关于电缆线路单点接地事故回流线选用及施工工艺的改进探讨

罗城

摘要：在电缆外层铝护套单点接地的回流线通常选用单芯铜电缆，回流线在电缆线路正常运行时导体无电流通过。因铜回收价值大，回流线被盗现象经常发生，后期运维修复工程成本较高，通过采用回收价值低的导电材料替代铜导体或改变施工工艺，可有效防止回流线被盗现象发生。

关键词：电缆线路;单点接地;回流线;护层电压;施工工艺改进

引言

为保护高压电缆线路外层铝护套在系统发生短路时，电缆外层铝护套绝缘层不被击穿，对于一端直接接地，另一端保护接地的电缆线路采用加装回流线的方法来降低因电磁场作用而产生的感应电压，从而避免因过强的感应电流通过金属保护层而导致感应电流击穿电缆的绝缘外层铝护套。但电缆线路加装的回流线在正常运行时导体无电流通过，通常设计选用的回流线材质为铜导体，回收价值大，被盗现象经常发生，后期运维修复工程成本高。如设计采用其它材料的导体替代，或改变电缆土建通道施工工艺，可有效防止回流线被盗现象发生。

1、回流线的作用

电缆线路外层铝护套有单点接地和交叉互联二种接线方式，当电缆线路采用交叉互联方式，线路发生单相接地故障时，接地电流不通过大地，此时金属护套相当于回流线，每根护套上将通过1/3的接地电流，每小段护套上的对地电压相当于一端接地线路装设回线的1/3，当电缆不换位时，各相护套的阻抗近似相等，护套之间基本无循环电流。假设接地电流不通过大地，则每相的护套通过三分之一的接地电流，此时的护套可看成一种特殊的回流线，可以将金属护套上的感应电压限制在规定的电压以内。因此，采用完整的交叉互联的电缆线路可以不设回流线。

根据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007第4.1.11之规定，采用单点接地接线方式时，交流单芯电力电缆线路的金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势未采用能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，不得大于50V，除此之外，不得大于300V。若系统短路时电缆金属层产生的感应电压，超过电缆护层绝缘耐受电压、护层电压限制器的工频耐压，需抑制电缆对邻近弱电线路的电气干扰强度，则沿线敷设一根回流线。

在电缆线路设计时，接地回流线的截面应通过执稳和暂态过程计算确定。目前，从事电缆线路设计回流线普遍采用单芯铜导体。

根据目前市面的导体材料来看，满足上述条件的材料有钢和铝二种材料，由于钢的导电性能较差，如满足电缆线路在故障条件下的相关要求，经计算，钢的截面积要大于铝和铜，因钢在施工连接时采用焊接技术，导致接触大阻变大，钢的截面变大，设计不建议选用圆钢替代方案。

铝的导电性能好，因回收价值远远少于铜，如在工程设计中选用绝缘钢芯铝绞线，可有效降低工程成本。

2、接地回流线截面计算

单点接地工频感应过电压计算示意图如下图所示：

SVL—护层电压;设置于线路中央或者设置于两端而在线路中央直接接地时，l为两则终端之间线路长度的一半。

3、工程实例

110kV祥桃I、II线，110kV桃学I、II线电缆采用混凝土槽盒敷设，呈水平方式布置，电缆缆载面1×800mm2，電缆外层铝护套采用一端直接接地，另一端带保护接地，沿线敷设1根截面为240平方毫米铜芯电缆回流线。电缆路径长度0.21km。

