专利名称：电力电缆护层感应电流的抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种采用电感平衡因电缆不等长分段所引起的护层感应电压、从而抑制护层感应电流的方法，属于电气工程技术领域。
背景技术：
众所周知，供电线路普遍采用电力电缆作为输电网络。由于输送容量的需求不同，电缆的设计也不尽相同。对于输送容量较低的线路，一般采用三芯电缆；而对于输送容量要求较大的线路，一般采用单芯电缆。
三芯电缆的三根线芯公用同一个金属护层，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，因此，金属护层上不会有感应电压产生。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，金属护层上才有不平衡感应电压产生。
对于单芯电缆而言，金属护层的感应电压与三芯电缆完全不同。单芯电缆的导线与金属护层的关系，可以看作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，在其周围产生磁通，磁通不仅与线芯回路相链，同时也与电缆的金属护层相链，因此在线芯和金属护层上产生感应电压。由于每根线芯专用一个金属护层，负载电流或短路电流所产生的磁通，与金属护层交链，因此金属护层上的感应电压始终存在。这种感应电压的值与线芯截面、电缆间距离、电流大小以及电缆长度有关。尤其当电缆很长时，护层上的感应电压可达到较高的数值。
目前，新的电缆线路通常采用金属护层换位等措施解决金属护层的感应电压问题(参见图1)，采用换位连接法设计中，通过计算绘制出的沿电线长度对地电压分布图如图2所示。(如当电缆为等边三角形敷设时，对地电压分布即为图2所示。)但是，随着电力建设的发展，电缆线路的改造日益增多，改造后的电缆线路，其长度往往不能满足原来的三段换位要求，从而引起金属护层电压不平衡。金属护层电压不平衡不但会引起电缆线路护层环流，有些情况下护层环流的数值可达到与线芯电流相同的数量级1，导致大量的能量损耗，而且有可能引起电缆发热，影响电缆寿命。因此，必须采取措施减小或消除这种护层电压的影响。此外，理论分析表明，电缆金属护层中的感应电压与电缆长度和线芯电流的乘积成正比。在电缆长度和线芯截面较大的情况下，尤其是当系统发生短路事故时，感应电压将达到危害人身安全的数值，甚至造成电缆的运行事故。为了确保值班及检修人员接触时的安全，《GB50217-94》中规定，金属护层上感应电压不得超过50V。
目前，国内外普遍采用的方法是补偿电缆，即增加电缆的长度，使其长度与原三段换位法的电缆等长，并将多放的电缆圈放在电缆沟中。这种方法显然有其不足之处，不仅因增加电缆长度而增加了成本，而且多放电缆往往受到空间和敷设条件的限制。
检索发现，申请日为1997.12.19、申请号为97251313.2的中国专利公开了一种电缆护层保护器，它由电机、接触片、氧化锌阀片、粘结胶、硅橡胶套组成，所述氧化锌阀片两侧面通过接触片与两电机的端部接触，且通过粘结胶将其连为一整体，在粘结胶外套设有一硅橡胶套。据介绍，该保护器结构简单，加工制造容易，体积小，成型工艺良好，密封、绝缘性能优良，对电缆外层感应电压的保护性能可靠，适于使用在电力电缆中电缆护层保护器。但是，从原理看，该项保护器主要是通过释放电流进行过电压保护，而不是减小护层电流，并且在目前的高压电缆运行中，该保护器在220KV电缆投入运行时，并不能很好的起到护层保护作用，仍然导致金属护层对地放电(电压甚至高达数万伏)。
发明内容
本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，提出一种电缆护层感应电流的抑制方法，该方法通过采取简单易行、并且成本经济的措施，来平衡由于三段电缆不等长而产生的电缆护层过电压，从而大大减小护层环流，降低损耗，提高电缆的载流量，延长电缆的使用寿命。
为了达到以上目的，申请人通过模拟设计，建立了电缆的数学模型，根据电缆的电气参数，可以建立电缆的等值电路如图3所示。其中R为电缆的线芯电阻，Li为电缆的内感，Le为电缆的外感，Rj为电缆金属护层的电阻，C为电缆的电容，绝缘电阻Ri在此忽略不计。单相电缆的工作电感L＝Li+Le。对于三相电路，各电缆的工作电感也与敷设形式有关，视具体情况而定。
