刍议110kV及以上高压电缆线路设计的几个问题(1)

摘要：当今社会，我国的城市经济建设正在持续不断地开展，随着这股发展热潮的推进，人们在生活水平与服务宗旨等方面要求也提出了全新的要求。在党的号召下，我们应该狠抓城市建设中遇到的几个重要问题，其中电网电缆的设计问题就是一大热点。本文以分析为主，有针对性地探讨了110kV及以上高压电缆线路设计中出现的几个问题，其中包括外护套与回流线、电缆的接地、电缆敷设方式以及故障方面的问题等，并在提出问题之后做出了一些讨论。

关键词：高压电缆；线路设计；外护套；回流线；接地电缆；敷设方式 引言

最近几年，在我国经济飞速进步的势头下，城市建设也在持续地扩大规模，而电网的建设在如今的城市建设中占有举足轻重的地位，对社会环境都有着密不可分的联系。在《城市电力规划规范》（GB5O293-l999)中，第7.5.6条就有较为明确的规定：市区内规划新建的35kV以上电力线路，在市中心地区、高层建筑群区、市区主干道以及繁华街道等地区应采取地下电缆。然而，llOkV及以上高压电缆线路有比较特殊的原因如投资成本高于其他电缆线路等，所以其在城市的应用与中、低压电缆的线路相比，并非过于广泛。多数设计单位尚未接触或是初次接触，对二者的特性和区别不是那么了解。对很多单位而言，高压电缆线路的设计是一种十分陌生的新概念，所以也会往往不注意其线路设计中的一些特点，导致工程出现不完善之处。 一、高压电缆线路思路与重点 1.外护套的选择

对于110kV及以上高压电缆线路来说，选择外护套的工作至关重要，可能直接关系到整个工程的成败。而在挑选材料的时候，一般都会在聚氯乙烯（PVC)或聚乙烯(PE)这两种有机分子合成的高聚物材料之间进行。其中，PVC具有阻燃性好的优点，相对而言其力学性能就较差，而PE则恰好与PVC相反，其力学性能较好，却没有很好的阻燃性，价格较贵却有良好的环保作用。所以，综合上述特点进行选材的考虑，我们常在电缆沟及隧道内选择使用前者，而在排管敷设时选择使用后者。 2.回流线的要求

按照《电力工程电缆设计规范》（GB5O2l7—2OO7)中，第4.l.l5条的相关规定，回流线的安装在电缆设计中于以下情况是必须进行有效安装的。如果有110kV及以上单芯电缆金属护层单点接地，且系统在短路后，金属护层上产生的工频感应电压高于其绝缘之极限强度，或比用以护层的电压限制器所耐压更高；需要抑制电缆附近弱电线路进行的电气干扰，有一端为互联网络，并且还要接地的线路等。在经过接地回流

线的设置工作完成以后，还不得不让两端统统接地，若如此做，当出现单相接地的短路现象，电流能够流经回流线，然后朝着系统中性点方向进行移动。

图1.回流线分流示意图

如图1可知：

(I0-Ip)Ri-IpZpp+I0Z0P-IPR2=0(1)

其中，Ip指的是一种电流，这种电流流经回流线，以安培（A）为单位； ZPP指的是回流线在大地这条回路上的自感阻抗，其单位为欧姆（Ω）； Zpp={rp+[rg+j2ωln(De/GMRP)]×１０－４｝Ｌ(2) 其中，rp指的是回流线电阻，其单位为Ω/km； rg指的是大地电阻，其单位同上； rg=π2f×10-4，Ω/km;(3) De=93.18 √β(4)

其中，De指的是大地电流回路的深度，计算时其单位是米（m）； 而β则指的是大地电阻率，其单位为Ωm； GMRP=0.3894dP；

其中，dp指的是回流线的外径，一般以米（m）为单位； Z0P=rg+j2ωln(De/SAP)]×１０－４ (5)

SAP指的是回流线对A相电缆的平行间距，一般以米（m）为单位； R1指的是大地的接地电阻，而R2代指回流线的接地电阻，单位均为Ω。 从而，得

IP=(R1+Z0P)I0/(R1+R2+ZPP) (6)

我们单独拿出式（6)来分析可知，如果减小其接地电阻R2的值，则可使回流线的分流变多。不然的话，就必须想方设法增大Z0P的值，然后相对地减小ZPP的值，这样也就不得不减小SAP的值了，该值的减少也正代表回流线必须无限接近电缆线路。而

