在城镇居民密集的地方,在高层建筑内及工厂厂区内部,或在其他有腐蚀性气体和易燃、易爆的场所,考虑到安全和市容美观的问题以及受地理位置的限制,不宜架设甚至有些场所规定不准架设架空线路时,就需要使用电力电缆线路。
电缆线路 指由 电缆、 附件、 附属设备 及 附属设施 所组成的整个系统。电缆系统 指由电缆和安装在电缆上的附件构成的系统。电缆附件 是连接电缆与输配电线路及相关配电装置的产品,一般指电缆线路中各种电缆的中间连接及终端连接的中间接头和终端头。附属设备 指与电缆系统起形成完整电缆线路的附属装置与部件,包括 油路系统、交叉互联系统、接地系统、监控系统 等。附属设施 指与电缆系统一起形成完整电缆线路的土建设施,主要包括电缆隧道、电缆竖井、排管、工井、电缆沟、电缆桥、电缆终端站 等。下面根据以上将分为电缆系统(分为电缆 、附件)、附属设备及附属设施进行分期专题介绍,上期介绍了电力电缆附件,本期继续介绍附属设备的接地系统。
单芯电缆的导体与金属套屏蔽层的关系可看作一个变压器的初级绕组。当电缆的导体通过交流电流时,其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链,使屏蔽层产生感应电压,感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比,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,在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时,屏蔽上会形成很高的感应电压,甚至可能击穿护套绝缘。如果屏蔽两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路,屏蔽中将产生环形电流,电缆正常运行时,屏蔽上的环流与导体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,减短电缆的使用寿命。因此,电缆金属屏蔽应可靠合理的接地,电线外护套应有良好的绝缘。
▲图 电缆金属屏蔽接地原理图
电缆的导体通过交流电流时,不仅仅对电缆金属套屏蔽层产生感应电压,也会在电缆沿线敷设的金属物体上产生感应电荷,所以电缆的金属护套和铠装、电缆构筑物及电缆支架和电缆附件的支架必须可靠接地。故 电缆线路接地主要分为电缆构筑物接地、电缆金属护层接地 两大类。
电缆构筑物接地包括电缆隧道、排管工作井、电缆沟、电缆桥架等的金属部分的接地。电缆金属护层接地包括两端直接接地、单点直接接地(线路一端或中央部位单点直接接地)、交叉互联接地等。电缆构筑物接地包括 电缆隧道、排管工作井、电缆沟、电缆桥架等的金属部分的接地。
▲图 构筑物接地
根据《城市电力电缆线路设计技术规定》DLT5221第4.4.2 条内容的 规定:安装在排管工作井内的金属构件皆应用镀锌扁钢与接地装置连接。每座工作井应设接地装置,接地电阻不应大于10Ω。根据国家电网公司的《电力电缆及通道运维规程 》(Q/GDW 1512-2014)第5.6.3 条内容的规定:电缆沟应合理设置接地装置,接地电阻不宜大于5Ω。综合《城市综合管廊内电力电缆线路技术要求》(征求意见稿)规定: 电力舱内的接地系统应形成环形综合接地网,接地电阻不应大于0.5Ω,条件允许时,宜独立成网。接地网使用截面应进行热稳定计算校验,且不宜小于50mm×5mm。接地网应采用现场电焊搭接,其导体宜使用经防腐处理的良好导电材料。在电力舱伸缩缝两侧,宜分别将支架系统与主接地网分别独立连接。电力舱内的金属构件外漏部分和固定式电器用具,如桥架、灯具、配电箱、风机等均应可靠接地,且隧道内需设置明敷的接地铜排,铜排截面4mm×40mm。
综合《城市电力电缆线路设计技术规定》(DL/T 5221-2016)第4.5.15 条及《电力电缆隧道设计规程》(DL/T 5484-2013)第12.2.1 条内容的规定: 隧道内的接地系统应形成环形接地网,接地网通过接地装置接地,接地网的综合接地电阻不宜大于1 Ω,且同时需要满足2000/I(综合接地网的入地短路电流);接地装置接地电阻不宜大于5Ω 。少数特殊情况,如隧道两端均未与发电厂、变电站地网连接且隧道内无特殊接地要求的设备,其接地电阻不应大于4Ω 。隧道内的金属构件和固定式电器用具均应与接地网连通。接地网使用截面应进行热稳定校验,且不宜小于40mm x 5mm ,接地网宜使用经防腐处理的扁钢在现场焊接,不得使用螺栓搭接方法。隧道内高压电缆系统应设置专用的接地汇流排或接地干线,其使用截面应进行热稳定校验,并应在不同的两点及以上就近与综合接地网相连接。隧道内的高压电缆接头、接地箱的接地应以独立的接地线与专用接地汇流排或接地干线可靠连接。隧道的综合接地网设计及隧道的附属设施(供配电及照明、防灾与报警、智能监控等)的接地设计应符合电力电缆隧道设计规程》(DL/T 5484-2013) 的要求。综合《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB 50169-2016)第4.3.8 条与4.3.9条内容的规定:桥架金属构件均应可靠接地。钢桥架接地由两端引出与两端接地装置连接;其他类型桥架接地通过接地干线与两端接地装置连接。
