電力電纜保護(hù)接地姜蕓

1、 專題論述電力電纜保護(hù)接地Grounding for Pow er Cable Pr otectio n上海電纜輸配電公司 (上海 200072 姜蕓高小慶 武 漢 高 壓 研 究 所 (武漢 430074 羅俊華袁淳智摘要 根據(jù)電壓等級(jí)、 敷設(shè) 方式和故障 類型 , 兼 顧工程 設(shè)計(jì) 和實(shí)際 運(yùn)行 維護(hù)的 可操 作性 , 討論 了電 力電纜 接地 電阻 值的選 取原 則 , 重 點(diǎn)分 析了高 壓單 芯電 力電纜 護(hù)層 保護(hù)接地的技術(shù)要求。Abstract T his paper intr o duces the selectio n principle of gr o unding r es

2、ist ance for po wer cable based o n the vo ltag e class, inst allation w ay and g ro unding accident ty pe, makes a special effor t to discuss and analy ze gr ounding techno log y r equir ement of metal pr o tecting layer of hig h -vo lt age sing le -co r e po wer cable .關(guān)鍵詞 電力電纜過電壓保護(hù)接地Key words po

3、wer cable o ver vo lta ge pr o tect ion gr o unding0引言電力電纜保護(hù)接地即電力電纜金屬護(hù)套接地 是保障電力電纜安全運(yùn)行的重要保護(hù)措施。其本 質(zhì)是在正常和事故以及電纜系統(tǒng)內(nèi)部過電壓、 雷 電過電壓情況下 , 利用大地作為電流回路 , 將電纜 接地處電位固定在允許的接地電位上。接地電位 不僅與入地電流的波形和幅值有關(guān) , 而且與接地 體的幾何尺寸、 大地電阻率等參數(shù)有關(guān)。由于大地中自然電場影響 , 接地體的電位通 常在 10V 左右。電力電纜系統(tǒng)單相短路故障時(shí) , 接地體的接地電位可能達(dá)到數(shù) kV ; 雷 電過電壓 時(shí) , 接地體的瞬時(shí)接地電位可

4、能高達(dá)數(shù)百 kV 數(shù) 量級(jí)。 地電位大幅升高 , 一方面可能導(dǎo)致高壓單芯 電力電纜護(hù)層絕緣擊穿 , 引起金屬護(hù)套多點(diǎn)接地 故障 , 另一方面可能導(dǎo)致反擊過電壓擊穿相鄰設(shè) 備或?qū)⒏唠娢灰蚱渌碗娢惶幵斐稍O(shè)備事故和 人身事故 , 與此同時(shí) , 接地電流在大地中流散時(shí) , 大地表面出現(xiàn)較大的電位梯度 , 可能使人體受到電力電纜保護(hù)接地規(guī)范、 接地電阻值合理選 取原則與電力電纜電壓等級(jí)、 敷設(shè)方式和故障類 型密切相關(guān) , 同時(shí) , 受到地質(zhì)條件、 開挖面積和工 程造 價(jià) 客觀 因 素的 制 約 , 難 以作 出 明 確規(guī) 定。 GB 50217 94 電 力 工 程 電 纜 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 和 DL

5、 401 91 高壓電纜選用導(dǎo)則 僅對(duì)高壓單芯電 力電纜護(hù)層絕緣保護(hù)方案提出了原則性意見 , 均 沒有對(duì)保護(hù)接地的接地電阻值選取作具體規(guī)定。 最新頒布的 DL /T 596-96 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn) 規(guī)程 、 DL /T 620-97 交流電氣裝置過電壓保護(hù) 和絕緣配合 以及 DL /T 621-97 交流電氣裝置 的接地 也沒有對(duì)電力電纜保護(hù)接地要求作具體 規(guī)定。人口稠密 , 特別是地下管線復(fù)雜的城市區(qū)域 , 電力電纜輸、 配電線路接地安全的重要性更為突 出。 本文依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn) , 結(jié)合電力電纜電壓等 級(jí)、 敷設(shè)方式和故障類型 , 兼顧工程設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn) 行維護(hù)的可操作性 , 討論電力電纜

6、接地電阻值合 理選取原則 , 重點(diǎn)分析、 討論高壓單芯電力電纜護(hù) 層保護(hù)接地技術(shù)要求。1 35kV 及以下電力電纜的接地電阻 35kV 及以下電壓等級(jí)的電力電纜通常為三 芯電纜 , 正常運(yùn)行時(shí)金屬鎧裝層外基本沒有磁場 , 兩端基本沒有感應(yīng)電壓 , 亦不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 ; 若 三個(gè)線芯的電流總和不等于零 , 由于金屬鎧裝層 的阻抗較大 , 環(huán)流尚不過分顯著 , 金屬鎧裝層中產(chǎn) 生的感應(yīng)電流僅為線芯電流的 5%8%; 故敷設(shè) 時(shí)可采取金屬鎧裝層兩端直接接地保護(hù)方式。鑒36 Dec. 1998 HIGH VOLT AGE ENGINEERING Vol. 24No. 4阻接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng) ,

