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6kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜安全運行技術(shù)探討

文檔作者：全廷利文檔來源：大慶石化公司化工二廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年02月22日
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2009年第3期
煉油與化工
RE17INING AND CHEMICAL INDUSTRY l5
6 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜安全運行技術(shù)探討
全廷利
(大慶石化公司化工二廠，黑龍江大慶163714)
摘要：闡述了6 kV單芯交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜作為變電所進(jìn)線時，電纜護(hù)層應(yīng)采取保護(hù)
措施，以及在該種保護(hù)方式條件下，對沖擊電壓產(chǎn)生的護(hù)層過電壓和屏蔽金屬護(hù)套上大的環(huán)流
電流實測，并對護(hù)層過電壓保護(hù)器的維護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：6 kV；絕緣電纜；變電所；過電壓
中圖分類號：TM86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671—4962(2009)03-0015-03
2007年8月3日，某石化公司300 kt／a乙烯
工程6 kV變電所電纜絕緣層多處擊穿，引發(fā)崩燒
事故。該變電所電纜截面超過185 mm ，采用單芯
電纜。文中針對如何進(jìn)行過電壓的電纜保護(hù)做了
詳細(xì)闡述。
1沖擊電壓作用下電纜護(hù)層的過電壓
1．1 過電壓產(chǎn)生的機(jī)理
沿電纜導(dǎo)電線芯流動的沖擊電壓波會使金屬
屏蔽層不接地端產(chǎn)生很高的電壓，見圖1。
圖1 電纜屏蔽層線路示意
在圖1中，電纜屏蔽層首端三相互聯(lián)接地，假
設(shè)電纜首端沖擊電壓為 ，而末端的導(dǎo)電線芯上
沖擊電壓不為 ，當(dāng)電纜波阻抗為 時，加在電纜
線芯上的沖擊必定會作用于金屬屏蔽層與導(dǎo)電線
芯之間，將有幅值為 的沖擊波在導(dǎo)電線芯上流
動，那么導(dǎo)電線芯和金屬護(hù)套也將伴隨流過電流
，其值由電纜的波阻抗Zl決定，即 。由于導(dǎo)
電線芯的電流與屏蔽電流方向相反，而大小基本
相同，因此在金屬屏蔽層外面無磁力線的作用，故
不產(chǎn)生護(hù)層的過電壓。但當(dāng)沖擊電壓波到達(dá)電纜
的末端的情況就不同了【l1。
分別對電纜導(dǎo)電線芯末端短路和開路2種極
端情況進(jìn)行討論。
(1)當(dāng)電纜導(dǎo)電線芯末端開路時流經(jīng)導(dǎo)線的
沖擊電壓波到達(dá)末端后，會發(fā)生全反射，使導(dǎo)線芯
末端電壓上升為人射波電壓的2倍，同時電流會
發(fā)生負(fù)的全反射，負(fù)反射的結(jié)果使導(dǎo)線上的電流
為零，因此在電纜護(hù)層上不會產(chǎn)生電壓的升高，實
測表明，金屬屏蔽層上電壓僅為導(dǎo)線芯電壓的5％
左右。
(2)當(dāng)電纜導(dǎo)線芯末端發(fā)生接地短路故障時，
電壓波將發(fā)生負(fù)的全反射，使得線芯末端的電壓
下降為零，同時電流會發(fā)生全反射，使線芯上的電
流上升為人射波電流的2倍，此時金屬屏蔽層會
出現(xiàn)很高的感應(yīng)電壓值。顯然如果電纜末端的導(dǎo)
電線芯接人某一電阻并接地，則產(chǎn)生的感應(yīng)電壓
將比前者低一些。
為了限制這一過電壓，可在金屬屏蔽層末端
接入1個電線護(hù)層過電壓保護(hù)器 ，當(dāng)正常運行
時，zh的電阻為無窮大(相當(dāng)于開路)；當(dāng)線路有較
