35kV单芯电力电缆金属屏蔽层交叉互联接地错误的分析与处理

摘要

兴发集团宜昌新材料产业园中心变电站的研究人员邓军，在2019年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，交流系统单芯电力电缆在运行中金属屏蔽层会产生感应电压。

为了人员安全和电缆的正常运行，一般通过直接接地、交叉互联接地等方法限制电缆金属屏蔽层的感应电压在允许范围内，但在施工过程中，往往由于某些原因会导致交叉互联出现错误，使金属屏蔽层感应电压不能得到有效限制，从而引发电缆烧毁和电击伤人等事故。

本文以35kV单芯电力电缆金属屏蔽层交叉互联接地错误实例进行分析，并对交叉互联接地错误采取补救措施。

近年来，随着国内供电网络的不断更新和发展，高压单芯电力电缆的诸多优点日益显现，使其在供配电领域中的应用越来越广泛，同时因施工错误引起电缆出现故障的问题也日益突出。高压单芯电力电缆金属屏蔽层交叉互联接地施工错误现象尤为常见，其带来的危害非常严重。
本文以一则35kV单芯电力电缆金属屏蔽层交叉互联接地错误案例进行分析，探索环流过大的原因，并对交叉互联接地错误采取补救措施，消除缺陷。
1 单芯电力电缆金属屏蔽层的接地方式
单芯电力电缆具有结构的特殊性，当线芯流过交流电流时，电缆金属屏蔽层在线芯电流产生的交变磁场中因互感而产生感应电动势。流过线芯的电流越大，电缆越长，当对电缆非等边三角形敷设时，其金属屏蔽层的感应电动势也就越高。
为了保证人员安全和电缆的正常运行，电缆金属屏蔽层必须采取相应的接地保护措施，消除或释放运行中过高的感应电压。GB 50217—2007电力工程电缆设计规范第4.1.10规定：未采取能有效防止人员任意接触金属屏蔽层的安全措施时，不得大于50V；除上述情况外不得大于300V。第4.1.11规定交流系统单芯电力电缆金属屏蔽层接地方式有以下3种情况。
1）金属屏蔽层单点直接接地
当线路长度较小、金属屏蔽层感应电压满足GB 50217—2007电力工程电缆设计规范要求时，在线路一端或线路中部采取金属屏蔽层单点直接接地，其他侧通过电缆护层保护器接地。该接地方式由于电缆护层保护器对地绝缘，电缆金属屏蔽层中感应电流无法构成回路，所以不会形成环流，当线路较长时该方式不能使感应电压得到有效限制。
2）金属屏蔽层两端直接接地
对于水下电缆、输送容量较小的电缆，当金属屏蔽层单点直接接地方式无法满足将感应电压限制在GB 50217—2007电力工程电缆的设计规范所规定范围内时，将采取线路两端金属屏蔽层直接接地方式。该接地方式虽然施工简单，但是会在金属屏蔽层上流过感应电流，随着线路负荷的增大使电缆发热，传输效率变低，绝缘老化。其适用条件非常苛刻，故一般情况下很少采用这种方式。
3）金属屏蔽层交叉互联接地
当线路很长时，将其划分为若干个单元，在每个单元内将电缆分为等距3个区段。每区段间装设一组绝缘接头，并将绝缘接头处的金属屏蔽层用同轴电缆引至交叉互联接地箱中进行换位，再通过电缆护层保护器接地，两两单元之间安装一组直通中间接头，电缆两侧终端接头金属屏蔽层引出线直接接地。这样在每个单元内，等距电缆金属屏蔽层上的感应电压因互差120°相位而相互抵消。
2 单芯电缆金属屏蔽层交叉互联接地施工中常见错误
2.1 金属屏蔽层同轴电缆引出线方向错误造成交叉互联不完整
若施工人员在不同的方向作业，将各自的方向作为基准引出同轴电缆，则将导致在交叉互联箱中金属屏蔽层换位出错。以A相为例交叉互联正确的接法应为：A1—C2—C3—B4，当两端同轴电缆引出方向相反时，则接成A1—C2—C3— A4，如图1所示。电缆金属屏蔽层因换位不完全感应电压无法相互抵消，为了避免这种情况，施工前一定要统一基准方向，规定同轴电缆线芯和外层的接线原则。
