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1、电力电缆接地电流检测 课程内容简介 任务一 电力电缆接地电流分析 电力电缆基本知识 一 二 电力电缆线路 电力电缆是指在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆产品 产品的技术性能主要是导体的导电能力 载流量 高电场下的电场均匀性和绝缘稳定可靠性 整体结构的热平衡性 散热能力要与运行中的发热量保持平衡 电动应力承受能力 以及电缆在安装 敷设 运行中机械力的承受能力 电力电缆线路作为一个完整的输配电线路 包括电缆本体 接头 终端 视情况不同还可能带有不同功能的配件 如护层保护器 交叉互联箱 温度警示装置等 有些电缆线路还包括相应的附属土建部分 如电缆沟 排管 竖井 隧道等 与架空线路相
2、比 电力电缆线路进行输电和配电的主要优点是 不受大气环境 如雷电 雨雾 污秽物 风等 影响 不占地表面和空间 不影响城市景观美化 维护工作量小 电力电缆线路的缺点是 建设投资费用高 输送电流密度小 事故抢修时间长 一 电力电缆基本知识 电力电缆绝缘分类 电缆按绝缘材料和结构的不同可分为油浸纸绝缘电缆 挤包绝缘电缆和压力绝缘电缆三大类 1 油浸纸绝缘电缆将绝缘纸带绕包在导电线芯上 经过真空干燥驱除绝缘纸中水分 再浸渍黏性矿物油填充纸带中气隙而形成油浸纸绝缘层 然后在绝缘层外挤包金属套 构成油浸纸绝缘电缆 油浸纸绝缘电缆使用广泛 但是因制造工艺复杂 目前已有被挤包绝缘电缆取代的趋势 2 挤包绝缘电
3、缆挤包绝缘电缆中使用的绝缘材料是电性能良好的有机高聚物 由于是将高聚物直接挤压在导电电芯上构成电缆绝缘 工艺相对简单 所以挤包绝缘电缆将逐步取代油浸纸绝缘电缆 按有机绝缘材料的不同 可将挤包绝缘电缆分成聚氯乙烯电缆 聚乙烯电缆 交联聚乙烯电缆和乙丙橡胶电缆等 3 压力绝缘电缆在较高电压等级及特殊场合 有时候使用压力绝缘电缆 它们的结构特点是用带压力的油或者气填充或压缩油纸绝缘电缆中的气隙 按具体措施不同 压力绝缘电缆可分为充油电缆 充气电缆 钢管电缆和压气 SF6 绝缘电缆 交联聚乙烯绝缘电力电缆 1 电缆结构 交联聚乙烯绝缘单芯电缆一般包括导电线芯 内屏蔽层 包裹在导电线芯上 绝缘层 外屏蔽
4、层 包裹在绝缘层上 金属套和外护层等组成部分 通常用于35kV以上电压等级 电缆的导电线芯是传导电流的通路 它必须具有很强的导电性以减少运行中电能在线路上的损耗 因此线芯需要采用高导电率的金属材料 常用的电力电缆线芯材料是铜和铝 护层的作用是保护电缆绝缘层 使其免受机械损伤和各种外界因素的影响 如水 日光 生物以及火灾等因素的破坏 保证电缆长期运行的电气稳定性 护层的优劣直接影响导电缆的使用寿命 2 交联方法 聚乙烯分子的交联可以使用物理方法或化学方法 物理交联是用高能粒子射线或电子束照射聚乙烯使其交联 多用于绝缘层较薄的电缆 化学交联是在聚乙烯材料中加入少量过氧化物在一定温度下进行交联 又分
5、为湿法交联 干法交联和硅烷交联三种 1 湿法交联湿法交联用蒸汽作为加热和加压媒介 交联过程中 过氧化物分解产生气体 如甲烷 乙烷 水蒸气等 它们会在绝缘中形成直径约1um 10um的微孔 交联后绝缘中含水量较高 介电强度降低 在电场作用下容易产生水树枝 导致绝缘老化 2 干法交联干法交联是用气体 如N2或SF6 代替蒸汽作为加热和加压的媒介 或仅用气体作为加压媒介 而用辐射方法加热绝缘进行交联 干法交联使绝缘中微孔数减少 含水量降低 提高了绝缘的介电强度 适用于生产较高电压等级的交联聚乙烯电缆 3 硅烷交联硅烷交联以少量的过氧化物 0 1 DCP 用硅烷触媒剂混入聚乙烯材料 代替湿法交联或干法
