电缆金属护套感应电压计算公式及应用

电缆护层保护器原理及应用王培雄【摘要】在10～35kV电力系统中,电缆都为三芯结构,而在高速铁路10KV电力系统中,电缆都为单芯结构,本文分析了单芯电缆金属护层产生的感应电压过高及形成环流的原理,并采用一端金属护层直接接地,另一端金属护层经护层保护器接地的方法避免了电压过高及形成环流.单芯电缆各相之间相互不干扰,能提高供电可靠性,缩短电缆检修时间,方便电缆检修维护.%In power system of 10 ～ 35kV, cables are three core structure, while in the power system of 10KV of high-speed railway, cables are the single core structure. This paper analyzed inductive voltage which was too high generated by metal protective layer of single core cable and the theory of forming circulation. The paper provided a method which metal protective layer of one end directly grounded, and another end grounded after sheath protector, which avoided the voltage which was too high and the formation of circulation. The single core cable does not interfere with each other, which can improve reliability of the power supply, shorten time of repairing cable and conveniently maintain cable.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2011(030)002【总页数】2页(P200-201)【关键词】单芯电缆;护层保护器;环流;过电压【作者】王培雄【作者单位】中铁建电气化局集团南方工程有限公司,武汉,430071【正文语种】中文【中图分类】TM7单芯高压电缆常因金属护套过电压引起电缆外护层击穿损坏，为了降低护套对地过电压，避免外护层击穿，使用限压装置，即护层保护器，保证电缆可靠运行。

单回路高压单芯电缆金属护套感应电压及限制措施发表时间：2019-12-27T10:51:41.343Z 来源：《中国电业》2019年第18期作者：韦华[导读] 随着社会的发展和进步，现阶段社会各个行业越来越多的拓展了其发展规模摘要：随着社会的发展和进步，现阶段社会各个行业越来越多的拓展了其发展规模，因此大型企业对供电量的需求也越来越高，但由于化工行业在内的多种大型企业自身的供电需求以及生产限制，使得在企业内部不方便进行架空线路的建设，由此厂区内的主要供电线路会使用电缆在桥架中进行敷设的方法，以此满足企业的生产用电需求。

但对于类似110kv单回路高压单芯电缆线路的使用来说，在正常情况下会由于电缆的长度增加而产生更多的问题。

例如电缆金属护套的发热等问题。

从而需要对这些实际存在的问题进行有效的解决和控制，以此确保企业的生产稳定和生产安全。

关键词：单回路高压单芯电缆：电缆金属护套；感应电压及限制措施一、单回路高压单芯电缆金属护套感应电压概述随着社会各行业生产技术和生产规模的逐渐扩大，现阶段采用单回路高压单芯电缆进行供电的企业，在实际生产的整个过程中会由于单回路高压单芯电缆金属护套产生过高的感应电压，而切实影响到生产的稳定进行和生产过程的安全。

从而需要对这一问题进行有效的解决。

具体的，对于金属护套感应电压的产生，是因为当单芯电缆线中有相应的交变电流流过时，交变电流本身周围就会存在交变磁场，从而交变磁场会与电缆回路形成交变磁通，也从而使其与电缆的金属护套产生交链，至此，金属护套就会带有一定的感应电压，感应电压的实际存在会切实影响到线路的检修和维护，并且感应电压所引起的感应电流，会造成金属护套发热严重，进一步使得电能过多的浪费，并降低电缆的载流量，最终会使得电缆加速老化和出现绝缘方面的问题。

从而对于实际使用造成较大的安全隐患和威胁。

根据国标中制定的相关规范和要求，在GB50217-2017《电力工程电缆设计规范》中提出：在没有采取相应能够有效防止人员接触金属护套而产生安全事故的基础上，交流单芯电力电缆整个线路产生的感应电压不应该超过50V。

第一章电力电缆基本知识模块7 金属护层感应电压（GYDL00101007）【模块描述】本模块介绍高压单芯电缆金属护层感应电压的基本知识。

通过概念解释、要点讲解和图形示意，了解金属护层感应电压概念及产生原因，熟悉金属护层感应电压对单芯电缆的影响，掌握改善电缆金属护层电压的措施。

【正文】当电缆线芯流过交流电流时,在与导体平行的金属护套中必然产生感应电压。

三芯电缆具有良好的磁屏蔽,在正常运行情况下其金属护套各点的电位基本相等为零电位,而由三根单芯电缆组成的电缆线路中则不同。

一、金属护层感应电压概念及产生原因单芯电缆在三相交流电网中运行时，当电缆导体中有电流通过时，导体电流产生的一部分磁通与金属护套相交链，与导体平行的金属护套中必然产生纵向感应电压。