高過電壓流入時，zh將導(dǎo)通(此時電阻很小，相當(dāng)
于短路)，過電流可以順利通過保護(hù)器流人大地，
(4)生焦周期的縮短，增加了焦炭塔的容積利
用率，但要進(jìn)一步縮短生焦周期(如20 h)，必須對
加熱爐進(jìn)行改造，選用國外的新型消泡劑，增加自
動頂蓋，底蓋裝卸機(jī)。
參考文獻(xiàn)：
[1]侯祥麟．中國煉油技術(shù)[M] E京：中國石化出版社，2001：96．
[2]中國機(jī)械工程學(xué)會．中國機(jī)械工程學(xué)會年會論文集[c]
北京：出版者不詳，2004．
收稿日期：2009—07一ll
作者簡介：束長好，男，高級 程師，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)(華
東)，現(xiàn)從事煉油生產(chǎn)管理工作。
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煉油與化工
1 6 REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY 第20卷
而在電纜護(hù)層不會產(chǎn)生沖擊過電壓，作用于電纜
護(hù)層上的沖擊過電壓將等于保護(hù)器的殘壓。根據(jù)
彼得遜法可以方便求出，當(dāng)電纜末端發(fā)生接地短
路故障時，流經(jīng)保護(hù)器的電流，h。+2 ，若電纜末
端接人某一電阻R并接地，那么流經(jīng)保護(hù)器的電
流 +2 ／( +尺)，其最大值可能達(dá)到10 kA，在這
種沖擊電流的作用下保護(hù)器應(yīng)不被損壞，而保護(hù)
器的殘壓應(yīng)低于電纜護(hù)層絕緣的沖擊耐壓值。
1．2護(hù)層過電壓的測算
單芯電纜芯線通過電流時，在交變電場作用
下，金屬屏蔽層必然感應(yīng)一定的電動勢。三芯電纜
帶平衡負(fù)荷時，三相電流向量和為零金屬屏蔽上
的感應(yīng)電勢疊加為零，所以可2端接地。單芯電纜
每相之間存在一定的距離，感應(yīng)電勢不能相互抵
消。金屬屏蔽層感應(yīng)電壓的大小與電纜長度和線
芯負(fù)荷電流成正比，還與電纜排列的中心距離、金
屬屏蔽層的平均直徑有關(guān)嘲。
(1)電纜正三角形排列時，金屬屏蔽單位長度
的感應(yīng)電壓實測。實測某變電所6 kV電源進(jìn)線電
纜，型號為YJV一10 kV一1x240 mm 單芯電纜，電纜
屏蔽層平均直徑40 mm，PVC護(hù)套厚度3．6 mm，對
系統(tǒng)電纜進(jìn)行整改后，將電纜由水平沿橋架敷設(shè)
改為正三角“品”字形緊貼排列，負(fù)荷電流為200 A
時，測得電纜護(hù)層的感應(yīng)電壓為1O．7 V／km。
(2)當(dāng)上述三相電纜緊貼水平排列，測得邊相
的感應(yīng)電壓為16．9 V／kin， 中相的感應(yīng)電壓為
10．7 V／kin；當(dāng)電纜間距200 mm時，測得邊相的感
應(yīng)電壓為36．1 V／km，中相的感應(yīng)電壓為31 V／km。
邊相感應(yīng)電壓高于中相感應(yīng)電壓。
(3)由以上測量并通過理論計算其實測值與
計算值基本接近，因此在電纜長度與工作電流較
大的情況下，感應(yīng)電壓可能達(dá)到很大的數(shù)值；電纜
以緊貼三角形布置時，感應(yīng)電壓最小。當(dāng)電纜相間
距離增加，相對位置改變時，感應(yīng)電壓也會相應(yīng)地
改變。另外，多回路電纜同路徑敷設(shè)，也會對感應(yīng)
電壓產(chǎn)生影響。
1．3屏蔽層循環(huán)電流實測分析
由于電磁感應(yīng)電壓的作用，采用2端直接接
地的方式會在屏蔽層中產(chǎn)生循環(huán)電流。循環(huán)電流
的大小主要與屏蔽層的自感阻抗和互感阻抗有
關(guān)。即與屏蔽層的電阻、直徑、電纜的間距等有關(guān)。
目前應(yīng)用的150～240 mm 單芯電纜單根長度
近1．5 km，電纜敷設(shè)方式以沿電纜橋架水平敷設(shè)