在该线路于2009年建成投产，不到1年时间回流线被盗，为避免线路恢复被盗现象再次发生，在运维恢复时，采用绝缘铝导体替代铝导体截面。计算条件如下：

1）系统参数

电压等级： US=110kV

频率： f=50Hz

单相短路电流：IS（1）11.6kA

两相短路电流：IS（2）=12.8kA

三相短路电流：IS（3）=14.6kA

2）电缆结构及参数

电缆截面：  800mm2

线芯： 铜

直径： 34.8mm

导体包带厚度： 0.8mm

内屏蔽厚度： 1.5mm

绝缘层厚度： 16mm

外屏蔽厚度： 1mm

半导电阻水层厚度   3.3mm

隔热层厚度： 0.5mm

金属护套厚度： 2.1mm

护套最小内径 ： 81mm

护套最大外径： 94.7mm

隔离层层厚度： 0.2mm

外护套厚度： 4.5mm

电缆外径： 103.7mm

线芯干燥或浸渍  是

线芯结构： 分割圆线

允许短路电流时间：t=3s

环境温度：T=40℃

短路时线芯最高温度：Tmax=250℃

短路时护套最高温度：Tmax =200℃

线芯工作温度： 90℃

护套工作温度： 60℃

3）电缆敷设参数

排列方式：双回路水平排列，相间距230mm，回路间距400mm

护套接地方式：单端互联接地加回流线，分段长度：250m

4）计算结果：

（1）电气计算结果

正常运行时感应电压最大为：

A相感应电压：9.03 + 27.18j = 28.64 V

三相短路时最大感应电压为 A相感应电压： 138.78 + 455.93j = 476.58 V

回流线最大感应电流： -8.80-24.36j = 25.9 A

两相短路时感应电压

A、C相短路时

A相感应电压：404.18 + 233.35j = 466.71 V

单相短路时感应电压（本程序仅计算A相短路时的感应电压）

A相感应电压：218.66 + 792.76j = 822.36 V

（2）载流量计算结果

无混凝土包封埋管时回路1载流量（控制相：C相）  694 A

3、导体及护套可承受短路电流计算结果

绝热情况下导体能承受的短路电流：65.99 kA/3s

非绝热情况下导体能承受的短路电流：66.96 kA/3s

绝热情况下金属护套能承受的短路电流31.19 kA/3s

非绝热情况下金属护套能承受的短路电流  34.75 kA/3s

（3）接地电缆与回流线计算

接地线、回流线最小截面（铝）：120.39mm2

接地线、回流线最小截面（铜）：78.89mm2

单相短路时感应电压（本程序仅计算A相短路时的感应电压） （无回流线时）

A相感应电压58228.97 + 2720.89j = 58292.51 V

综上所述：

1、系统正常运行时电缆护层感应电压为28.4V;

2、110kV祥桃I、II线，110kV桃学I、II线系统发生单相接地故障时，短路电流约11.6kA（系统计算提供），沿线未敷设回流线时，电缆护层感应电压（单位：kV）为58.2+ 27.2j = 58.3kV，本工程中110kV单芯电缆铝护套所能耐受的耐受电压为37.5kV，保护接地端SVL额定电压2.8kV，残压7kV。

根据GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》4.1.15中要求，通过热稳定、电压限制水平綜合校验，回流线选择绝缘铝导线，截面积为150mm2。

采用铝截面替代铜芯电缆后，该线路经过长达10年的运行，情况良好，没有被盗现象发生。

4、施工工艺流程及工程造价

为解决线路运营维护中回流线易盗，恢复成本高等问题，可在施工工艺上进行改进，通过工艺改进可以节省工程造价。

4.1施工工艺

在电缆土建施工过程中，将绝缘铝导线敷设至电缆混凝土沟壁内，或夹在过路埋管、顶管管材之间沿线敷设，最后在工井内采用跳线引流管（表面渡铜）进行液压，在各井口连接处采用螺栓连接并涂一层防腐漆，采用混凝土包封，将回流线隐埋在沟内;此施工工艺选用埋管和顶管敷设方式时单回电缆线路可以少埋1根HDPEΦ150管预埋管.

4.2技术经济分析

（1）顶管施工费为480元/米，;埋管工程造价为120元/米;单芯截面为150mm2单芯电缆为125元/米;

（2）采用铝截面施工成本为25元/米;

就本工程而言，选用截面为150mm2绝缘铝导线可满足设计要求。经技术经济造价分析，用于埋管和顶管敷设中可节省工程造价分别约200元/米和560元/米，经济效果显著。

5、小结

通过材质的替代及施工工艺的改进，可以节省工程投资，解决回流线被盗的技术措施及运维单位被盗后修复的成本过高的问题。

参考文献：

[1]电力工程电缆设计规范（GB50217-2007）.