这部分磁通使金属护套产生感应电压数值与电缆排列中心距离和金属护套平均半径之比的对数成正比，并且与导体负荷电流，频率以及电缆的长度成正比。

在等边三角形排列的线路中，三相感应电压相等；在水平排列线路中，边相的感应电压较中相感应电压高。

二、金属护套感应电压对单芯电缆的影响单芯电缆金属护套如采用两端接地后，金属护套感应电压会在金属护套中产生循环电流，此电流大小与电缆线芯中负荷电流大小密切相关，同时，还与间距等因素有关。

循环电流致使金属护套因产生损耗而发热，将降低电缆的输送容量。

如果采取金属护套单端接地,另一端对地绝缘,护套中没有电流流过.但是,感应电压与电缆长度成正比,当电缆线路较长时,过高的感应电压可能危及人身安全,并可能导致设备事故。

因此必须妥善处理金属护套感应电压。

三、改善电缆金属护套电压的措施金属护套感应电压与其接地方式有关,我们可通过金属护套不同的接地方式,将感应电压合理改善。

《电力工程电缆设计规程》GB50217－2007规定，单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时，金属护套任一点的感应电压(未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时)不得大于50V；除上述情况外，不得大于300V，并应对地绝缘，如果大于此规定电压时，应采取金属护套分段绝缘或绝缘后连接成交叉互联的接线。

110kV-1x300mm2铜芯电缆金属护套感应电势计算U：感应电势；I：载流量；X：单位长度电抗；L：电缆长度Xm：两边电缆单位长度电抗；Xs：中间电缆单位长度电抗一、1500米长电缆感应电势（总长）1、敷设方式：平行敷设、在空气中2、电缆近似外径（Ds）：Φ90mm；相邻电缆中心距离S：120mm3、电缆额定载流量：750 A计算：1、两边电缆金属护套的感应电势注：式中 Xm=2ω（ln2）x 10-7（Ω/m）， Xs= 2ω（ln 2SDs）x 10-7（Ω/m）ω=2πf，f= 50 HzU = I X L= 750 x x 1500 = 102.9 V2、中间电缆金属护套的感应电势U = I Xs L= 750 x 2ω x ln 212090xx 10-7x 1500= 69.3 V二、750米长电缆感应电势（接地处理后单段电缆长）1、敷设方式：平行敷设在空气中2、电缆近似外径：Φ90mm；相间距离：120mm3、电缆额定载流量：750 A计算：1、两边电缆金属护套的感应电势U = I X L= 750=51.45V2、中间电缆金属护套的感应电势U = I X L= 750 x 2ω x ln 212090xx 10-7x 750= 34.65 V因此不采取配置方案中的接地方式，感应电势将会危及人身安全；尤其是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，远远大于计算值，甚至可能击穿护套绝缘。

如果金属屏蔽两端同时接地将使屏蔽线路形成闭合回路，屏蔽中将产生环形电流，电缆正常运行时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，甚至有可能烧穿电缆。

（参考书：西安交通大学编《电气绝缘结构设计原理》）110kV-1x300mm2电缆线路（L=1500m）接地方案。

第２２期 收稿日期：２０１９－０８－２２作者简介：史国栋（１９８２—），山东济宁人，工程师，主要从事电力工程安全配置研究。

单芯１０ｋＶ主电缆的敷设方式的改造史国栋１，朱　琦２（１．济宁阳光化学有限公司，山东济宁　２７２１００；２．济宁孔子文化旅游集团有限公司，山东济宁　２７２１００）摘要：简要介绍单芯电缆的优缺点，结合公司用电负荷需求的增大所引起的单芯１０ｋＶ电缆出现的故障，分析其发生的原因，并积极寻找对策，通过对电缆感应电压计算，为公司主电缆改造提供技术和理论支持。

最后成功实施对电缆的改造，确保了公司用电安全。

关键词：单芯电缆；感应电压；接地方式；改造中图分类号：ＴＭ２４７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）２２－０１３７－０１ 随着上下游产业链的融合，如今生产工厂由单一产品逐步向完整产业链发展，工厂配套产能的增大势必带来用电负荷的激增；这就使工厂电力电缆的配套选用由三芯电缆向三相单芯电缆过渡，单芯电缆对比三芯电缆有几个方面的优势，一是同截面单芯电缆重量减少６５％，弯曲半径减少５０％，降低了施工强度。