7、 故其電力電纜保 護(hù)接地裝置的接地電阻 R 值要求可參照 A 類電 氣裝置保護(hù)接地規(guī)定 , 即 :R 250/I (1式中 R 為考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻 , 8; I 為計(jì)算用的接地故障電流 , A ; 工程設(shè)計(jì)中取 R 48比較經(jīng)濟(jì)合理。 因客觀因素限制不能滿足 (1 式要求時(shí) , R 值 108為宜。 2高壓單芯電力電纜終端的接地電阻66、 110kV 及以上電力電纜為單芯電纜 , 敷 設(shè)時(shí)若金屬護(hù)層兩端三相互聯(lián)后直接接地 , 則線 芯通過電流時(shí) , 金屬護(hù)層中感應(yīng)的環(huán)流可達(dá)線芯 電流的 50%95%, 其熱損耗極大地降低電纜載 流量并加速電纜主絕緣老化 ; 若金屬護(hù)層一端三 相互聯(lián)

8、并接地 , 另一端不接地 , 則雖無環(huán)流但雷電 波或內(nèi)過電壓波沿線芯流動(dòng)時(shí) , 護(hù)層不接地端會(huì) 出現(xiàn)高沖擊過電壓 , 系統(tǒng)短路事故電流流經(jīng)線芯 時(shí) , 護(hù)層不接地端也會(huì)出現(xiàn)高工頻感應(yīng)過電壓 , 上 述過電壓可能損壞護(hù)層絕緣 , 造成電纜金屬護(hù)層 多點(diǎn)接地故障 , 大幅增加環(huán)流附加熱損耗。 由于高壓單芯電纜護(hù)層與大地之間裝有護(hù)層 保護(hù)器 , 終端裝有避雷器 , 沖擊過電壓被限制在電 纜護(hù)層絕緣雷電沖擊耐受水平以下 , 一般重點(diǎn)考 慮短路故障工頻過電壓保護(hù)接地問題。正常線芯 電流只有數(shù)百 A, 金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓很小。 但 是在三相、 二相或單相短路的故障情況時(shí) , 短路電 流可達(dá)幾千安培或更大

9、 , 金屬護(hù)層兩端將會(huì)出現(xiàn) 很高的感應(yīng)電壓 , 嚴(yán)重危及電纜安全運(yùn)行的程度。 因此 , 必須采取措施設(shè)法降低金屬護(hù)層的感應(yīng)電 壓 , 同時(shí)還要盡可能減小金屬護(hù)層的接地電阻 , 消 除接地電位的影響。高壓單芯電力電纜護(hù)層保護(hù)接地 (包括交叉 互聯(lián)保護(hù)器三相聯(lián)接 可采取兩種接線方式 , 即 Y 0接線方式和 Y(或 $ 接線方式。雖然 Y(或 $ 接線方式使得保護(hù)器所承受的工頻電壓與接地電 位無關(guān) , 電纜護(hù)層沖擊過電壓降低 , 但無助于降低 護(hù)層工頻電壓 , 短路故障時(shí)兩種接線方式的護(hù)層 過電壓數(shù)值基本相等。 電纜發(fā)生單相接地故障時(shí) , 裝置的接地電位密切相關(guān) , 接地電位升高 , 工頻過 電壓

10、可達(dá)很高值 , 且末首端工頻過電壓不等 , 接地 網(wǎng)內(nèi)、 外單相接地故障工頻過電壓不等。上述兩種保護(hù)接線方式以 A 相電纜發(fā)生多 電源網(wǎng)內(nèi)單相接地故障時(shí) , C 相電纜護(hù)層工頻過 電壓為最高 , 而電纜護(hù)層工頻耐壓為 24kV, 據(jù)式 (4 、 (5 得出電纜終端保護(hù)接地電阻值 R 的估算 公式 :R 2000/I(2考慮多方面因素一般取 R 0. 58, 當(dāng)電纜終端 接地裝置受到技術(shù)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場客觀條件限制 , 其 接地電阻值不能滿足式 (2 要求時(shí) , R 58, 同 時(shí)必須采取相應(yīng)的均壓和隔離措施。加裝均壓線或回流線保護(hù)的電纜故障時(shí) , 護(hù) 層和保護(hù)器承受的工頻電壓與接地電位無關(guān) , 但

11、必須保證均壓線總的自然接地電阻 R 遠(yuǎn)大于均 壓線本身的阻抗 Z d :即 R 6Z d 。3高壓單芯電力電纜中間接頭的接地電阻高壓單芯電力電纜正常運(yùn)行時(shí)中間接頭經(jīng)保 護(hù)器接地并呈高電阻 , 起交叉換位作用。 在雷電波 和內(nèi)過電壓波侵入電纜線芯或電纜發(fā)生接地故障 時(shí) , 保護(hù)器呈低電阻 , 使電流經(jīng)保護(hù)器迅速泄入大 地以達(dá)到保護(hù)電纜的目的。 極限情況下 , 流經(jīng)中間接頭接地裝置的入地電流可達(dá) 10kA 級(jí) , 地電位 迅速上升到嚴(yán)重 危及相鄰設(shè)備和人員安全的程 度 , 甚至電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電流將超過允許的載 流量。為將地電位上升產(chǎn)生的反擊過電壓 U f =I R 限制在電纜護(hù)層沖擊 (工頻 絕

