FPSO中高中压单芯电缆金属护套接地方式的研究

2019-01-25董书发马仕跃

船电技术 2019年1期

董书发，马仕跃

董书发，马仕跃

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

本文介绍了单芯电缆金属护套常见的接地处理方式，分析感应电压产生的原因。金属护套的感应电压除了和运行负荷的工作电流，电缆排列的方式，线芯的间距有关，还与供电回路数量，护套的接地方式选择有关。最后，结合巴油P70项目采用电缆的参数及分析计算，指出实际敷设中应采用三角型排列，金属护套采用单端接地处理方式。

电力电缆护套接地感应电压排列方式海洋平台

0 引言

随着科学技术的发展,海洋平台及FPSO对电力容量的需求越来越大，三芯电缆已无法满足设备对电容量的需求，大量的高、中压单芯铠装电缆被广泛采用。由于受平台或FPSO空间的限制，大量的电缆敷设于不锈钢或玻璃钢托架内，为保证作业人员的人身安全及电缆的安全运行，需对电缆铠装层及屏蔽层接地，选择何种接地方式将至关重要。

1 接地方式

金属护套接地是指将钢铠和铜屏蔽层接地，但在实际接地中为了便于检测电缆内护套的好坏，有时会将钢铠和铜屏蔽层分别接地。本文中金属护套接地包含铠装和铜屏蔽层接地。常见的单芯交流电缆的金属护套的接地方式[1-2]有以下几种：

1.1 单端接地

当线路不长可采取单端直接接地，如图1(a)所示。当系统发生雷击或短路故障时，受冲击电压的影响，金属护套及屏蔽层将会产生感应电压，感应电压的数值远远超过电缆正常工作电压数倍，可能会将电缆护套的绝缘护套击穿，造成电缆的金属护套多点接地，因各个接地点位置不同，电位也将不同，之间存在电位差，与大地构成回路而护套中出现接地环流。由于金属护套及屏蔽层电阻阻值比较小，产生的环流较大，可能达到电缆导体输电电流的1/3，金属护套将会产生发热，电缆的载流量也将会受到影响，若该电流持续时间较长，发热将会使电缆绝缘老化，降低电缆的使用寿命，造成电能的损耗。

1.2 中点接地

当电缆长度较长时，若电缆线路采用单端接地，金属护套因工作电压而产生的感应电压将不满足设计规范要求[3]，为降低感应电压，可以在电缆线路的中点将电金属护套进行单点接地，而金属护套的两终端采用保护器接地方式，如图2(b)所示，中点接地可看作两个单端接地。采用此接地方式可保证感应电压不超过50 V，满足规范要求。

图1 接地方式

1.3 两端接地

两端接地即全接地方式，如图1(c)所示。当电缆长度较短，负荷较小时，可将金属护套两端直接接地方式，接地两端也不采用保护装置。若金属护套两端直接接地，金属护套、大地将构成一个回路，在电缆正常运行时，金属护套因受交变的电流影响，将在金属护套中产生感应电压进而形成环流及相应损耗。有文献指出，若用此种接地方式，在高压电缆回路中产生的环流数值高达电缆导体电流的50%以上，甚至更高。因此，电缆金属护套两端接地一般不用，仅适用于极短电缆和小负载电流线路中。

1.4 交叉互联接地

若线路较长，可采取交叉互联接地，如图2所示。电力电缆在运行时A、B、C三相电压相位差为120°，在每相的金属护套中产生的感应电压也相差120°，若将三相电压矢量相加，结果等于0。交叉互联接地是利用三相电压矢量和为零，将每相线路分成三或三倍数段，然后利用互联箱进行交叉连接，感应电压将相互抵消，再通过护套保护器接地处理，电缆两端的金属护套直接接地处理。若将电缆线路合理的分配成等长段，三相线路严格对称，可实现理想的交叉互联，每相护套内的感应电压为零，电缆两端的接地电位差也为零。采用此方案，可提高电缆的输电容量，保证电缆的可靠运行。

图2 交叉互联接地

电缆的金属护套采用不同接地方式的目的是降低及消除感应电压，确保巡视及检修人员的人身安全。根据国内相关的标准和规范，交流单芯电力电缆的金属护套，必须直接接地，且在金属护套上任一点非接地处的感应电压应满足以下要求：在未采取安全措施时，感应电压不得大于50 V；在采取安全措施时，感应电压不得大于100 V。其他部位对地不构成电流回路，减少及消除环流，只有这样才能提高电缆的传输容量及电缆的运行安全。表1给出不同接地方式优缺点对比表。

