高压电缆接地电流计算模型与状态分析

国网上海市电力公司青浦供电公司 谢 伟 方 祺 张树欣

城市化的推进加快，地区之间电力输送日益增加，高压电缆输电线路长度和负荷也日益增加，特别是110kV及以上单芯高压电力电缆需求量得到了大幅度的上升，相应的电缆承受的负荷也不断提高。基于此现状，大规模单芯电缆引起的金属护套接地电流现象也更加明显。此问题的存在也得到了更多的重视。根据国标的规定，高压电力电缆的金属层上的任意点的非直接接地处的正常感应电势最大值应该在要求的范围内。当存在一定的触碰危险时数值不得高于50V，此外均不得高于300V。就高压电缆而言，内部结构使用的为单芯结构类型，结合对电磁学原理知识的分析，可知此会造成金属护套会产生一定的感应电压。所以，高压电缆金属护套存在的感应电压是无法杜绝的，需要进行有效的应对，保障电缆正常运行。

通常情况下，会采用分段接地的策略来减轻感应电压带来的影响。在实际工程现场中，假如存在不恰当的接地操作，将会进一步引发较严重的接地电流出现。接地电流会影响到电缆线路的正常使用。一是会影响输电线路功能的发挥，二是会促使主绝缘性能受损，降低电缆的使用年限。所以有效且合理的接地操作、降低环流，对保障电缆的正常使用具有关键性意义。如果在电缆的终端处、中部接头护层处和接地电缆之间的连接存在接触不良的情况下，会造成连接位置出现高温，进而会引发电缆异常，因此通过高压电缆的接地电流可以衡量出电力电缆的工作情况。

基于此，可以对接地电流数值加以运算来分析高压电缆的运作概况。本文立足于高压电缆的构成部分，结合交叉接地方式，描述影响金属护套接地电流数值的几个要素，即接地、排列方式以及负荷情况与运作概况。通过这些层面的分析，构建出单芯电缆护套接地电流计算的数学模型。

1 高压电缆的结构及接地方式分析

1.1 高压电缆的结构分析

在高压输电电缆中由于交联聚乙烯（XLPE，Cross Link_ed Polyethylene）具有较好的供电路可靠性、环境友好等优点，在高压输电中有着广泛的应用。本文主要结合以交联聚乙烯为代表的高压电缆进行分析。

高压电缆的组成要素较多，其中影响到功能发挥的几个重要部分为通电线芯、绝缘层与金属护套。各个构成要素说选用的合成材料是不同的，所承担的职责与起到的功能也是具有独特性的。电缆导体即为线芯，其作用就是完成电流的输送。基于其需要完成的责任，在材料的选用上，就需要使用在导电功能方面较为良好，且阻抗较低的材料，进而能够使得电流输送效率达到最大，降低损耗。此外，对机械强度、成本以及制造产地具有一定的要求。一般会选取铝或者铜材质的线芯。

电缆半导电包带的作用是将电缆导体、线芯绑扎起来，同时，起到一定的隔离、屏蔽功能，不具备腐蚀性。

电缆的导体屏蔽选取的材料不会是金属材料，一般情况下，会选取半导体材料来完成对导体的覆盖。此种形式的材料通常需要进行挤包处理。在进行挤包操作时，需要考虑电缆中的绝缘材料是否与处理后的半导体材料连接紧合。现阶段，在工程现场中应用较多的为交联型的导体屏蔽材料，而要使得半导体材料包裹导体具有较高的质量的话，就需要对实现均匀包裹。如果要达到均匀的包裹，就需要电缆的表面较为光滑，这也就意味着导体表面不存在较多毛刺、颗粒物体或者受损痕迹等。

高压电缆输送电能的导体上的屏蔽的功能就是调节导体附近电场的分布。因为绝缘层无法完全贴合导体，二者之间会存在一定的缝隙，同时导体的表面难以达到理想状态下的光滑状态，所以将造成电场的局部过大。此现象的出现无疑会损害绝缘性能。所以，就要求对导体表面加以处理，通过覆盖半导体屏蔽材料的方式，能够使得导体与绝缘层间存在的缝隙被填充，进而实现二者间的高度贴合，基于此，最终会使得导体附近的电场达到均匀分布的状态，优化了局部放电电压，降低二者间形成放电现象的可能性。同时，选用的半导体材料的构成中含有一定的碳元素，而碳元素能够将电离的破坏物吸附起来，进而可以促使电场的均匀化分布目标的达成。在此基础之上，也进一步使得绝缘功能得以提升，提高电缆的使用寿命。

电缆的绝缘层的目标即为电气隔离，其能够将纤芯中存在的高压和绝缘层外部隔离开来。绝缘层不仅要能够应对高压，也需要面对局部放电现象，所以，在材料的选取上要考虑耐高压、稳定特性优良的材料。通常而言，绝缘层中选用的材料类型为高阻值的材料，例如聚乙烯、交联聚乙烯等诸多种类，其中，在实际现场中应用较多的材料为交联聚乙烯。由于电缆绝缘层表现出的耐高压、结构稳定等多种优势，所以，能够提高电缆的正常运行状态。此种屏蔽层属于内屏蔽层。

高压电缆局部放电现象的出现还受到另外现状的影响，即交联聚乙烯绝缘层与高压电缆金属护套无法始终确保完全的贴合状态，二者间出现间隙的情况下，局部放电现象出现的可能性也就会增大。所以在生产电缆时，可以在电缆绝缘层的表面覆盖半导体材料的屏蔽层，其属于外层屏蔽层。通过此种操作，能够将绝缘层和金属护套间的间隙进行有效填充，基于此，可以使得绝缘层和金属护套的电位达到等势状态，进而能够降低局部放电现象出现的可能性。