二是单芯电缆比三芯电缆载流量大，可满足工厂产能扩张需要。

但是单芯电缆的安全运行有一些问题需要引起重视。

因此本文从实际运行经验入手，分析单芯电缆运行中的一些故障，探讨了电缆分段敷设和接地方式。

１　现状及故障维修１．１　电力电缆现状济宁阳光化学有限公司电源引至园区１１０ｋＶ王石变电所１０ｋＶ阳光线，电缆型号：ＦＳ－ＹＪＶ６２－１×５００，线路所带固定容量８７５０ｋＶＡ，目前最大运行电流约３３０Ａ。

采用单芯１×５００电缆由王石变敷设至阳光配电室，单根敷设长度约２１００ｍ，王石变电所０１４开关柜处单端接地，另一端不接地。

１．２　故障简述（１）２０１８年３月８日阳光线发现电缆受损点２处，一处位于王石变电所电缆室内，一处位于园区大桥下电缆井内。

经过分析电缆受伤原因，发现钢铠层出现大的环流电流是导致电缆发热受损的主要原因。

110kVXX 输变电工程电缆护套感应电压计算(隧道) 资料准备：本工程一回110kV 电缆极限输送容量：135MW功率因数：0.9 则输送电流A U p I 3.7879.01103135000cos 3=⨯⨯=⨯⨯=ϕ 电缆截面：1000mm ²电缆外径：101.3mm（参照中天科技海缆有限公司产品样本） 则护套的几何平均半径mm GMR s 585.4529.03.101=⨯=3145014.322=⨯⨯==f πω一．两回垂直排列1.A 相护套感应电压mm S AB 400==2800=−−→−==n mm ns AC 推出75.0300=−−→−=='P mm PS A A 推出25.150040030022=−−→−=+=='q mm qS B A 推出136.24.85480030022=−−→−=+=='r mm rS C A 推出 根据公式()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯+⨯=-2242123102S SA GMR P nqrs In j q nr In I E ω代入参数 ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=−−→−-224585.4575.0400136.225.122125.1136.2223103.7873142In j In E SA 推出()km V E j j SA 295.171012.1636216.52297.30643.144244.49=−−→−+=+⨯=取模2.B 相护套感应电压mm S BA 400==1400=−−→−==m mm mS BC 推出25.1500='−−→−='='q mm S q A B 推出75.0300=−−→−=='t mm tS B B 推出25.1500=−−→−=='y mm yS C B 推出⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯⨯=-S S SA m tyGMR S q In j GMR t m sy In I E 242123102ω ⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⨯⨯=S S m tyGMR S q In j GMR t m sy In 2212344244.49 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=585.4525.175.0140025.121585.4575.025.140012344244.492In j In ()322.6687.1143414.13233.244244.49j j -=-⨯=km V E SB 64.132=3.C 相护套感应电压2800=−−→−==n mm nS AC 推出1400=−−→−==m mm mS BC 推出136.24.854='−−→−='='='r mm S r C A A C 推出25.1500='−−→−='='='y mm S y C B B C 推出75.0300=−−→−=='z mm zS C C 推出⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯''-⨯'-⨯=-S S SC GMR z y m S r n In j GMR y m s In I E 22421223102ω⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯-⨯=585.4575.025.11400136.2221585.45225.140012344244.4922In j In()082.127872.7257.2474.144244.49j j --=-⨯=km V E SC 493.146=二．两回三角排列（一）1.A 相护套感应电压mm S AB 300==667.1500=−−→−==n mm nS AC 推出667.2800=−−→−=='q mm qs B A 推出848.24.854=−−→−=='r mm rS C A 推出()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯+⨯=-2242123102S SA GMR p nqrS In j q nr In I E ω ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=22585.45333.1300848.2667.2667.121667.2848.2667.12344244.49In j In ()7055.141672.24866.2499.044244.49j j +=+⨯= km V E SA 837.143=2.B 相护套感应电压mm S BA 300==333.1400=−−→−==m mm mS BC 推出667.1500='−−→−='='q mm S q A B 推出848.24.854=−−→−=='t mm ts B B 推出667.2800=−−→−=='y mm ys C B 推出⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⨯⨯=-S S SB m tyGMR S q In j GMR t m sy In I E 242123102ω ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=585.45667.2848.2333.1300667.121585.45848.2667.2300333.12344244.492In j In ()6165.14173.902956.08238.144244.49j j -=-⨯= km V E SB 35.91=3.C 相护套感应电压667.1500=−−→−==n mm nS AC 推出1300='−−→−='='r mm S r A C 推出667.1500='−−→−='='y mm S y B C 推出333.1400=−−→−=='z mm zS C C 推出⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯''-⨯'-⨯=-S S SC GMR z y m S r n In j GMR y m s In I E 22421223102ω ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯-⨯=585.45333.1667.1333.13001667.121585.45333.1667.130012344244.4922In j In ()45252.909102.08254.144244.49j j --=--⨯=km V E SC 85.100=三．两回三角排列（二）1.A 相护套感应电压mm S AB 300==667.1500=−−→−==n mm nS AC 推出848.24.854=−−→−=='p mm ps A A 推出667.2800=−−→−=='q mm qs B A 推出333.1400=−−→−=='r mm rS C A 推出()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯+⨯=-2242123102S SA GMR p nqrS In j q nr In I E ω()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=22585.45848.2300333.1667.2667.121667.2333.1667.12344244.49In j In()4.85868.77273.1158.044244.49j j +-=+-⨯=km V E SA 763.85=2.B 相护套感应电压mm S BA 300==333.1400=−−→−==m mm mS BC 推出667.2800='−−→−='='q mm S q A B 推出848.24.854=−−→−=='t mm ts B B 推出667.1500=−−→−=='y mm ys C B 推出⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⨯⨯=-S S SB m tyGMR S q In j GMR t m sy In I E 242123102ω ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=585.45667.1848.2333.1300667.221585.45848.2667.1300333.12344244.492In j In ()468.4906.701417.144244.49j j -=-⨯=km V E SB 764.85=3.C 相护套感应电压667.1500=−−→−==n mm nS AC 推出333.1400=−−→−==m mm mS BC 推出333.1400='−−→−='='r mm S r A C 推出667.1500='−−→−='='y mm S y B C 推出1300=−−→−=='z mm zS C C 推出⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯''-⨯'-⨯=-S S SC GMR z y m S r n In j GMR y m s In I E 22421223102ω⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯-⨯=585.451667.1333.1300333.1667.121585.451667.1300333.12344244.4922In j In ()319.66855.114341.1323.244244.49j j --=--⨯= km VE SC 627.132=。

