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高壓電纜為什要接地以及如何接地？
一、高壓電纜為什麼要接地？
1. 高壓三芯電纜接地：35kV及以下電壓等級的電纜都採用兩端接地方式，這是因為這些電纜大多數是三芯電纜，在正常運行中，流過三個線芯的電流總和為零，在鋁包或金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應電壓，所以兩端接地後不會有感應電流流過鋁包或金屬屏蔽層。
2.高壓單芯電纜接地：電纜在帶負荷運行時，在屏蔽層會形成感應電壓，如果兩端的屏蔽同時接地，在屏蔽層與大地之間形成迴路，會產生感應電流，這樣電纜屏蔽層會發熱，損耗大量的電能 ，影響線路的正常運行，當電纜線路發生短路故障、遭受雷電衝擊或操作過電壓時，屏蔽上會形成很高的感應電壓。將會危及人身安全，甚至可能擊穿電纜外護套。為了避免這種現象的發生，通常採用一端接地的方式，當線路很長時還可以採用中點接地和交叉互聯等方式。
註：高壓單芯電纜在製作電纜頭時必須將鋼鎧和銅屏蔽層分開焊接接地，這樣做的目的是為了便於檢測電纜內護層的好壞，在檢測電纜護層時，鋼鎧與銅屏蔽間通上電壓，如果能承受一定的電壓就證明內護層是完好無損。如果無需檢測電纜內護層，可以將鋼鎧與銅屏蔽層連在一起接地（建議分開引出後接地）。
二、單芯電纜接地的幾種方式
1.兩端直接接地：這種接地方式可以減少工作量，但是在金屬外護上存在環流，適用的條件比較苛刻，要求電纜線路較短，傳輸功率很小，傳輸功率有很多裕度等，在此情況下，不需要裝設電纜護層保護器，可減少運行維護工作量，但在金屬護層上存在環流,所以不建議採用此方法。
2.金屬屏蔽層一端直接接地，另一端通過護層保護器接地：電纜線路較短時（500m以內），金屬護套一般採用護層一端直接接地，另一端通過護層保護接地方式， 對地絕緣沒有構成迴路，可以減少及消除環流，有利於提高電纜的傳輸容量和電纜的安全運行，根據規範要求，非直接接地的一段金屬護套上的感應電壓不得超過50v，如果與架空線路連接時，直接接地一般裝設在架空線路端，保護器裝設在另一端。
3.交叉互聯接地：當電纜線路很長時(一般超過1Km)，電纜金屬護層可以採用交叉互聯方式安裝。交叉互聯是將電纜線路分成 3 個等長小段(偏差不超過 5%)，在每小段之間安裝絕緣接頭，金屬護層在絕緣接頭處用同軸電纜引出並經互聯箱進行交叉互聯後，通過電纜護層保護器接地，電纜兩個終端的金屬護層直接接地，這樣形成 1 個互聯段位。如果電纜線路更長時，可以通過若干個互聯段位連接形成 1 個多段互聯。
通過交叉互聯接地後兩個接地點之間的電位差是零，這樣在護層上就不可能產生環流，這時線路是最高的護層電壓，即是按每一小段長度而定的感應電壓，可以限制在50V以內。採用交叉互聯方式可以減少金屬護層感應電壓及環流，有利於提高電纜傳輸容量。再電纜設計時首先應進行電纜金屬護層感應電壓計算，根據電纜長度合理選擇金屬護層連接和接地方式。
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基于接地电流高压电缆交叉互联故障分析
| [导读] 摘要：基于接地电流法对高压电缆交叉互联故障进行分析，区别于当前其它方式的故障检测方法，它不需要对电缆原有的接线结构进行任何的改动，利用高压电流传感器可以对高压电缆的接地电流进行长期的数据采集且不会对系统安全运行产生影响。 |
（江苏省无锡市江阴兴澄特种钢铁有限公司 江苏无锡 214434）
摘要：基于接地电流法对高压电缆交叉互联故障进行分析，区别于当前其它方式的故障检测方法，它不需要对电缆原有的接线结构进行任何的改动，利用高压电流传感器可以对高压电缆的接地电流进行长期的数据采集且不会对系统安全运行产生影响。在实际的测量中十分方便、准确。文中以单回路高压供电电缆为例，对交叉互联故障的原因和故障后接地电流的变化进行了研究，总结出不同故障下接地电流的特点，为高压电缆的故障判断提供依据。
关键词：高压电缆；交叉互联；接地电流；ATP-EMTP仿真
一、接地电流产生的机理