通过以上参数及模型，可从理论上计算出电缆金属护层中的感应电势。由此得出本发明电力电缆护层感应电流的抑制方法，其步骤为1)将三段电缆起始端的护层三相互联接地；2)将三相电缆各段的金属护层在中部的两换位点处交叉换位连接；3)根据电缆敷设形式和敷设参数变化，计算金属护层上的感应电压，并确定使三相感应电压基本平衡的外接补偿电感值；4)将补偿电感外接在电缆护层上，以平衡护层感应电压，抑制护层电流。
以上计算用于抑制护层电流的外接电感值的过程可以归纳为
A、计算护层感应电压以电缆三角形敷设为例，三相护层单位长度的感应电压Usa、Usb、Usc分别按下式计算U·Sa=-jI·aXS,V/m]]>U·Sb=-jI·bXS,V/m]]>U·Sc=-jI·cXS,V/m]]>其中XS=2ω(ln2SDS)×10-7Ω/m]]>以上式中j——为复数运算因子ω——为角频率，ω＝2πfIa、Ib、Ic——分别为三相电缆各相负载电流S——电缆中心轴间距离Ds——电缆护层平均直径B、计算外接补偿电感值；Xa=imag((L1*U·Sa+L2*U·Sc+L3*U·Sb)I·a)]]>Xb=imag((L1*U·Sb+L2*U·Sa+L3*U·Sc)I·b)]]>Xc=imag((L1*U·Sc+L2*U·Sb+L3*U·Sa)I·c)]]>将Xa、Xb、Xc分别除以2πf即可得到各相所补偿的电感值。
以上式中Xa、Xb、Xc——分别为三相应补偿的电抗值L1、L2、L3——分别为第1、2、3段电缆的长度La、Lb、Lc——分别为三相应补偿的电感值，计算公式分别为La=Xa2πf,]]>Lb=Xb2πf,]]>Lc=Xc2πf]]>f——供电频率这样，当由于电缆线路改造开发等原因，第三段长度小于原长度时，通过计算确定所需补偿的电感参数，在电缆末端护层上联接适当大小的电感进行补偿，即可使电缆护层上的三相感应电压也尽可能平衡。结果，电缆护层中的环流将会大大减小。
本发明打破传统思路，通过科学的理论分析，巧妙建立了数学模型，以简单实用的方法实现了电缆护层感应电流的抑制，由于电感的造价相对电缆来说便宜得多，而且也不受敷设条件的限制，因此采用本发明成本经济，切实可行。显然，与现有技术相比，本发明具有突出的进步。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为现有电缆护层换位连接结构示意图。
图2为电缆三段等长时交叉换位感应电压分布图。
图3为建立电缆数学模型的等值电路示意图。
图4为本发明实施例的结构示意图。
图5为图4实施例的感应电压分布图。
图6为图4实施例的定量感应电压分布图具体实施方式
实施例本实施例中变电站采用单台主变容量为5万千伏安的110kV变压器，电缆每相负载电流约I＝500A，电缆中心轴间的距离S＝250mm，电缆护层平均直径DS＝69.3mm，由三根单芯电缆组成三相回路，线路采用了等边三角形敷设。在平衡负载条件下，USa、USb、USc三相感应电压为USa＝USb＝USc＝US＝IXS＝500×1.1247×10-4＝0.0621(V/m)其中Xs按照公式XS=2ω(ln2SDS)×10-7Ω/m]]>算得。由此可见看出，当电缆很长时(实际运行中，110kV电缆线路的总长度一般可达到5～6公里)，护层感应电压将很高。而当系统发生短路事故时，感应电压的数值将会达到103V/m数量级2。
敷设时，将三相电缆A、B、C分为I、II、III三段，三相电缆起始端的护层在普通型连接接头盒1处三相互联接地，之后各段电缆的金属护层在两换位点处通过绝缘接头盒2、3分别交叉换位连接。
由于线路改造，三相电缆三段电缆的长度分别为500m、500m、300m。电缆为等边三角形敷设，在额定状态下运行，换位后三相感应电压分别按照以下公式计算U·Sa=-jI·aXS,V/m]]>U·Sb=-jI·bXS,V/m]]>U·Sc=-jI·cXS,V/m]]>其中XS=2ω(ln2SDS)×10-7Ω/m]]>又根据Ua＝L1*USa+L2*USc+L3*USbUb＝L1*USb+L2*USa+L3*UScUc＝L1*USc+L2*USb+L3*USa得各相护层感应电压Ua＝Ub＝Uc＝12.4166V，护层电流为76.9231A计算公式为Ih=|U·SajXS(L1+L2+l3)|,]]>由于三相感应电压平衡，此时护层中无环流。若要使护层中无电流，则根据以下计算