10kV单芯XLPE绝缘电缆金属屏蔽层接地方式解说10kV电缆金属屏蔽层通常采用两端直接接地的方式。

这是由于10千伏电缆多数是三芯电缆的缘故。

八十年代中期前，10kV电缆均采用油浸纸绝缘三芯电缆。

结构多为统包型，少量为分相屏蔽型。

八十年代末期开始大量使用交联聚乙烯绝缘分相屏蔽三芯电缆，逐步淘汰了油纸电缆。

九十年代以来，随着大连经济建设的迅猛发展，负荷密度增大，环网开关柜等小型设备的应用，市区变电所出线和电缆网供电主干线电缆开始采用较大截面单芯电缆。

单芯电缆的使用提高了单回电缆的输送能力，减少了接头，短段电缆可以使用，方便了电缆敷设和附件安装。

也由此带来了金属屏蔽接地方式的问题。

一、单芯电缆金属护套工频感应电压计算单芯电缆芯线通过电流时，在交变电场作用下，金属屏蔽层必然感应一定的电动势。

三芯电缆带平衡负荷时，三相电流向量和为零金属屏蔽上的感应电势叠加为零，所以可两端接地。

单芯电缆每相之间存在一定的距离，感应电势不能抵消。

金属屏蔽层感应电压的大小与电缆长度和线芯负荷电流成正比，还与电缆排列的中心距离、金属屏蔽层的平均直径有关。

1、电缆正三角形排列时，金属屏蔽单位长度的感应电压可按下面公式计算：公式1I---负荷电流，S---电缆中心距离，D--电缆金属屏蔽层平均直径以YJSY-8.7/15kV-1×300mm,2单芯电缆为例，电缆屏蔽层平均直径40mm，PVC护套厚度3.6mm，当电缆“品”字形紧贴排列，负荷电流为200A时，算得电缆护层的感应电压为每公里10.7伏。

2、电缆三相水平排列时，设电缆间距相等，金属屏蔽单位长度的感应电压可按下式计算：公式2、3 、4当三相电缆紧贴水平排列，其它条件与1相同时，算得边相的感应电压为每公里16.9伏，中相的感应电压为每公里10.7伏；当电缆间距200mm时，算得边相的感应电压为每公里36.1伏，中相的感应电压为每公里31伏。