6、交联过程中的加高热和加压 使聚乙烯在水中交联 这种交联过程也会使绝缘中含有少量的水分 任务一 电力电缆接地电流分析 电力电缆基本知识 一 二 二 电力电缆接地基本知识 电缆导体和金属护套间的关系可以看做一个变压器的初级绕组与次级绕组 当电缆导线通过电流时 其周围产生的一部分磁力线将与金属护套交链 使护套产生感应电压 感应电压的大小与电缆的长度和流过导线的电流成正比 当电缆很长时 护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度 当线路不对称或发生短路故障时 金属护套上的感应电压会达到很大的数值 当线路遭受操作过电压或雷击过电压时 护套上也会形成很高的感应电压 将使护层绝缘击穿 如果护套两点接地
7、使护套形成闭合通路 护套中将产生环行电流 电缆正常运行时 护套上的环行电流与导线的负荷电流基本上为同一数量级 将产生很大的环流损耗 使电缆发热 影响电缆的载流量 这是很不经济的 电压为220kV 截面积为800mm2 长度为370m的电缆线路 设计传输容量为90MV A 运行中进行了测量试验 当电缆带负荷约30 时 进行两端接地 测试护套的环行电流 一端接地 测试护套的电压 1 运行规程接地要求 国家电网公司Q GDW 电力电缆线路运行规程 2010年 中5 5章节对电缆线路接地方式进行明确的规定 1 三芯电缆线路的金属屏蔽层和铠装层应在电缆线路两端直接接地 当三芯电缆具有塑料内衬层或隔离套时
8、 金属屏蔽层和铠装层宜分别引出接地线 且两者之间宜采取绝缘措施 2 单芯电缆金属屏蔽 金属套 在线路上至少有一点直接接地 任一点非直接接地处的正常感应电压应符合下列规定 a 采取能防止人员任意接触金属屏蔽 金属套 的安全措施时 满载情况下不得大于300V b 未采取能防止人员任意接触金属屏蔽 金属套 的安全措施时 满载情况下不得大于50V 3 单芯电缆线路的金属屏蔽 金属套 接地方式的选择应符合下列规定 a 电缆线路较短且符合感应电压规定要求时 可采取在线路一端直接接地而在另一端经过电压限制器接地 或中间部位单点直接接地而在两端经过电压限制器接地 b 上述情况以外的电缆线路 应将电缆线路均匀分
9、割成三段或三的倍数段 采用绝缘接头实施交叉互联接地 c 水底电缆线路可采取线路两端直接接地 或两端直接接地的同时 沿线多点直接接地 4 单芯电缆金属屏蔽 金属套 单点直接接地时 下列情况下宜考虑沿电缆邻近平行敷设一根两端接地的绝缘回流线 a 系统短路时电缆金属屏蔽 金属套 上的工频感应电压 超过电缆外护层绝缘耐受强度或过电压限制器的工频耐压 b 需抑制电缆对邻近弱电线路的电气干扰强度 2 单端接地方式 当电缆线路长度大约在500m及以下时 电缆护套可以采用一端直接接地 通常在终端头位置接地 另一端经保护器接地 护套其它部位对地绝缘 这样护套没有构成回路 可以减少及消除护套上的环行电流 提高电缆
10、的输送容量 为了保障人身安全 非直接接地一端护套中的感应电压不应超过50V 假如电缆终端头处的金属护套用玻璃纤维绝缘材料覆盖起来 该电压可以提高到100V 护套一端接地的电缆线路 还必须安装一条沿电缆线路平行敷设的导体 导体的两端接地 这种导体称为回流线 为了避免正常运行时回流线内出现环行电流 敷设导体时应便它与中间一相电缆的距离为0 7s s为相邻电缆轴间距离 并在电缆线路的一半处换位 3 双端接地方式 66kV及以上电压等级XLPE绝缘单芯电缆金属护套上的感应电压与电缆的长度和负荷电流成正比 当电缆线路很短 传输功率很小时 护套上的感应电压极小 护套两端接地形成通路后 护层中的环流很小 造
11、成的损耗不显著 对电缆的载流量影响不大 当电缆线路很短 利用小时数较低 且传输容量有较大裕度时 电缆线路可以采用护套两端接地 4 护套中点接地方式 电缆线路采用一端接地太长时 可以采用护套中点接地的方式 这种方式是在电缆线路的中间将金属护套接地 电缆两端均对地绝缘 并分别装设一组保护器 每一个电缆端头的护套电压可以允许50V 因此中点接地的电缆线路可以看做一端接地线路长度的两倍 当电缆线路长度为两盘电缆 不适合中点接地时 可以采用护套断开的方式 电缆线路的中部 断开处 装设一个绝缘接头 接头的套管中间用绝缘片隔开 使电缆两端的金属护套在轴向绝缘 为了保护电缆护套绝缘和绝缘片在冲击过电压时不被击