观察式（1)不难发现，要想减小Zpp的值，必须要求降低rp，增加GMRP，即达到小回流线电阻与大半径的目的即可。除此之外，在选择回流线时，还有个具体的要求，那就是截面要达到热稳定要求，且在极限暂态电流的状态中能够稳定较长时间；还有值得一提的一点，就是回流线通常都配备了特殊的防腐层，这也是因为在地下，回流线可能会受到土质影响而发生化学腐蚀。 3.回流线的布置 ① 电缆三相水平排列

在图2中，我们可以清楚的看到，电缆三相水平排列是根据公式S2=S/√2或S1·S3=S22而来。而此种排列方式中回流线内无感应电势，也是为了降低环流的消耗。

图2回流线布置示意图

② 电缆三等分品字形设置

通常来说，回流线中三等分换位若处于品字形之间相互联系是为最佳。然而，在工程中，想做到这点需要非常大的工作量，处理起来过于麻烦。因此，本人建议实际工作中做到图2所示亦可。 ③ 线路的交叉互联

在一些长度不小的线路中，一般要分多个单元，每单元还需按尽量等值的多段来达到交叉互联。并且金属护层在线路的两端都接地，因其电阻低，平均半径大，便无再设置回流线的必要了。 二、关于电缆的接地 1.直接接地端的选择

① 在中压电缆中，三芯电缆被广泛使用，这是因为芯线的位置是三角形对称的，这

样金属外皮就无法出现感应电流。而高压单芯电缆就大相径庭了，芯线与金属外壳与一台变压器的初、次级绕组类似。而在高压电缆通入交流电时，通过周围发

生的磁力线与金属护套的铰链作用，护套中自然生成电压。若此时两端均接地，那么护套将在导线中闭合而出现环流现象。电缆在正常运作的同时，护套上的环流即可和芯线形成负载电流比例接近1:1的电流互感器。也就不只是在金属护套的热能消耗，电缆绝缘层的加速老化也会降低芯线的极限载流量，最多可降40%。 ② 如果全线皆是使用电缆，则无论哪端都能直接进行接地的操作，但经验往往告诉我们选线路的终端处，效果更佳。在电缆一端连接架空线时，护套的直接接地点通常安装相连的那端，而护层电压限制器则立在另一端（见图2) ，以使护套上的冲击过电压尽可能地走低。 2.绝缘分割交叉互联接地

线路长、线芯电流大且金属护套仅于一端接地的情况下，感应电压能够达到数百伏之高，危害到人、设备安全。因此，工程中最常见的是采用普通接头，同时又被称为直通接头。即把金属护套与绝缘的屏蔽层以一些合适的组成分解开来，各组成中又继续分多个长度接近的小段，以绝缘分割法使相邻的金属护套、屏蔽层交叉连接，见图3。

图3电缆交叉互联示意图

① 在电缆的排列处于对称的情况下，因为每个被分成的小段其护套电压有120的相位差，幅值保持不变，接地点之间则无电位差，也就是说这样没有产生循环电流的可能。如此一来，该线路护套电压的极大值便等于小段所产生的感应电压。 ② 如果说电缆并不按照对称的方式来进行排列，那么即便是各小段有一致的长短，三相护套电压的向量和也不可能等于〇。要是在进行交叉互联之后仅其中一端接地，那么其他一端会对地产生合成电压，该压值很小，不足以使护套内产生任何循环电流。而如果此时把两端均匀接地，该电压就会因为压值的增大而具备了产生循环电流的可能性。但是一般来说，由于这个合成电压一般较小，就算能产生循环电流，其值也必定不会很大，所以如果有相关数值的计算问题，则我们可以选择直接忽略不计。当然，在通过一系列的分析之后，计算合成电压对护套电压

。

产生的影响，还是必须要知道护套内循环电流大小的。由于护套都有相同的阻抗，则根据等式性质可推出其循环电流也应该相等。那么我们只需以原有的每小段护套上的感应电压与由循环电流产生的压降相加，即可得出护套电压。

③ 如果所取的每个小段长度不一，那么在分析时，除了要考虑大地的电流，还需要

注意的是在护套中产生回路的循环电流。这里举出某工程实例，如图4，通过观察可以发现，第二单元的三个小段电缆长度有严重不一的现象，如果对其进行运行感应电流的测定，则恰好得出其最大值。

