（合肥工业大学安徽合肥230031）
摘要：分析了运行条件下单芯电缆感应电压及环流产生的原因，对单相和三相回路电缆金属护套的工频感应电压进行了推导计算和对比分析。提出针对不同运行条件，应采用不同的金属护套接线和接地方式来有效限制感应电压。结合一起变电站出线电缆接地线烧坏故障典型实例对电缆施工及运行维护提出合理建议，为35kV及以上高压单芯电缆安全隐患排查和检修提供有效参考。
0引言
随着城农网建设和改造的深入，越来越多的架空线路改造为高压电缆。因大部分电缆深埋在地下电缆沟，发生故障不易发现、检修处理困难，且对工艺要求较高，所以提高电缆运行水平对确保电网安全稳定运行具有重要意义。根据对大量电缆故障的分析发现，金属护层产生较高感应电压将威胁人员和设备安全，若产生环流容易造成电缆外绝缘损坏、接地线烧毁等缺陷，因此在设计施工中，只有选择了最合理的型号、施工工艺和运维方式，才能提高外护层绝缘的健康水平。
1电缆感应电压产生原因分析
目前变电站常用的出线电缆为单芯电缆和三芯电缆，35千伏及以上电缆由于电压等级相对较高，供电负荷大，对可靠性要求较高，多数都是采用单芯结构的交联聚乙烯高压电缆。导电线芯、电缆的绝缘层以及金属护套是构成高压电缆最主要的三个部分，不同部分由不同的材料构成，在输送电能过程中均发挥着重要作用。
在正常运行条件下，三芯电缆三个线芯的电流矢量和为零，导体电流在金属护套基本上没有交链磁通，感应电压值非常小，因此一般选用两端直接接地的方式。高压单芯电缆在运行过程中，可以看作为一个简单的变压器绕组模型，线芯电流会在金属护套交链产生感应电动势。根据电力电缆的设计要求，电缆线的金属护套必须至少有一个点直接接地，当单端接地时，屏蔽层的感应电压不得超过50V。
2单芯电缆感应电压的计算
电缆护套上的感应电动势与导线粗细、电缆之间的距离、线径长度以及负荷电流的大小有关。电缆护套产生的感应电压及环流极易造成电缆发热，绝缘水平降低，若感应电压过大将影响运行维护及日常检修安全。
2.1单相回路感应电压
在一来一回的单相回路电缆上，金属护套的厚度相对于其内经可以忽略不计，因此金属护套内感可以忽略不计。
设单相回路两根电缆A、B导体电流分别为、，金属护层的平均几何半径为r，A、B电缆间的平均间距为S，如图1所示。A电缆导体电流在金属护套P上宽为，长度L=1米的矩形截面上产生的磁通链为：
通过计算分析，可以得出感应电压规律如下：感应电压的大小与电缆金属护层的平均几何半径r、相间距S、线路长度和负荷电流的大小等因素有关。电缆屏蔽层中相和边相感应电压均随着相间距S的增大而增大。采用等边三角形排列时，各相感应电压相同，且幅值相对较低，为较为优良的排列方式。直线型排列的中相电压与等边三角形排列相电压相同，边相电压相对中相偏高。
3金属护套的接地方式
3.1电缆金属护套两端直接接地
金属护套两端直接接地的情况不常见，在该接地方式下，金属屏蔽层通过两端接地产生回路电流，电流大小与电缆的长度、距离等因素有关，当负荷较大时可以达到几百安培。金属护套的环流可引起发热，加速电缆绝缘老化，降低电缆使用寿命，对电缆的安全运行造成威胁。
3.2电缆金属护套一端接地
此种情况适用于线路在500米及以下时，该方式下电缆金属护套一般不产生环流。通常使电缆一端的金属护套三相并联后直接接地，另一端接地接地保护器，此种方式能减少护套环流，保证输电安全。为了防止护套感应电压过大的影响，通常在电缆终端杆塔侧直接接地，保护器装设在变电站开关柜侧的另一端，当感应出的高压超过阈值时，保护器动作发生形成两端接地。
