高压单芯电缆护套接地及蛇形敷设分析

赵辉

中石化石油工程设计有限公司 山东 东营 257026

摘要：本文针对高压单芯电缆在工程实际应用中需额外考虑的护套接地、蛇形敷设问题进行讨论分析，并以某220kV变电站改造工程为例，对单芯电缆护套感应电压、轴向力等相关参数进行了计算分析。

关键词：单芯电缆；感应电压；接地；轴向力

0 引言

随着社会经济的发展，城镇、工业用电负荷不断增长，受限于土地、空间等因素，高压单芯电缆的使用场景越来越多。区别于配电常用的低压多芯电缆，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，故本文从工程设计的角度出发，对高压单芯电缆护套接地及蛇形敷设问题进行分析和探索。

1 电缆护套接地方式

普通多芯电缆三相导体排列紧凑，在金属护套上的感应电压相互抵消；而单芯电缆内部仅有单相导体，正常工作时电缆内部线芯电流会在其周围感应出交变磁场，从而使得电缆金属护套在交变磁场的作用下产生感应电压。在短路故障、遭受雷电冲击时形成的感应电压甚至可能击穿绝缘护套，故电力安全规程及相关规范作出明确要求，高压单芯电缆的金属护套必须进行接地处理。

当电缆金属护套接地且与大地形成完整的回路时，护套上就会产生环流。如果高压电缆金属护套上长时间有较大的环流流过，产生大量热量，会对电缆造成以下危害：（1）护套发热，降低电缆载流量；（2）加速绝缘老化，降低了电缆的正常运行寿命。因此需对电缆金属护套感应电压进行估算，选取合理的接地方式降低护套感应电压和环流，工程中常用的接地方式有单端接地、双端接地、交叉互联接地三种。

其中单端接地方式适用于距离较短的情况，可分为以下两种方式：（1）电缆金属护套一端直接接地，另一端通过护层电压限制器接地；（2）电缆中央部位金属护套直接接地，两端通过护层电压限制器接地。而对于距离较长的电缆线路，通过护层电压限制器接地端的金属护套上感应电压较大，因此需采取双端接地或者交叉互联接地。

图1 线路一端或中央部位单点直接接地

在双端接地方式下，电缆金属护套两端均直接接地。双端接地方式虽然可以有效抑制金属护套上的感应电压，但电缆护套上始终有环流通过，产生大量附加损耗，长期运行会引起电缆发热，因此实际工程中双端接地方式应用较少。

图2 线路两端直接接地

在交叉互联接地方式下，利用中间接头将长距离电缆按照三的整数倍分段，每小段之间设置绝缘接头，将相邻小段的金属护套交叉连接，并通过护层电压限制器接地，使其依次包围三相导体实现相互抵消，故在每段两端的感应电压为零。此方式是具备足够敷设空间情况下长距离电缆接地的优先方式。

图3 交叉互联接地

2 电缆蛇形敷设

在环境温度或负荷电流变化时，电缆导体温度变化引起的热胀冷缩所产生的轴向力十分巨大，会对电缆的安全运行产生较大的威胁，且导体截面越大产生的轴向力越大。工程中常用的解决方案是采取水平或垂直蛇形敷设的方式，通过设置有助于自由伸缩的裕量来释放其轴向力，防止电缆线路接头、终端、金属护套以及电缆附属设施被破坏。

进行蛇形敷设设计时，首先需依据工程经验选取合适的蛇形长度与弧幅，垂直蛇形敷设的蛇形长度一般取4.5~5.4m，不宜超过7.2m，对应蛇形弧幅取1.5~2倍的电缆外径，随后依次计算得热伸缩量、弧滑移量以及轴向力，以轴向力为依据校验皱纹铝护套强度等，如不满足则对蛇形长度、弧幅进行相应调整。

3 工程案例分析

在某220kV变电站改造设计中，GIS间隔与主变之间220kV单芯电缆为品字形敷设，路径长度约为245m，采用单端接地方式，GIS侧采用护层电压限制器接地，主变电缆终端侧直接接地，GIS侧感应电动势计算如下：

式中：I为电缆导体正常工作电流，A；S为各电缆相邻之间中心距，m；r为电缆金属套的平均半径，m。

满足正常感应电动势不大于50V的要求，且小于电缆护层绝缘耐受强度及护层电压限制器工频耐压，无需设置回流线。

考虑实际改造情况220kV单芯电缆电缆通道较窄，故采用垂直蛇形沿通道地面敷设，采用沙袋垫高，蛇形弧幅为180mm，蛇形长度为5000mm，敷设完成后通道内填砂处理，对设计方案校验如下。

导体温升为65℃时，热伸缩量的计算如下：

式中：t为导体的温升，℃；α为电缆的线膨胀系数，1/℃；L为半个蛇形长度，mm；μ为摩擦系数；W为电缆单位长度的重量，N/mm；f为电缆的反作用力，N；A为导体截面，mm2；E为电缆的杨氏模量，N/mm2。

图4 蛇形敷设符号说明

蛇形敷设弧滑移量的计算公式为：

式中：m为电缆热伸缩量，mm；B为蛇形弧幅，mm；n为电缆滑移量，mm。

垂直蛇形敷设时，温度下降、上升产生的轴向拉张应力、压缩力如下：

式中：EI为电缆的弯曲刚性，N·mm2。

在当前设计条件下，施工敷设难度适中，温升时产生弧滑移量较小为15.8mm，对两端的压缩力为3.45kN，降温时对两端的拉张力为2.36kN，满足所使用JGPD型夹具及支架最小拉力

4kN的要求，远小于单芯电缆皱纹铝护套的强度，能够保持安全平稳运行。

4 结语

（1）根据单芯电缆敷设距离的不同，在满足感应电压要求的情况下，选取合适的接地方式，可以有效提高电缆的使用寿命，使得设计方案达到安全可靠、经济合理、技术先进的目标。

（2）蛇形敷设本质上是超静定力学问题，但实际工程中需根据具体情况作出技术经济比较确定。增大蛇形长度、弧幅可有效降低轴向力，保证后续运行的安全性，但同时会导致电缆长度增加、通道尺寸变大，故此问题需结合理论分析与运行经验，具体问题具体分析。

参考文献

[1]GB 50217-2018. 电力工程电缆设计标准[S]. 北京: 中国计划出版社, 2018.

[2]DL/T 5221-2016 城市电力电缆线路设计技术规定[S]. 北京: 中国计划出版社, 2016.

[3]段利辉. 单回路高压单芯电缆金属护套感应电压及限制措施[J]. 石油化工设计, 2011, 28(1): 17-20.

[4]李新振. 高压单芯电缆金属护套接地方式探讨[J]. 电力安全技术, 2015, 17(10): 62-65.