沿电缆桥架敷设铜绞线、镀锌扁钢及利用沿桥架构成电气通路的金属构件,如安装托架用的金属构件作为接地网时,电缆桥架接地时应符合下列规定:电缆桥架全长不大于30m时,与接地网相连不应少于2处;全长大于30m时,应每隔20m~30m增加与接地网的连接点; 电缆桥架的起始端和终点端应与接地网可靠连接。
金属电缆桥架的接地应符合下列规定:宜在电缆桥架的支吊架上焊接螺栓,和电缆桥架主体采用两端压接铜鼻子的铜绞线跨接,跨接线最小截面积不应小于4mm2 。电缆桥架的镀钵支吊架和镀辞电缆桥架之间无跨接地线时,其间的连接处应有不少于2 个带有防松螺帽或防松垫圈的螺栓固定。电缆线路正常运行时或工频短路时,电缆金属护套或屏蔽层会上产生感应电压。
正常运行时金属护套上的感应电压,未采取能有效防止人员任意接触金属套的安全措施时不大于50V,采取能有效防止人员任意接触金属套的安全措施时不大于300V。
正常运行时,为满足金属护套上的感应电压的要求,为了限制感应电压,电缆金属护层常采用护套或屏蔽层单点接地、中点接地、两端接地、交叉互联接地等方式。
电缆护层电压限制器与电缆金属套的连接线应尽可能短,3m之内可采用单芯塑料绝缘线,3m以上宜采用同轴电缆。
▲图 中点直接接地,两端通过护层保护接地
▲图 两端直接接地
▲图 交叉互联接接地
▲图 接地箱及交叉互联箱
金属护套单点接地:电缆线路较短时(长度<500m),通常采用电缆金属护套在终端位置采用一端直接接地,另一端经护层保护器间接接地的连接方式。由于金属护套的其他部位对地绝缘,这样护套与地之间不构成回路。金属护套中点接地与单点接地方式一样,电缆线路回路长度较长时(500~1000m),在电缆线路中间将金属护套直接接地,两端均对地绝缘并分别装设一组护层保护器。这样护套与地之间不构成回路,可看作2个单点接地。金属护套两端接地:电缆的金属护套两端直接接地。当电缆线路很短,传输功率较小时,金属护套上的感应电压极小,损耗不显著,对载流量影响不大。
金属护套交叉互联接地:电缆线路很长时(长度超1000m) ,电缆金属护套可以采用交叉互联接地方式。交叉互联是将电缆线路分成若干大段,每大段原则上分成长度相等的三小段,每小段之间以绝缘接头连接,绝缘接头处金属护套三相之间用 同轴电缆 经接地箱连接片进行换位连接,绝缘接头处的接地箱内装设一组护层保护器,每大段的两端护套分别互联接地。同一回路,交叉互相接地方式有两种,具体接地方式如下图。
工频短路时,金属护套上的感应电压,不能大于电缆 外护套 的 耐受电压,一般35kV不大于20kV,110kV不大于37.5kV,220kV不大于47.5kV。,500kV不大于72.5kV。装护层保护器时,不能大于护层保护器的工频耐压。单点直接接地的单芯电缆线路,工频短路时,先按全部以大地为回路计算是否满足护套感应电压的要求,如果系统短路时电缆金属护套产生的工频感应电压,超过电缆护层绝缘耐受强度或护层电压限制器的工频耐压,或需抑制临近弱电线路的电气干扰强度时,需沿电缆线路平行敷设一根阻抗较低的回流线,回流线一般带有绝缘层。回流线的阻抗及两端接地电阻,应达到抑制电缆金属护层工频感应过电压,并应使其截面满足最大暂态电流作用下的热稳态要求。回流线的排列布置方式,应使电缆正常工作时在回流线上产生的损耗最小。电缆线路任一终端在发电厂、变电站时,回流线应与电、源、中性线接地的接地网连通。单回路电缆一字型(水平或垂直)排列时,回流线按“三·七”开布置,等距换位1次。单回路电缆品字型排列时,回流线宜按左中右布置,等距换位2次;但实际无法实施,故采用在品字型左右侧布置,等距换位1次。单回路电缆三角形排列时,回流线按左中右布置,等距换位2次。
交叉互联 的电缆线路,工频短路时,可以不装设回流线。电缆线路交叉互联,每一大段两端接地,当线路发生单相短路时,接地电流不通过大地,则每相的金属护套通过1/3的接地电流,此时的金属护套也相当于回流线。每小段金属护套的对地电压,也就是绝缘接头对周围的大地电压,此电压只达一端接地线路装设回流线时的1/3,同时电缆线路和邻近的辅助电缆的感应电压也较小, 因此交叉互联的电缆线路不必再装设回流线。
在正常情况下, 由于线芯的负荷电流一般只有几百安, 所以感应电压不大。但在事故情况下, 由于短路电流可达几千安到几十千安, 在金属护套的两端或接头对地仍会出现很高的感应电压, 所以交叉互联分段也须满足其要求。
大气过电压情况下,雷电流沿线芯流动时,考虑电缆线路主绝缘的雷电冲击绝缘水平,一般35kV主绝缘的耐受电压不大于200kV,110kV主绝缘的耐受电压不大于550kV,220kV主绝缘的耐受电压不大于1050kV。
电缆线路 主绝缘 的雷电冲击绝缘水平应根据 避雷器 的保护特性、架空线路和电缆线路的波阻抗、电缆的长度及雷击点距电缆终端的距离等因素计算确定----冲击特性长度。大气过电压电缆与架空线连接处接有避雷器时入侵电压波幅值取值避雷器残压,否则采用绝缘子串U50%的正极性冲击电压值。操作过电压,220kV及以下主绝缘的耐受电压不考虑。大气过电压情况下,雷电流沿金属护套流动时,不能大于电缆外护套雷电冲击耐受水平,一般35kV不大于20/ √2 kV,110kV不大于37.5kV/ √2,220kV不大于47.5kV/√ 2,500kV不大于72.5/ √2 kV。(雷电冲击耐受水平f的分母值在GB 50217-2018取1.4,在DL/T 5221-2016 取 √2,建议取√2)。
尽量防止雷电流进入金属护套。

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