三角形与水平并列 敷设相结合方式, 金属护套上产生的感应电压是它们相互叠加的电压。 经计算, 两边相感应电压 u b =36111 v , 中相感应电压 u zx = 30152 v 。 护套感应电压的安全裕度按 112 计算, 护层感应电压 112u 65 v , 满足电缆敷设的设计要求。电 缆可以采用如图 3 的接地方式。212交叉换位当电缆较长时, 金属护套感应电压值过高, 可以 采用交叉换位的方式降低护套产生的感应电压。 通 过绝缘式连接接头盒, 把电缆的线芯连接起来,

16、 满足 导电要求, 而把电缆金属护套进行交叉换位 (保证每段的感应电动势不超过 65 v ) , 以降低电缆金属护 套产生的感应电动势。热白甲、乙线 (上海变 热白干 14 号) 线路亘长 1 130 m , 经 验 估 算 护 套 产 生 的 感 应 电 压 超 过65 v , 因此采用交叉互联的方式 ( 见图 4a ) , 换位接 头 通 过 电 缆 保 护 器 接 地。 其 型 号 为 yjlw 02 -图 4电缆交叉换位示意图采用交叉互联方式时, 通过上面计算 112u s 65 v , 即在留有安全裕度情况下其满足电缆敷设的 设计要求。 电缆线路采用交叉互联的接地方式为两端直接接地, 换位接头处采用保护接地, 可有效地避 免电缆发生短路故障时护套感应过电压所造成的损 害, 减少护套的损耗, 保证电缆的安全运行。电缆线路采用交叉互联方式目的是减少金属护 套的感应电压, 是不受电缆线路长度限制的。如若线路很长, 可以设 2 个或更多个电缆换位接头来满足 电缆护套感应电压的要求, 但要求每段电缆长度应相同, 如西达甲、乙线电缆长 3132 km , 采用 5 个换 位接头可以满足要求。总之, 通过对电缆金属护套产生的感应电动势 计算, 我们可以采用相应方法对电缆金属护套进行接地, 一方面将其产生感应电动势的大小限制在允许的安全范围内; 另一方面, 使感应电动势不致引起 较