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。

2019年增刊1 69基于ATP -EMTP 电缆金属外护套的 感应电压分析计算及相关保护设备选型惠胜达1 张军强2（1. 中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，郑州 450007；2. 河南省众慧电力工程咨询有限责任公司，郑州 450007）摘要 本文提供一种基于ATP-EMTP 计算高压电缆在雷电过电压、工频过电压时的计算方法和模型，并提出相应的限制措施，同时为相关设备的选型提供依据。

关键词：ATP-EMTP ；过电压计算及限制措施；金属外护套；电缆护套电压保护器（电压限制器）Induction voltage analysis and calculation of sheath and selection of relevant protective equipment based on ATP-EMTP cable overvoltageHui Shengda 1 Zhang Junqiang 2(1. China Power Construction Group He ’nan Electric Power Survey & Design Institute Co., Ltd,Zhengzhou 450007;2. He ’nan Zhonghui Power Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou 450007)Abstract This paper provides a calculation method and model for calculating over-voltage and power frequency over-voltage of high-voltage cable based on ATP-EMTP, and puts forward corresponding restrictive measures, at the same time, it provides a basis for the selection of related equipment.Keywords ：ATP-EMTP; overvoltage calculation and restriction measures; metal outer sheath; cable sheath voltage protector目前在我国单芯结构的电缆多被用于110kV 及以上的高压电缆。

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。

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=。

影响电缆金属护套环流大小因素分析及环流计算作者：刘荣华来源：《华中电力》2014年第01期摘要：本文就影响电缆金属护套环流大小的因素及环流计算进行了分析，详细介绍电缆金属护层环流产生的原因、金属护套的接地方式及影响环流大小的各种因素，提出了一些减少环流的方法。

关键词：护套环流；电缆金属；影响因素；环流计算1电缆护层接地原因当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链金属屏蔽层，产生感应电压，感应电压的大小与电缆长度和流过电缆的电流成正比。

当电缆很长时，感应电压叠加可达到危及人身安全的程度；当线路遭遇操作过电压时（或雷击时），护套上将形成很高的感应电压，甚至可将金属护套绝缘击穿。

此时，如果将金属屏蔽层两端三相互联接地，必然会在波纹铝护套产生感应电流，其值可达电缆导体负荷电流值的50%～95%，形成损耗，同时增高电缆运行温度，直接影响电缆线路的输送容量和电缆的老化程度。

因此，对于单芯电缆线路的接地，不能简单地将电缆波纹铝护套两端直接接地，其接地方式，必须使电缆线路在正常负荷电流运行下，波纹铝护套上没有感应电流通过。

2影响电缆金属护套环流大小因素分析2.1金属护套的接地方式2.1.1护层单端接地为减少金属护套内的环流，最简单的方法就是将电缆护层单端接地。

在系统发生短路时，短路电流流经线芯，不接地端会出现较高的工频感应电压，在电缆外护层不能承受这种过电压而损坏时，将出现多点接地，形成环流。

因此，在采用一端互联接地时，必须采用措施限制护层上的过电压。

根据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007的要求，单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时，金属护套的感应电压不应超过50V、100V（未采取不能任意接触金属护套的安全措施时，不大于50V；如果采取了有效措施，不大于100V），并应对地绝缘。

因此，对于不长（一般小于500m）的电缆线路，可采取将电缆护层一端接地，另一端经保护器接地的接地方式。

2.1.2护层中点直接接地，两端经护层保护接地由于电缆工作电流较大，或电缆长度较长，电缆护层单端接地感应电压超过100V时，护层单端接地方式已不适用，可结合电缆分段，采用电缆护层中点接地，两端经护层保护接地的方式。

110 kV电缆单端接地护层感应电压的计算与仿真胡振兴;肖静;丁唯;王旭;罗晓康;彭勇【摘要】高压单芯电缆运行电流会在电缆金属护层上产生感应电压.当电缆线路发生短路时,高幅度的短路电流在金属护层上产生感应电压可能威胁电缆外绝缘.因此,对110 kV电缆发生单相接故障时故障相和非故障相护层上的感应电压进行计算和仿真.当电缆发生单相接地故障时,电缆护层上的感应电压幅值超过10 kV.随着电缆长度的增长,感应电压幅度逐渐增大,但是故障相护层感应电压幅值相对非故障相增长得多.加回流线后,电缆护层上的感应电压幅值明显降低,减小幅度超过30％.对单相接地故障后的电缆金属护层的感应电压进行ATP-EMTP仿真计算,结果表明,当接地电流全部以大地为回路和接地电流一部分以大地为回路另一部分以护套或回流线为回路时,两种情况下A、B、C三相护层感应电压仿真与计算结果误差均在4％之内,验证了仿真模型的准确性.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2019(036)001【总页数】5页(P233-237)【关键词】110kV电缆;护层感应电压;单相接地;ATP-EMTP【作者】胡振兴;肖静;丁唯;王旭;罗晓康;彭勇【作者单位】中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川成都 610021;中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川成都 610021;中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川成都 610021;武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430072;中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川成都 610021;中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川成都 610021【正文语种】中文0 引言随着城市建设规模和标准的不断提高，城市枢纽变电站的进出线电缆化程度越来越高，高电压等级的电力电缆被大量采用。

110 kV电力电缆常用单芯电缆，但单芯电缆在使用中若发生短路，将在电缆护层上产生感应过电压，威胁电缆的外绝缘[1-3]。