表1 接地方式对比

2 感应电压分析

在交流传输系统中，从单芯电缆的导体及金属护套的结构上，可以看成为一个空芯变压器，电缆的金属导体为变压器的一次绕组，金属护套为变压器的二次绕组，金属导体流过交变的电流，产生交变的磁场，在交变磁场中的金属护套也会产生感应电压。若电缆长度较短时感应电压的数值不大，若长度较长时因感应电压的叠加，数值将会很大，可能会危及作业人员的人身安全。当护套与大地形成通路时，护套中的感应电压将会在护套中形成环流，消耗电能，并引起电缆发热，特别是在高压及超高压电缆线路中，护套损耗对线路的载流量造成很大的影响[4-6]。

在图3中，1、2、3分别为A、B、C三相各个金属护套之间的间距。为了便于分析，在三相负荷电流平衡的电缆线路中，将同芯的金属护套O看作邻近的平行导线。在图3中，为A相电缆金属护套几何半径；3为与C相间距；1为A相金属护套与B相间距，2为B相金属护套与C相间距，单位为mm。设A、B、C相通过的电流为：

根据电磁感应原理可知，在A、B、C三相金属护套中产生的磁通分别为：

在式2中，s为假想的平行导体O的几何半径，≈s,根据公式1三相电流关系及公式2磁通与电压之间的关系，可得三相中的感应电压为:

图4 单芯电缆排列方式

根据式（3）可知，每一相产生的感应电压与每相之间的线芯距离，线路的负载电流相关。当金属护套、大地构成回路时，因感应电压的存在，金属护套上会产生电流即环流。同时，受电缆构成及结构的影响，单芯电缆线芯与金属护套构成一个电容器，中间介质为电缆主绝缘层，在金属护套中，还包含泄漏电流、充电电流。后两种电流的大小主要受电缆线芯与金属护套之间的电压及电缆结构参数等因素的影响，与电缆三相排列方式与金属护套接地方式无关。实际工程中常见的电缆排列方式如图3所示，包括直角排列，三角排列和水平排列。

在巴油P70项目中，采用的单芯高压电缆为15 kV交联聚乙烯单芯铠装300 mm2，负荷电流500 A,电缆轴间距44.2 mm，金属护套平均半径18.6 mm，根据公式3计算可得，各电缆排列方式对应的每相感应电压如表2。

表2 不同敷设方式感应电压数值

敷设方式感应电压V/km USAUSBUSC 三角27.227.227.2 直角34.327.234.3 水平42.427.242.4

由表2可知，在单芯电缆金属护套中产生的感应电压，不但取决于电缆的负荷电流，同时也受三相单芯电缆的排列方式及传输线路长度的影响。此外，根据相关文献护套中的感应电压还与附近线路的排列方式，有无回流线，回流线的根数，线路回路数有关[7-9]。在金属护套中的环流，受感应电压、接地电阻，金属护套的阻抗等参数影响。

3 结语

单芯电缆金属护套接地方式的选择将直接影响着电缆的安全运行，采取合适、正确的接地方式，不仅能提高电缆的传输容量，降低工程成本，而且对设备的运行、维护有着重要的意义。因此，在电缆线路设计及施工中，应合理的选择接地方式。此外，对于单芯电缆，为减少涡流等因素的影响，设计及选择时不应采用未经磁化处理的金属铠装护套。通过对中高压单芯电缆采用不同排列方式及感应电压的计算分析并结合实际情况，巴油P70项目采用三角形敷设方式，即将三相电缆通过卡子固定在一起，金属护套接地采用盘柜侧单端接地，另一端做悬空并做相应的绝缘处理。

[1] 郑肇骥, 王琨明. 高压电缆线路[M]. 北京: 水利电力出版社, 1993．

[2] 江日洪. 交联聚乙烯电力电缆线路[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008．

[3] GB 50217-2007. 电力工程电缆设计规范[S].

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Research on Grounding Mode for High and Middle Voltage Single Core Cable Metal Sheath in FPSO

Dong Shufa, Ma Shiyue

（Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co. Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China）