当高压电缆线路很长时，通常就会采用金属护套交叉互联，它将电缆线路人为的分成若干个大段（大于1000m），每一大段等分为三小段，每一小段之间装设绝缘接头，然后将这三小段电缆的金属护套在交叉互联箱内进行换位，在绝缘接头处装设一组接地保护器，同时将每一大段进行并联后接地。令三相电缆对称排列，在理想情况下，每小段金属护套产生的感应电流幅值相等，在相位上互差120°，三相基本平衡，这样就可以有效的中和掉大段金属护套上产生的感应电流。高压电缆实际铺设的过程中，尽量使三相电缆呈正三角形排列，但是在需要转弯地方和护套进行交叉互联换位时，都无法使电缆呈正三角排列，因此即使对护套进行了正确的交叉换位，也会有很小的接地电流的产生。由于接地电流很小，不会造成护套发热，破坏绝缘，因此不会对高压电缆的安全运行产生影响。电力电缆交叉互联结构如图1所示。
将高压电缆的交叉互联结构图进行简化，用电路图表示如图2所示。
图中Ua1、Ub1、Uc1分别为第一小段A、B、C三相金属护套上产生的感应电压，Ua2、Ub2、Uc2分别为第二小段金属护套上产生的感应电压，Ua3、Ub3、Uc3分别为第三小段金属护套上产生的感应电压，Z1、Z2、Z3分别为三小段金属护套的阻抗，I为负荷电流，Im为护套的接地电流，Xs为金属护套的感抗。
ρ为电力电缆金属护套所用金属的电阻率；A为金属护套的横截面积；α为金属护套的温度系数；θ为护套工作温度；η为金属护套温度相对于导体温度的比率，一般可取（0．7～0．8）；I为电力电缆的线芯电流，单位为A；S为电缆中心间的距离，单位为m；rs为护套平均半径，单位m；f为工频，单位为Hz。通过一系列的运算就可求得电缆护套的接地电流Im的值。
二、故障分析
由于高压电缆铺设的环境十分复杂，造成产生护套交叉互联故障的原因是多样的。
2.1两交叉互联箱接线方式不一致一个大段电缆内的三小段金属护套在进行交叉换位时，由于两个交叉互联箱的换位方式不一致，使被换位的三小段金属护套中有两端甚至是三段护套上产生的感应电流方向一致，每一小段的感应电流无法相互中和，导致换位失败产生较大的接地电流。
2.2电缆接头的绝缘隔板被击穿
当电缆接头的绝缘隔板由于雷击或者过电压被击穿时，就会造成护套两端直接连接，本应三段进行的交叉互联变成了两段的交叉互联，失去了换位的作用，造成接地电流增大。
2.3护层保护器被击穿
单芯电缆护层保护器是防止单芯电缆外护层在冲击过电压作用下损坏的一种金属氧化物避雷器，保护器在正常情况下是绝缘的。但当电缆受到强雷击过电压时就可能造成护套保护器被击穿，一旦护套保护器被击穿就相当于护套直接接地，交叉互联的三小段就出现一段感应电流丢失的情况，致使交叉互联失败。
2.4交叉互联箱进水
由于交叉互联箱所处的环境非常复杂，所以在雨季交叉互联箱进水的情况时有发生，在一些地势较低的地方甚至出现交叉互联箱被水完全淹没的情况，一旦出现交叉互联箱被水完全淹没，就相当于电缆的金属护套两端完全接地，会产生相当大的接地电流。
2.5未知的外力破坏情况
护套交叉互联箱，通常设置在地面以上，时常会受到一些未知外力破坏，一旦交叉互联箱受到破坏，整个系统的交叉互联结构将会受到严重的威胁。从产生故障原因中可以得出电缆的交叉互联故障可以分为交叉互联接线错误故障、单相接地故障、两相接地故障和三相接地故障。根据接地电流产生的机理对上述几种交叉互联故障进行理论分析，可以得出在发生上述故障时，接地电流理论上的变化趋势，如表1所示。
表1理论上接地电流变化趋势
三、模型的建立与仿真分析
本模型选用的电缆是在实际应用中十分普遍的64/110kVYJLW03－Z型单芯电缆进行仿真的，该型号电缆线芯的横截面积是1000mm2，线芯近似外径为40.4mm，绝缘厚度为16mm，电缆的近似外径为101.3mm，电缆的总长为1200m，平均分为三小段，每一小段的线长为400m，电缆模型是选用ATP－EMPT仿真软件LCC中的Bergeron模型进行建立的。
Bergeron模型是目前国际上普遍采用的电缆仿真模型，它采用分布参数进行建模，利用特征线方法来计算波在线路的过程，利用梯形积分的方法来计算线路中的暂态过程，将分布参数的线路网络等值为电阻性暂态计算网络。而J－Marti模型虽也可用于电缆的仿真，但该模型在进行数值计算时存在不收敛的问题，因此采用Bergeron模型进行建模。