3.3金属护套中点接地两端保护接地
当线路较长时，可采用电缆护套中点直接接地两端保护器接地的方式，此时可以等效为来两条一端直接接地的电缆线路串联连接。利用中间点接地的方式要做好接头处的防水处理，开展中点电阻的周期性测量，保证中性点接地的可靠性。
3.4金属护套交叉互联接地
三段式交叉互联接线方式如图3所示。该方式通过设置绝缘式连接接头盒把电缆金属护套进行交叉换位连接，再通过电压保护器接地，两端金属护套分别接地。交叉互联的接线方式可以有效减少环流，提高长距离电缆线路的供电可靠性。
4案例及施工维护建议
4.1典型案例
2017年1月6日，某变电站35kV某开关柜出线电缆运行中发现中相接地线有烧断现象，外护套损坏严重。该出线电缆为35kV单芯并接电缆线路，采用型号为ZC-YJV-26/35-1×630mm2，接地电缆型号为YJV-10kV-1×240mm2。经现场检查确认，该电缆的站内开关柜侧和站外#0杆塔侧两端屏蔽层同时接地，站内开关柜侧一路电缆有两相接地线明显烧断痕迹，外护套破裂，其它相接地部位外敷绝缘无法观测，现场见图4。
经分析，该故障发生的原因为电缆出线开关柜侧和站外杆塔终端头侧金属护套两端同时接地，屏蔽层产生的感应电压会在闭合循环途径中产生回路电流，导致环流损耗及电缆过热，造成接地线烧毁，影响设备运行安全。现场检修人员通过红外热成像检测发现，在运行过程中，该线路A相和C相站外#0杆塔电缆金属护套接地线接头处同样存在明显过热，温度达59.07℃，热成像图如图5所示。
4.2施工及运行维护建议
（1）为避免环流产生造成电缆损坏，实际运行中一般不采用金属护套两端直接接地，通常采用金属保护层的单端接地的方式。因金属护层的电压与电缆长度成正比，采用单点接地时，常采用装设过电压保护装置限制金属保护层一端的过电压。
（2）施工中要尽量缩短过电压保护器与电缆的连接线长度，连接线的绝缘水平不得小于金属护层的绝缘水平，导线截面应满足单相接地电流热稳定性要求。在交叉互联阶段，要正确理解换位的原则，仔细检查相序，以确保相序的连接一致性，如果接线错误，电缆交叉换位处将产生较大的感应电压。
（3）要将传统检测手段和新型测试方法相结合，提升电缆在线监测能力。在路径较长、位置较为重要的高压电力电缆可装设在线监测装置，实时测量金属护套层温度、环流等信息，做到及时维护，提高日常运维效率，从而降低其故障率，提高供电可靠性。
5结语
感应电压和接地环流是检测高压单芯电缆金属护套是否损坏或接地的重要指标，电缆的长度、电缆线芯的电流及电缆排列方式直接影响感应电压及环流大小。在电缆施工及日常运维中，一方面，要充分考虑选取正确的电缆接线和接地方式，将电缆感应电压和环流限制在安全值以内；另一方面，要加强电缆运行信息的状态监测，提升电缆在线监测能力，通过定期开展电缆隐患排查，对重点部位进行红外测温，保障电缆线路安全可靠运行。
参考文献：
[1]杜伯学，李忠磊，张锴，王立.220kV交联聚乙烯电力电缆接地电流的计算与应用[J].高电压技术，2013，39（5）：14-16.
[2]高俊国，于平澜，李紫云，等.基于有限元法的电缆金属护套感应电压仿真分析[J].高电压技术，2014，40（3）：714-720.
[3]欧阳力，李小春，谭君，等.交联聚乙烯电缆护层接地电流计算及监测[J].供用电，2012，29（2）：71-74.
[4]聂世民.单芯交联聚乙烯电力电缆金属护层感应电压限制措施研究[D].天津：天津大学，2011：6-18.