為主，金屬屏蔽層全部采用2端接地的方式。實測
線路是沿系統(tǒng)電纜橋架敷設(shè)的電纜主干線所得，
電纜三相每3．0～3．5 m用扎帶綁扎成“品”字形，
綁扎2點中間的部分線芯散開呈水平放置。每層
電纜橋架內(nèi)并排敷設(shè)有2回路電纜。對電纜屏蔽
層環(huán)流進(jìn)行了實測。實測的環(huán)流電流值見表1。
表1 實測的環(huán)流電流值
從表1可見，循環(huán)電流達(dá)到負(fù)荷電流的10％～
20％。屏蔽層循環(huán)電流的存在，造成屏蔽層發(fā)熱和
電能損耗，降低了電纜的輸送容量。因此，有必要
采取措施減少或消除該循環(huán)電流。實測數(shù)值還反
映出，環(huán)流值并沒有絕對地因電纜長度和負(fù)荷電
流的增大而增加。說明電纜三芯的布置對感應(yīng)電
壓的影響不可忽視。
2 金屬屏蔽接地方式的選擇
2．1 采用2端直接接地的方式
6 kV單芯電纜金屬護(hù)層2端接地時，由于護(hù)
層阻抗值不像35 kV以上電纜那樣小，環(huán)流尚不
過分大。有關(guān)資料顯示，35 kV以上高壓電纜2端
接地時，護(hù)層循環(huán)電流可達(dá)到線芯電流的50％～
90％，從而引起護(hù)層發(fā)熱，嚴(yán)重降低電纜的載流能
力。
6 kV單芯電纜金屬護(hù)層2端接地的方式有較
多的施工經(jīng)驗。6 kV電纜回路較多，直接接地能減
少附屬設(shè)備的配置和維護(hù)量， 同時對運行人員也
比較安全。因此采用2端接地有一定的優(yōu)勢。繼續(xù)
沿用2端直接接地的方式，必須盡可能地降低護(hù)
層感應(yīng)電壓，且接地電阻應(yīng)不大于2 Q，使線路損
耗達(dá)到運行可接受的程度。較有效的辦法就是保
持三相線芯呈緊貼正三角形布置。在電纜敷設(shè)后，
每隔1 m距離用非鐵磁性扎帶綁扎。目前某變電
所6 kV進(jìn)線單芯電纜已完成了捆扎方式。
2．2 1端接地的方式
按照GB50217—1994《電力工程電纜設(shè)計規(guī)
程》的要求，單芯電纜線路的金屬護(hù)套只有l(wèi)點接
地時，金屬護(hù)套任1點的感應(yīng)電壓不應(yīng)超過50～
100 V。大慶石化公司電力系統(tǒng)在2007年8月3
日，電纜崩燒事故前，單芯6 kV電纜采用l端接
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2009年第3期 全廷利．6 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜安全運行技術(shù)探討 17
地，也就是指電纜線路1端金屬屏蔽直接接地，另
1端金屬屏蔽對地開路不互聯(lián)(部分變電所后來經(jīng)
過改造，在另1端采用護(hù)套保護(hù)器接地的方式)。
一般應(yīng)在與電廠連接端l端接地，以減小線路受
雷擊時的過電壓。1端接地后，可以消除護(hù)層循環(huán)
電流，減少線路損耗。但開路端在正常運行時有感
應(yīng)電壓。在雷擊和操作時，金屬屏蔽開路端可能出
現(xiàn)很高的沖擊過電壓。系統(tǒng)發(fā)生短路事故和短路
電流流經(jīng)芯線時，金屬屏蔽不接地端也可能出現(xiàn)
很高的工頻感應(yīng)電壓。當(dāng)電纜外護(hù)層不能承受這
種過電壓的作用而損壞時，就會造成金屬護(hù)層的
多點接地。因此這種方式宜用于線路距離較短，金
屬護(hù)層上任一非接地處的正常感應(yīng)電壓較小的系
統(tǒng)中。
2．3 1端接地，另1端采用護(hù)套保護(hù)器接地的方式
為防止金屬屏蔽1端接地時開路端的過電壓
擊穿外護(hù)套，開路端裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器是限制護(hù)層
過電壓的有效措施。保護(hù)器在正常運行條件下呈
現(xiàn)較高的電阻。當(dāng)護(hù)套出現(xiàn)沖擊過電壓時，保護(hù)器