边相感应电压高于中相感应电压。

浅谈防止电力电缆护层感应电压过高的措施摘要：本文概述了运行中电力电缆护套感应电压的产生及感应电压过高对运行电力电缆及人身安全的危害。

根据规程规定：当电缆运行中未采取安全措施以致不能任意接触金属护套时，其金属护套上的正常感应电压不得超过50V；当采取措施后，例如在不接地端电缆终端位置的金属护套上用玻璃纤维绝缘材料包裹起来时，该感应电压允许提高为100V。

为了避免感应电压过高的现象出现，主张采取如下有效措施：1.设计阶段必须对电力电缆线路金属护层感应电压的计算；2.根据线路情况按照经济合理的原则选择电力电缆金属护套接地方式：（1）护套一端接地一端接护层保护器；（2）护套两端接地；（3）护套交叉互联；（4）电缆换位、金属护套交叉互联；3.为了防止护套绝缘击穿，护层保护器和回流线的配套安装时的注意事项。

并加以论证。

关键词：电力电缆；金属护层；感应电压；接地方式1. 引言随着经济的发展和城市建设规划的完善，电缆线路将被广泛的使用，电力建设部门在建设中对电缆线路的安全、经济运行、供电可靠性提出了更高的要求。

而电力电缆金属护套感应电压过高不仅直接影响到电力电缆经济运行、人身安全及供电可靠性，还直接关系到电力行业的信誉。

那么为了保证敷设的电缆线路能安全、可靠、经济运行，就必须深入探讨以下三个问题：（1）电力电缆金属护层感应电压是怎么产生的？（2）电缆金属护层感应电压过高有什么危害？（3）怎么做才能防止电力电缆金属护层感应电压过高问题的出现？目前，根据我国电力行业的有关规定：交流单相电力电缆的金属护层，必须直接接地，且在金属护层上任一点非接地处的正常感应电压，应符合下列规定：（1）未采取不能任意接触金属护层的安全措施时，不得大于50V。

（2）除上述情况外，不得大于100V。

为此，作为供电人员有必要探讨防止电力电缆护层感应电压过高的方法和措施，希望通过正确的方法和措施的实施，符合我国电力行业的有关规定和要求。

确保电力电缆的安全经济运行。

110kV高压单芯电缆敷设安全长度分析摘要：本文从110kV高压单芯电缆不同的接地保护方式入手，通过计算感应过电压来求得在满足安全规定的要求下所能敷设长度L所满足的不等式及临界值，为电缆工程的设计提供理论参考依据。

通过理论推导及实例分析表明，在不同接地保护方式下，对于能够敷设安全长度的大小，单端接地时最短，中间接地，两端保护器接地次之，使用交叉互联接地方式最长。

关键词：110kV高压单芯电缆；感应过电压；敷设安全长度引言高压单芯电缆运行时在金属护套上会产生感应过电压，根据电缆敷设长度的不同，其值也将不同，据GB50217—94要求：非直接接地一端金属护套中的感应电压不超过50V。

对于110kV正常工作的高压单芯电缆来说，其产生感应过电压的途径主要有正常工作时，不接地端产生的工频感应电压及在短路与雷电波或内部过电压流入高压电缆在金属护套上产生很高的冲击电压[1]。

电缆不正常工作时需要考虑其绝缘及保护器参数问题[2,3]，本文不予讨论。

文献[4,5]中探讨了正常工作时高压单芯电缆金属接地方式，但都是在给定电缆长度工况下进行讨论，没有一个具体统一的方式对电缆敷设安全长度进行计算分析等，具有一定的限制性。

文献[6]对水平直线敷设方式的高压电缆进行了设计，并未考虑重要的等三角形敷设方式，不够全面。

因此需要对在满足安全规定要求下的高压单芯电缆敷设长度进行讨论分析。

本文首先给出了不同敷设方式下金属护套感应过电压计算公式，然后通过对不同保护接地方式的讨论得出满足安全需要的所能敷设长度L满足的不等式及临界值，最后通过一个实例分析来进行验证及得出结论。

1 电缆金属护套感应过电压计算当单芯电力电缆芯线内流过交流电流时，将使电缆金属护套处于交变磁场中，必定有磁力线交链金属护套，从而使金属护套感应一定的电势。

交流系统中高压单芯电缆线路一回或者两回的各相按通常配置排列情况下，在电缆金属层上任一点非直接接地点的正常感应过电压计算公式为2 电缆金属护套保护接地方式为了避免感应过电压造成危害，必须采取有效的保护接地措施。