12、穿 在接头绝缘片两侧各装设一组保护器 电缆线路的两端分别接地 5 交叉互联接地方式 电缆线路很长时 大约在1000m以上 可以采用护套交又互联 这种方法是将电缆线路分成若干大段 每一大段原则上分成长度相等的三小段 每小段之间装设绝缘接头 绝缘接头处护套三相之间用同轴引线经接线盒进行换位连接 绝缘接头处装设一组保护器 每一大段的两端护套分别互联接地 这样不但对称排列的三相电缆护套电位向量和为零 就是在不对称的水平排列三相电缆中 由于电缆每小段进行了换位 每大段全换位 三相电缆护套感应电压相差很小 相位差120 其向量和很小 产生的环行电流也几乎为零 任务一 电力电缆接地电流分析 电力电缆基本知识
13、 一 二 三 三 电力电缆护层接地电流形成机理 1 电力电缆结构中的金属层作用 电缆结构中的金属部分包括芯线 金属屏蔽层 金属护层 金属铠装层等 并不是在所有电缆中都同时具有这几种金属层 各层材料及作用如下表所示 2 电力电缆护层感应电动势的产生 对于三芯电缆 因三根芯线在同一个金属护层内 当三相电流基本平衡时 三相合成电流接近于零 合成磁通也接近于零 此时金属护层上感应电动势很小 可以忽略不计 只有在非对称短路时 破坏了三相电流的对称性 合成磁通不再等于零 金属护层上才会有不平衡感应电动势产生 对于单芯电缆 当芯线流过交变电流时 交变电流的周围会产生交变磁场 形成与电缆回路相交链的磁通 其必
14、然与电缆的金属护层相交链 金属护层上将会产生感应电动势 3 电力电缆护层接地电流的产生 电缆护层接地线上的电流主要由感应电流 电容电流 泄漏电流3部分组成 感应电流由金属层的感应电动势作用在金属层的自阻抗 接地点间的导通电阻 接地线的电阻等阻抗上形成 感应电流的大小与感应电动势成正比 与回路中的总阻抗成反比 当电缆护层仅单点接地时 感应电流为零 电容电流由工作电压作用在导体与金属护层间电容上而产生 与电缆长度 电缆截面尺寸 工作电压等因素有关 泄漏电流为工作电压作用在电缆主绝缘层的绝缘电阻上产生 绝缘正常时泄漏电流幅值极小 通常可以忽略不计 任务一 电力电缆接地电流分析 电力电缆基本知识 一
15、二 三 四 1 单端接地方式 在高压电缆的特殊连接中 最简单的连接形式就是单端接地 就是将要接地的三根单相电缆的护套在其一端接地 另一端通过过电压保护器 小避雷器 接地 在护套上的其他各点 随着远离接地端 金属护层的接地电压逐渐升高 离接地点最远的点金属护层电压达到最高值 当过电压保护器动作形成接地点 单端接地方式变为双端接地方式 否则在其他情况下电缆金属护套中是没有电流的 不会出现护套循环电流的功率损失 单端接连接地方式下的电缆排列方式同样具有水平排列 大品字形排列 小品字形排列这三种基本排列方式 2 双端接地方式 与单端接地方式不同 双端接地方式下电缆护套两端均直接接地 电缆护套与大地形成
16、完整回路 这种接线方式下 高压电缆金属护层上所承受的电压为金属护套的电阻与大地回路电阻和两端接地电阻之和的分压 相比接地电阻而言 金属护层的电阻可忽略不计 所以金属护层上所承受的电压几乎为零 以典型220kV电缆为例 在800米双端接地分别采用大品字形排列和水平排列方式下 1000A负荷电流下 金属护层承受电压 双端接地两端电流及对应阻抗值 四 电力电缆接地电流分析 3 交叉互联接地方式 交叉互联分段方式有分段交叉互联 改进型分段交叉互联 连续型交叉互联和混合型系统等接线方式 在交叉互联换位过程中 有金属护层换位和电缆线芯换位两种换位方式 为了节约高压电缆敷设空间 我国主要采用金属护层换位 电缆线芯不换位的交叉互联方式 目前 单芯高压电力电缆广泛采用三段式交叉互方式进行连接 三段式交叉互联接线方式就是俗称的交叉互联接线方式 是将护套分为三个小段 然后将各部分的金属护层在每个小段的连接处进行交叉换位连接 以此来中和总的三相感应电压 三段交叉互联具体的连接方式为 对位于一个完整交叉互联段的首端与末端的金属护层 通过直接接地箱将其接地 在两个交叉互联小段相接触的位置 将同一相的金属护层断开