呈現(xiàn)較小的電阻，這時，作用在金屬護(hù)層上的電壓
就是保護(hù)器的殘壓，一般不應(yīng)超過65 V。因此，在
電纜隱患治理中，某變電所對2條6 kV單芯電纜
安裝了護(hù)層保護(hù)器，以確保系統(tǒng)的安全運行。
3 電纜護(hù)層保護(hù)器的應(yīng)用
3．1 對保護(hù)器的要求
目前國內(nèi)外普遍采用氧化鋅保護(hù)器，該保護(hù)
器在正常工作條件下呈現(xiàn)很大的電阻，能保證電
纜屏蔽層在單點接地狀態(tài)下工作。當(dāng)雷電壓波和
內(nèi)過電壓波進(jìn)入電纜線芯，不接地端的屏蔽層出
現(xiàn)較高電壓時，保護(hù)器卻呈現(xiàn)較小的電阻，使電流
較容易經(jīng)保護(hù)器泄人大地，此時保護(hù)器不應(yīng)損壞。
只有保護(hù)器的殘壓小于電纜護(hù)層沖擊絕緣水平，
保護(hù)器才能起到保護(hù)電纜護(hù)層絕緣的作用。
應(yīng)該注意，在工頻短路時，金屬屏蔽層的不接
地端或絕緣接頭的2端也會再現(xiàn)較高的工頻電
壓。當(dāng)接有保護(hù)器時，這一工頻過電壓也將作用在
保護(hù)器上。工頻過電壓存在的時間雖然很短，通常
按線路備用的繼電保護(hù)器的動作時間來考慮，這
樣就要求護(hù)層保護(hù)器在這段時間內(nèi)承受這一丁頻
電壓而不損壞護(hù)層。
3．2保護(hù)器的選擇
保護(hù)器通過最大沖擊電流時的殘壓乘以1．4
后，其值應(yīng)低于電纜護(hù)層絕緣的沖擊耐壓值，在最
大工頻電壓作用下能承受時間5 s而不損壞。同時
要求保護(hù)器應(yīng)能通過最大沖擊電流累計20次而
不損壞。保護(hù)器閥片數(shù)m由護(hù)層所受工頻過電壓
確定：m=Us／Ul。
3．3 電纜金屬屏蔽層與保護(hù)器連接
連接線應(yīng)盡量短，宜采用同軸電纜，連接線截
面應(yīng)滿足熱穩(wěn)定要求，同時連接線的絕緣水平與
電纜護(hù)層絕緣水平相同。并且保護(hù)器應(yīng)配有動作
器。
4 結(jié)束語
單芯6 kV及以上交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜線路，
通常采用金屬屏蔽層1端接地，而另1端接入護(hù)層
保護(hù)器。其作用有2點：當(dāng)線路正常運行時保護(hù)器
， 電阻相當(dāng)于是無窮大(此時為開路)這樣就可以
避免在金屬屏蔽層上產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成環(huán)流，從
而不影響電纜線路的載流量，以及電纜的使用壽
命；當(dāng)線路發(fā)生雷電壓、操作過電壓和短路故障過
電壓時，由于保護(hù)器的固有特性，此時ZR將導(dǎo)通，
其電阻值很小(相當(dāng)于短路)，從而使順利流人大
地，從而保護(hù)了電纜護(hù)層的絕緣不發(fā)生擊穿現(xiàn)象。
從降低金屬屏蔽感應(yīng)電壓或降低環(huán)流考慮，
單芯電纜宜采用外護(hù)套緊貼的正三角形排列，對
導(dǎo)體截面單芯XLPE185—240絕緣電纜宜間隔1 m
用非磁性帶材扎緊，對400 mmz及以上截面，可適
當(dāng)放大扎緊間隔，但扎帶厚度或?qū)挾纫思訌姟＞o貼
正三角形排列方式，即“品”字形捆扎方式，更適合
在電纜溝或隧道支架上布置電纜。
參考文獻(xiàn)：
[1]周利軍．電纜護(hù)層保護(hù)器的性能應(yīng)用[J]．電線電纜，
2003(5)：32—34．
[2]解廣潤．過電壓及保護(hù)[M]．北京：水利電力出版社，
】998．63-65．
收稿日期：2009—06—27
作者簡介：全廷利，男，助理_r=程師，1992年畢業(yè)于黑龍江省農(nóng)業(yè)職
業(yè)學(xué)院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電氣技術(shù)管理 作
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