图4.某110kV线路接地系统图

三、敷设方式的选择 1.电缆隧道

电缆隧道是一种非常重要的电缆敷设方式，它不仅拥有很大的空间容量以及完备的基础设施，它在进行电缆的敷设和维修管理等工作上也十分便捷，因此广受欢迎。电缆隧道适用于110kV及以上电缆且回路多的输电线路，其横截面一般呈圆形和矩形，而圆形隧道有更高的空间利用率。一项研究表明，如果把导体呈正三角形的方式进行排列，同时把电缆线路呈垂直的蛇形来进行敷设，则可合理地利用隧道中极为有限的空间资源。 2.电缆沟

电缆沟有占用空间小，花费不多等几大优点。然而，因其被归纳为二级构筑物，暂时无法提供辅助设施及高度防水的条件。此敷设方式在经多年之后，常发生沟盖板的开裂、残缺、地面水往沟内溢的情况，使道路的美观、电缆的绝缘受到影响。

3.电缆排管

77

如果投资与地下空间即将走向末路，那么电缆的排管敷设也是施工必不可少的环节。但此时需注意：

① 若定义各段电缆敷设45度及以上角度转弯之次数为转弯率δ，那么在S>3时，排管敷设就不适用了。某工程110kV电缆通道转弯率δ=5，原设计使用电缆排管，后为以节省投资为由将其改成排管；排管施工方以避开树木为由，在施工中失去了排管转弯角度的控制；通过电缆牵引机进行敷设，并未使用电缆保护措施， 最终还耽误了工期，增加了投资。

② 在对同种电缆线路穿管敷设和隧道中敷设的载流量开展比较之后，我们不难发现，穿管敷设电缆要比在空气中敷设的输送量低了一半以上。排管敷设在进行之前，要先对选择的电缆截面进行载流量的校验，另外安装散热管孔也是有必要的。 ③ 而针对长电缆线路而言，因电缆使用的接地方式为交叉互联，必须事先定好接头位置。因此，如果遇到电气设计不够明确的情况，电缆排管的使用也是有限制的。 四、 其他方面的问题

1. 电缆的保护

鉴于部分电力电缆的敷设有较差的施工环境，通常还伴随重金属污水、腐蚀性液体以及有毒的气体，在某些地区甚至有出现白蚁侵蚀的可能性，这些不可预知的因素都会对电缆产生巨大的危害。虽然在很大程度上，电缆外护套是可以对电缆有一定保护作用的，它能够使电缆金属护套避免受到上述大部分类型的有害物质的侵害。但是相对而言，至于那些缺少金属护套的电缆，外护套起到的作用主要有绝缘、封闭。在预防白蚁的工作上，可以考虑选择防性能较好和硬度较高的外护套，在防止电缆在在运行过程中被白蚁啃噬的同时还可以减少敷设过程中发生较大的损伤。除此之外，电缆外护套的绝缘功能，直接对电缆线路的整体运行质量产生作用，并且决定了电缆发生故障后的检测效率。 2.故障的检测

本文中所介绍的110kV及以上电压等级的超高压电缆，通常都是采用单芯的。而在该结构的电缆中，三相所存在的距离往往都是一定的，感应电动势存在且无法抵消。电缆在正常地运行时，导体电缆所产生的一部分磁力线与金属护套交叉互联，使得在金属护套上得以发生感应电动势。一旦外护套受外力影响而被破坏，一方面可能会造成金属护套因为直接接地而生成环流损耗，以使得电缆线路的输送容量不断降低，其

产生的热效应也必将是电缆线路长久运作的一个巨大的安全隐患；而在另一方面，外护套的缺失也将有损电缆故障检测的准确性。如今的故障检测方法一般都是以护套内的金属护套当作传感器，若电缆外护套功能健全，金属护套在已知地点接地，此时电缆故障检测方法中作为传感器的金属护套回路为故障检测信号的正常工作回路。然而，电缆丢失外护套的话，金属护套将多点接地，导致故障检测信号工作回路的短路。 结语

因金属护套有感应电压问题，110kV及以上高压电缆线路使用单芯电缆，这种特性与大多数人们熟悉的普通中低压电缆线路在设计上有本质的不同。因此我们在进行设计中，有必要充分理解这些，采取正确的手段，在对回流线及布置方式、电缆接地方式以及电缆敷设方式等进行选择时，应该尽量使感应电压降低，做到线路输送能力的最大化，保证高压电缆线路的安全稳定运作。 参考文献

[1]李久程.110kV及以上高压电缆线路的设计[J].云南电力技术,2013(41). [2]余阳澄.110kV电缆故障测寻技术研究与应用[D].华南理工大学,2013-10.