Xa=imag((L1*U·Sa+L2*U·Sc+L3*U·Sb)I·a)=0.0248]]>Xb=imag((L1*U·Sb+L2*U·Sa+L3*U·Sc)I·b)=0.0248]]>Xc=imag((L1*U·Sc+L2*U·Sb+L3*U·Sa)I·c)=0.0248]]>得需补偿大小为0.0248Ω的电抗，分别除以2πf即得外接补偿电感为0.079047mh。
以上计算结果证明，当电缆为对称敷设时，三相外接补偿电感值相等。之后，在第三段电缆护层终端的普通型连接接头盒4处分别通过各自的外接补偿电感接地(参见图4)。补偿后电缆护层的感应电压对地分布如图5所示。
实践证明，本实施例采用在护层末端联接电感，以补偿三段电缆不等长产生的感应电压带来的影响，从而大大减小了护层感应电压和环流，提高了电缆的载流量，延长了电缆的使用寿命，并且不受到空间和敷设条件的限制，既消除了护层感应电压的影响，又显著降低了电缆的改造成本。
实验证明，补偿后，本实施例基本消除了三段电缆不等长产生的影响，从而大大减小了护层感应电压和环流，提高了电缆的载流量，延长了电缆的使用寿命，并且不受到空间和敷设条件的限制，既消除了护层感应电压的影响，又显著降低了电缆的改造成本。
附说明书中的符号物理意义如下C电缆的电容
Ds电缆护层平均直径f 供电频率I 负载电流Ia、Ib、Ic分别为三相电缆各相线芯电流Ib护层电流j 为复数运算因子L 单相电缆的工作电感，L＝Li+LeL1、L2、L3分别为第1、2、3段电缆的长度La、Lb、Lc分别为三相应补偿的电感值Le电缆的外感Li电缆的内感R 电缆的线芯电阻Ri绝缘电阻，在此忽略不计。
Rj电缆金属护层的电阻S 三相电缆中心轴间距离Ua、Ub、Uc分别为电缆三段换位后的护层感应电压Usa、Usb、Usc 分别为三相护层单位长度的感应电压ω 为角频率，ω＝2πfXa、Xb、Xc分别为三相应补偿的电抗值XS为单位长度金属护层的电抗[1]国家经济贸易委员会电力司主编，电力电缆，北京中国电力出版社，2002年9月[2]刘子玉编，电气绝缘结构设计原理，上册，北京机械工业出版设，1981年9月
权利要求
1.一种电力电缆护层感应电流的抑制方法，其步骤为1)将三段电缆起始端的护层三相互联接地；2)将三相电缆各段的金属护层在中部的两换位点处交叉换位连接；其特征在于3)根据电缆敷设形式和敷设参数变化，计算金属护层上的感应电压，并确定使三相感应电压基本平衡的外接补偿电感值；4)将补偿电感外接在电缆护层上，以平衡护层感应电压，抑制护层电流。
2.根据权利要求1所述电力电缆护层感应电流的抑制方法，其特征在于所述步骤3)为根据电缆敷设形式和未端长度敷设参数变化，计算金属护层上的感应电压，并确定使三相感应电压基本平衡的外接补偿电感值；所述步骤4)为将补偿电感外接在末端电缆护层上，以平衡护层感应电压，抑制护层电流。
3.根据权利要求1或2所述电力电缆护层感应电流的抑制方法，其特征在于A、计算护层感应电压Usa=Usb=U·Sa=-jI·aXSV/m]]>XS=2ω(ln2SDS)×10-7Ω/m]]>B、计算外接补偿电感值；Xa=Xb=Xc=imag((L1*U·Sc+L2*U·Sb+L3*U·Sa)I·c)]]>将Xa、Xb、Xc分别除以2πf得到各相所补偿的电感值。
4.根据权利要求3所述电力电缆护层感应电流的抑制方法，其特征在于所述三相电缆起始端的护层在连接接头盒处三相互联接地，各段电缆的金属护层在换位点处通过绝缘接头盒交叉换位连接。
全文摘要
本发明涉及一种采用电感来平衡电力电缆护层感应电压、抑制护层电流的方法，属于电气工程的技术领域。该方法通过将三相电缆分为三段，起始端的护层三相互联接地；将三相电缆各段的金属护层在中部的两换位点处交叉换位连接；根据电缆敷设形式和敷设参数，计算金属护层上的感应电压，并确定使三相电压平衡的补偿电感；将补偿电感联接在第三段电缆护层上，从而平衡由于电缆线路改造开发等原因、电缆长度变化导致的金属护层感应电压不平衡，使电缆护层中的环流大大减小。本发明通过科学的理论分析，巧妙建立了数学模型，以简单实用的方法有效地抑制电力电缆护层感应电流，其成本经济，切实可行。
文档编号H02G1/00GK1635585SQ200410066049
公开日2005年7月6日 申请日期2004年12月15日 优先权日2004年12月15日
发明者王东海, 皇甫学政, 王春宁, 马宏忠 申请人:江苏省电力公司南京供电公司, 河海大学