1.2 高压电缆接地方式分析

现在高压电缆接地中常用的有四种方式，分别是单端接地方式、双端接地方式、中点接地方式和交叉互联接地方式。

单端接地方式。常用在供电下路较短的线路中，将高压电缆金属护套的一头直接进行接地，另一头接入到高压电缆保护器后进行接地。这种接地方式在高压电缆金属套和大地之间没有回路，就不会差生接地电流，在运行中，高压电缆金属护套中由于没有接地电流就不会出现发热的情况，可以提高高压电缆的载流量。但是在经过保护器接地端感应电压较高，容易对高压电缆的绝缘层造成破坏，而且线路越长感应电压越高，影响到工作人员的安全，所以这种方式只适用在输电线路较短的高压电缆中。

双端接地方式。指的是输电电缆的金属护套的两端位置处，不与护套保护装置进行连接，而是与地加以相连。此种连接方案节省了保护器，降低了成本的同时还减少了对保护器的维护，具有较高的经济性，但是这种接地方式会在高压电缆金属保护套中形成较大的接地电流，要求电缆线芯中的流过的电流不能过大，适用于保护套接地电阻较大的低压电缆。

中点接地方式。在单端接地方式的基础上，如果高压输电线路超过500m，造成非直接接地端的感应电压较大，可以将两个单端接地方式合并，将高压电缆保护金属套两端直接接地，将线路的中点经金属保护套接地。

交叉互联接地方式。在高压电缆的实际设计中，一般都是利用三角性排列的铺设方式，在线路需要转弯的地方和保护套进行交叉连接，这样由于接地电路很小，不会对高压电缆的运行造成影响，交叉互联接地方式现在是应用最广泛的连接方式。

2 高压电缆接地电流产生与计算模型研究

2.1 高压电缆接地电流产生原因

高压电缆的线芯中的电流会产生交变的磁场，在磁场中的高压电缆金属套内就会产生感应电压。虽然利用电缆的交叉互联方式能够有效降低高压电缆金属保护套上产生的感应电压。但在高压电缆的实际铺设中，由于受到环境的限制，很难保证电缆的每个小段都是完全一致的，会造成在铺设的过程中电缆的排列方式有一定的差异；还有就是在电缆排列的方式上相同，也难以保证电缆的长度相同，所以在高压电缆的金属护套上会产生一定的感应电压，利用交叉互联的方式只能降低感应电压。

就是在正常的运行中高压电缆金属护套上也会有接地电流，只是接地电流的幅值较小，不会对高压电缆的安全运行造成影响，但是如果高压电缆的的绝缘受到破坏，存在绝缘老化、化学腐蚀以及外力破坏等就会造金属护套存在多点接地的情况，破坏了高压电缆金属护套的交叉互联接地方式，金属护套中的感应电压就会增大，导致接地电流也会增加，影响高压电缆的安全运行。

在电缆交叉互联箱中如果出现故障也会导致接地电流增加，特别是交叉互联的接线方式不一致，会造成换相失败，增大接地电流。如果电缆的接头的绝缘隔板被击穿、护层保护器被击穿、交叉互联箱金属进水等也会造成接地电流增加。

2.2 高压电缆接地电流计算模型

对高压电缆的接地电流进行计算，结合交叉互联接地方式建立高压电缆的等效电路如图1所示。

图1 高压电缆交叉互联接地等效电路图

在图1的等效电路中，Rd1和Rd2是高压电缆金属护套两端接地电阻阻值，Rd是高压电缆的接地区域的大地漏阻，ISA、ISB和ISC分别代表的是高压电缆A、B和C相金属护套上的感应电流，ZAi、ZBi和ZCi是高压电缆排列后各个小段的金属护套的自阻抗，Im是大地的漏电流，USAi、USBi和USCi表示的是高压电缆金属护套上的感应电压，UTAi、UTBi和UTCi表示的是感应电流和大地漏电流引起的感应电压，i是数字1、2和3。

根据电磁感应可以得到高压电缆金属护套的感应电压的计算式为：

在式（1）中，rse是大地漏电流和金属护套之间的距离，它的大小受到大地磁导率P的影响的。利用Xab、Xbc和Xac对高压电缆A、B和C相金属护套上的互感抗进行表示，req表示三相金属套与大地的互感抗，可以得到：

代入式（1）中，进行化简，可以得到：

根据高压电缆电流计算式知道：

经过整理可以得到：

可得到高压电缆金属护套接地电流的计算式为：

根据上述可以知道，只要得到高压电缆中线芯电流的大小就可以计算做出接地电流。

3 基于接地电流的高压电缆状态评估

假如电缆接地系统处于良好的运行状态下，按照理想情况，接地电流测量出的数值和计算得出的数值是一致的。不过在实际工程现场中，电缆的排列情况如电缆间的距离、长度偏差、电容电流的变化，均会给数据采集带来一定的干扰性，这就会促使计算得出的结果存在一定的误差。所以，使用绝对值来衡量电缆接地状况需要进行考虑。

当电缆交叉互联系统应用过程中产生不平衡状态下，结合水平排列以及品字形排列的S/d数值大小，能够得出三相同时取得平衡或者不平衡。这种不平衡在叠加到原有系统上时，同时改变三相交叉互联接地电流的大小，所以只要在ABC相接地电流之间的大小趋势与软件的电流计算值相对应，基本就可以断定该电缆的接地系统是正常工作的。假如计算存在一定偏差情况的话，那么通常这些偏差的出现是由于排列方式参数准确程度不高或者存在的微弱电容电流值。