图1 交叉互联不完全换位
2.2 金属屏蔽层同轴电缆引出线未接通
若施工人员操作疏忽，将金属屏蔽层在用同轴电缆引出时未紧密连接，则会出现引出线和金属屏蔽层接触不良或不导通的情况，造成交叉互联失败。金属屏蔽层上感应电压因不能相互抵消，而会在引出线和金属屏蔽层连接处放电，当该故障持续时间较长时，就会造成电缆绝缘损坏。
以A相为例，当第二个交叉互联箱中B4引出线不通时，如图2所示。同轴电缆引出后一定要先测量其是否和金属屏蔽层连接完好，再进行后续工作，否则出现问题将要打开绝缘接头处理，增加不必要的麻烦。
图2 交叉互联引出线断开
2.3 交叉互联箱中换位接线错误
交叉互联箱中换位出错，导致原本应该相互抵消的感应电压叠加放大，使金属屏蔽层中感应电流明显增大，接地箱发热，若长期运行未及时发现，则可能烧损电缆造引发大事故。以A、C相换位错误为例，如图3所示。
图3 交叉互联换位错误
3 案例分析
某变电站新建35kV电缆出线一回，电缆型号为ZR-YJV62 26/35kV 1×400mm2，全长1.7km分为500m、600m、600m三段，电缆金属屏蔽层采取交叉互联接地保护方式。电缆水平并列敷设两两间距150mm，金属屏蔽层外径45mm，电缆负荷电流480A。2018年2月投运后，发现金属屏蔽层感应电压过高。
3.1 金属屏蔽层感应电压计算（略）
根据GB 50217—2007附录F.0.2计算公式，求出电缆金属屏蔽层上每单位长度（m）感应电压结果。
图4 交叉互联后感应电压相量
通过图4可以看到，在交叉互联正确的情况下，3根电缆感应电压相量和U0均很小，但在实际运行中测量的电压却达到72V，很显然是在交叉互联过程中出现了错误引起的。
3.2 故障查找和处理方法
将电缆终端头金属屏蔽层的引出线接地后，在两个交叉互联箱中分别测量每小段电缆金属屏蔽层引出线，最后发现施工人员在做金属屏蔽层引出线时，两个交叉互联处的同轴电缆引出方向刚好相反，使金属屏蔽层交叉互联出现不完全换位，其相量图如图5所示。
该施工错误若打开绝缘接头调换引出线方向维修代价太高，且工期长，施工结束后还需再次对电缆主绝缘进行试验。为了尽量缩短维修工期同时也保证维修质量，不打开电缆绝缘接头，将绝缘接头盒处同轴电缆引线剪断并做好防水封堵，在电缆接头两端破开橡胶护套后，用恒力弹簧将铜编织线固定在金属屏蔽层上，再用铠甲带对破开处橡胶护套进行防水处理；然后将铜编织线引入交叉互联箱中进行接位连接。
整个施工过程具有辅材消耗少、维修成本低、不破坏电缆主绝缘，施工周期短的优点。处理措施如图6所示。
图5 不完全交叉互联后感应电压相量
图6 从电缆接头两端引出金属屏蔽层
施工结束后，将电缆末端A、B相金属屏蔽层接地C相悬空，在电缆首端用500V兆欧表分别测量A、B、C三相金属屏蔽层和地之间的绝缘电阻，结果为B、C相与大地导通，A相显示绝缘数值。根据电缆分段连接A1—C2—B3顺序，我们判断交叉互联换位正确，送电运行后再次测量感应电压为9V，至此排除了故障。

结论

高压单芯电力电缆在运行中金属屏蔽层的感应电压是客观存在的，其大小受到电缆敷设方式、电缆长度、电缆负荷电流等因素的影响。单芯电力电缆金属屏蔽层交叉互联接地在施工过程中一定要有专人进行作业指导，避免施工出现错误，而导致交叉互联失败。运行人员在单芯电力电缆投运前对其金属屏蔽层接地的正确性进行确认，是实现电缆安全运行的最后一道保障。