12、緣耐受水平或相鄰 設(shè)備絕緣耐受水平以下 , 則 :R 24/I(3式中 :R 為接地裝置接地電阻 , 8; I 為流經(jīng)接地 裝置的入地故障電流 , kA 。人體允許的接觸電位和跨步電位分別為 :E j =0. 165(R o +0. 5R b /tE k =0. 165(R o +2R b /t (4 式中 :E j 、 E k 分別為人體允許的接觸電位和跨步 o 1; 37 1998年 12月高 電 壓 技 術(shù)第 24卷第 4期為人體一足對(duì)地的接地電阻 , 8; t 為電擊時(shí)間 , s 。 人體一足接地電阻計(jì)算 , 可將人體兩足近似 視為兩個(gè)半徑為 8cm 的圓盤電極于電阻率為 Q b 的地

13、面上 , 每一圓盤電極 (即人體一足 接地電阻 3Q b , 而人體受接觸、 跨步電位時(shí)兩足并、 串聯(lián)。 按 DLT 621-1997 交流電氣裝置的接地 要求 , 得 到允 許 的接 觸 電位 差 U j 和 跨 步電 位 差 U k 計(jì) 算式 :U j =(174+0. 17Q b /tU k =(174+0. 7Q b /t(5 由所設(shè)計(jì)的接地裝置可計(jì)算出接 觸電位差 U j 和跨步電位差 U k :U j =K j I R ; U k =K k I R (6 式中 , I 為接地裝置入地短路電流 , A; Q b 為土壤 電阻率 , 8 m ; K j 、 K k 為接地系數(shù)和跨步系數(shù)

14、 , 一 般分別取 0. 2和 0. 1。根據(jù)式 (4 、 (5 、 (6 進(jìn)行換算 , 而且保護(hù)動(dòng)作 時(shí)間一般在 0. 5s 以內(nèi) , 這樣 , 考慮保護(hù)動(dòng)作時(shí)間 和安全裕度 , 取 t =1, 則可得接地裝置的接地電 阻 R :R (174+0. 17Q b /K j IR (174+0. 7Q b /K k I(7 據(jù) (3 (7 計(jì)算值和接地裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、 現(xiàn) 場客觀條件等要求 , R 的工程設(shè)計(jì)值為 18, 亦可 放寬到 58左右 , 但同時(shí)必須采取相應(yīng)的均壓和 隔離措施。4結(jié)論a. 電力電纜保護(hù)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用邊緣 閉合、 同時(shí)附加垂直接地體的設(shè)計(jì)方案。b . 35kV 及以下

15、電力電纜保護(hù)接地裝置的接 地電阻取 R 48比較經(jīng)濟(jì)合理。由于實(shí)際客觀 因素限制而達(dá)不到規(guī)范要求時(shí) , 可適當(dāng)放寬 , 但應(yīng) 108。c . 高壓單芯電力電纜終端接地裝置的接地 電阻值一般取 R 0. 58。 受條件限制時(shí) , 可適當(dāng) 增大 , 但應(yīng) 58, 同時(shí)必須采取相應(yīng)的均壓和隔 離措施。d. 高壓單芯電力電纜中間接頭接地裝置的 接地電阻 R 的工程設(shè)計(jì)值為 18左右。 受條件限 制時(shí) , 亦可放寬到 58左 右 , 同時(shí)必須采取相應(yīng) 的均壓和隔離措施。參 考 文 獻(xiàn)1江日 洪 . 交聯(lián) 聚乙烯電力 電纜線路 . 北京 :中國電力 出 版社 , 19972曾永林 . 接地技術(shù) . 北京

16、:水利電力出版社 , 1979 3董振 亞 . 電力系統(tǒng) 的過電壓保 護(hù) . 北京 :中國電力 出 版社 , 19974 GB50217 94. 電 力工 程電 纜設(shè) 計(jì)規(guī) 范 . 北京 :中 國 計(jì)劃出版社 , 19955 D L /T 620-1997. 交流電 氣裝置的 過電壓絕緣 配合 . 北京 :中國電力出版社 , 19976 DL /T 621 1997. 交流 電氣 裝置的 接地 . 北京 :中 國 電力出版社 , 19977 DL /T 401-91. 高壓電纜 選用導(dǎo) 則 . 北 京 :水 利電 力 出版社 , 1991(收稿日期 1998-09-08姜蕓 1967年生 ,

17、1989年上海電力學(xué) 院畢業(yè) , 工 程師 , 從事 電 纜安全運(yùn)行工作。(上接第 30頁 參 考 文 獻(xiàn)1李智 敏等 . GI S 內(nèi) 局部放 電的檢 測(cè)方 法 . 高 壓電 器 , 1997, (3 :432 P earso n J S, et al. P art ial dischar ge diag no stics for GI S insulat ion substations . IEEE D&EI, 1995, 2(5 : 8933 Judd M D , et al. T he ext raction of U HF sig na ls by , :2134 Huecker T . U HF par tia l dischar ge m