110 kV交联聚乙烯电缆金属护套接地电流异常分析

张 林，张祥华，李 健，李晓龙，韦兴磊，张振昌，刘 露

（国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000）

0 引言

随着电网的快速发展，高压电缆在城郊电网中运用越来越广泛。目前，某市城郊地区运行的110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆有37条，总长72.5 km，电缆全部为单芯结构。当单芯电缆通过电流时，在金属护套上会产生感应电压，如果护套接地，则形成电流通道，在金属护套上会产生环流。如果金属护套中电流过大就会使金属护套发热，不仅浪费了大量电能，而且会降低电缆的载流量，长期运行可能伤及主绝缘或加快劣化。为此，该供电公司对所辖110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆金属护套接地电流全部进行检测，发现某110 kV线路电缆金属护套接地电流异常，并提出了解决措施。

1 电缆金属护套接地电流产生的原理

110 kV及以上高压电缆均采用单芯结构，金属护套一方面起径向阻水和抗机械损伤的作用，另一方面在系统发生短路故障时为故障电流提供回流通路。当单芯电缆线芯流过交变的电流时，在线芯的周围会产生交变的磁场，该交变磁场与金属护套相交联，在金属护套上将产生感应电动势。感应电动势会在护套中产生环流，较大的环流会影响电缆的载流量，同时会产生附加损耗，并可能引起电缆发热。在单芯电缆构成的交流传输系统中，金属护套处于导体电流的交变磁场中，在金属护套中产生一定的感应电动势，其大小与电缆线路的长度、截面及电压等级有关，长度愈长、截面愈大、电压等级愈高，其感应电动势愈高。如果护套形成通路，金属护套中的感应电动势将在护套中形成金属护套感应电流Is［1］。单芯电缆的导体与金属护套之间形成以导体和金属护套为两极、绝缘材料为介质的电容器，在交流电压作用下，会产生电容电流Ic。金属护套接地电流Id由金属护套感应电流Is和电缆电容电流Ic两部分构成，即Id=Is+Ic。

2 电缆金属护套常用接地形式

110 kV及以上高压电缆均为单芯，其线芯与金属护套可看作一个变压器，当线芯通过电流时就会有磁力线交链金属护套，在磁力线的作用下，金属护套上会产生感应电压，感应电压与电缆长度和流过导线的电流成正比。电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，为保障人身安全，金属护套上的感应电压不得超过50 V；当不接地端的电缆金属护套已用绝缘材料包裹时，该感应电压可提高到100 V。另外，在发生不对称短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，金属护套上会形成很高的感应电压，将使护套绝缘发生击穿。因此，电缆金属护套对地应保持良好的绝缘，并在设计、安装时，按照安全、可靠、经济合理的原则，在电缆护套的一定位置，根据线路的不同情况，采用护套两端接地、护套一端接地、护套中点接地、护套交叉互联接地、电缆换位接地等特殊的连接和接地方式，以防止电缆护层绝缘被击穿。

为了降低金属护套上的感应电压，根据电缆长度的不同，运行中的110 kV电力电缆的金属护套接地方式主要有 3 种［2］。

当电缆长度在500 m以内时，金属护套通常采用一端直接接地，一端经护层保护器接地，如图1所示。由于金属护套只有一端接地，不能构成电流通路，护套内只有感应电压，没有金属护套感应电流Is，在金属护套接地端测量到的接地电流是电容电流Ic。

图1 金属护套一端接地

当电缆长度在1 km以内时，金属护套通常采用中间直接接地，两端经护层保护器接地，如图2所示。中间接头采用直通头，接头金属护套直接接地，两端采用保护接地。电缆金属护套两端对地绝缘，在金属护套接地端测量到的接地电流是电容电流Ic。

图2 金属护套中间直接接地

当线路较长在1 km以上时，采用交叉互联接地方式，如图3所示。交叉互联接线方式是将电缆线路分成若干个3的倍数段，且每段原则上长度相等，每一段之间安装绝缘接头，绝缘接头处护套三相之间用同轴电缆经交叉互联箱进行换位连接后，通过护层保护器接地，每个互联段位之间安装直通接头，金属护套互联后直接接地。

图3 金属护套交叉互联接地

3 接地电流异常原因分析

前文所述发生接地电流异常的110 kV线路为电缆和架空导线混合线路，该段电缆线路投运于2017年 9 月， 电缆型号 YJLW02-64／110 kV-1×630 mm2，电缆三相垂直排列。为检查该段电缆线路的接地电流情况，作业人员使用数字钳形电流表对该线路58号和59号电缆段5组接地箱接地电流进行检测，接地电流正常标准需符合以下3个条件：接地电流绝对值小于100 A，接地电流与负荷比值小于20%，单相接地电流最大值与最小值的比值小于3。该段电缆金属护套接地形式如图4所示，检测结果如表1所示。由表1可见2号接头和59号终端接地电流异常，2号接头C相接地电流最大值220 A，59号终端C相接地电流最大值232.1 A，测量时的负荷电流为105 A，接地电流最大值是负荷电流的2.2倍，判定为危急缺陷。

图4 接地形式

表1 接地电流检测结果 （A）

3.1 原因分析

3号接头是一个直通头且用的是保护接地，相当于59号终端到2号接头之间的电缆外护套是相通的。59号终端的电缆铝护套和2号接头的电缆铝护套均直接接地，二者通过大地形成回路，同时A相、B相、C相之间也有环流，造成59号终端和2号接头接地电流过大。通过以上分析，接地电流存在问题的电缆段改造时，电缆外护套接地方式的设计不合理，导致该段电缆外护套内形成比较大的环流，长期运行可能引起各中间接头金属护套接地连接处发热，伤及主绝缘或加快劣化［3］。

3.2 处理方式

根据上述检测结果，分析出问题的原因后，申请该线路临时停电处理。接地方式处理原则：将59号终端的直接接地改为保护接地，阻断了59号终端的电缆铝护套和2号接头的电缆铝护套通过大地形成的回路，如图5所示。现场作业人员将59号终端的直接接地箱更换为保护接地箱。该线路送电后，各接地箱接地电流检测结果如表2所示，恢复正常。

图5 处理后的接地形式

表2 接地电流检测结果 （A）

4 结语

本文对110 kV交联聚乙烯电缆金属护套接地的接地方式、金属护层的电流形成原理进行了介绍，分析并解决了某110 kV线路58号和59号电缆段金属护套接地电流异常隐患。为避免类似的隐患发生，在以后的高压电缆运行和检修过程中，要注意以下几点：

1）电缆金属护套接地电流的测试是对电缆外护层绝缘状况、接地连接情况进行检查的有效手段。

2）电缆金属护套接地电流的测试检查，为分析金属护套是否存在接地故障提供参考依据，可作为电缆状态评估的重要手段。

3）为杜绝新改建电缆线路出现接地方式错误，应提前介入电缆线路建设工程，督促设计人员一定要现场勘查，确定原有电缆段的接地方式，确保新旧电缆全线接地方式配合一致，从源头上杜绝类似问题。

4）电缆线路改造和定期检修完成后，需要对各电气连接点进行检查，查看连接是否良好，接触面的压力是否能够保证接触电阻符合热稳定要求，能否达到机械和电气的连接要求。必要时，可在线路重新投运后，采用红外测温的方法进行检查确认，以避免出现类似的缺陷。