分别对1、2号交叉互联箱内可能发生故障时进行仿真，观察接地电流的变化情况。按照图1进行搭建电缆正常运行时的交叉互联的模型如图3所示。
对已建立的模型进行仿真，设置仿真总时长T=0.1s，仿真的步长Δt=10－6s，护套两端的接地电阻设为0.1Ω，其中LCC模块代表电缆的各种参数。运
行仿真软件得到系统正常运行时护套接地电流的仿真图，如图4所示。
从系统正常运行时的仿真图中可以看出，当系统的交叉互联没有受到破坏时，各个小段内产生的感应电流相互中和，护套中的接地电流很小，不会对整个系统的安全运行造成影响。设置故障发生的时间为0．04s，当系统1号交叉互联箱发生单相交联失败，系统接地电流的仿真结果，如图5所示，当1号交叉互联箱发生单相接地时，其它两相的交叉互联并没有受到破坏，因此其护套的接地电流在相位上并没有发生变化，只是幅值有稍微的增大，并不明显。但接地相护套的接地电流在幅值和相位上都发生了明显的变化。当系统1号箱发生两相交联失败时，系统的接地电流仿真结果，如图6所示。
当1号交叉互联箱发生两相接地故障时，从仿真图中可以看出，在0．04s发生故障时，发生接地故障的两相护套的接地电流变化非常明显，接地电流由正常运行时的最大3A左右增大到最大为18A左右，并且相位与正常运行时相比也发生了明显的变化，两接地相护套的接地电流在相位上相差了180°，而没有发生接地故障的相受到的影响并不大，护套的接地电流并无明显的变化。当1号箱发生三项交叉互联失败的时，系统护套接地电流的仿真结果，如图7所示。
由仿真图可以看出，当1号交叉互联箱在0．04s发生三相接地故障时，三相护套的交叉互联同时被破坏，三相护套的接地电流迅速增大，电流幅值的变化大于两相护套接地故障时电流幅值的变化。
由图6～图8对比可以看出，在发生三相护套接地故障时，三相护套的接地电流均发生了明显变化，与图6和图7中均存在电流变化很小的相不同。这是因为在发生三相护套接地故障时，系统中不存在完整的交叉互联结构。
通过对比各种故障时接地电流的变化情况，可以很容易的判断系统的交叉互联发生了什么类型的故障。当系统发生交叉接线错误时，系统护套接地电流的仿真结果，如图8所示。
当系统发生交叉互联接线错误的时候，它不同于护套的接地故障。在护套发生接地故障的时，某一小段护套的感应电流会因为接地，不会被叠加到最终要被检测的接地电流上。但当发生护套交叉互联接线错误时候，三小段护套产生的感应电流无法中和，每段护套产生的感应电流都会被叠加到被检测的接地电流上，因此护套的接地电流幅值比发生接地故障时幅值变化更为明显，电流幅值变化超过了三相接地故障时接地电流的变化。
交叉互联接线错误通常发生在新电缆安装时或老旧电缆改造时。对刚投入的电缆进行护套接地电流的检测，如果发现三相护套的接地电流都非常的大，就很有可能发生了护套交叉互联的接线错误。
从上述仿真结果可以看出，接地电流的变化趋势与理论分析得出的结论一致。对发生各种交叉互联故障时接地电流的特点进行分析，找出发生不同故障时，接地电流最为明显的特点，如表2所示。
四、结束语
由接地电流的计算公式可以得出，高压电缆护套接地电流的大小是受到线芯负荷电流大小影响的，故本文并没有对电缆护套交叉互联发生各种故障时的接地电流进行定量分析，而是利用ATP－EMPT仿真软件对各种故障进行仿真，通过观察各种故障发生时接地电流的不同变化趋势判断系统交叉互联发生故障的类型。为高压电缆故障的在线监测、新电缆的架设后的验收以及老旧电缆的改造提供技术依据。
参考文献：
[1]高压电缆中间头的连接方法及技巧[J].马同新.通讯世界.2017（04）
[2]110kV高压电缆常见故障及处理探讨[J].禹江.通讯世界.2017（06）
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[4]高压电缆的安装及其制作工艺探讨[J].廖建荣.江西建材.2015（14）
[5]基于ATP的高压电缆金属护套多点接地故障仿真[J].陈根，唐焱，王新桥.高压电器.2014（04）
https://kknews.cc/zh-tw/news/22g453g.html
高壓單芯電纜護層過電壓保護原理、接地及保護方式
一、護層保護原理
1、三芯電纜
通常都採用兩端金屬護層直接接地方式 (35kV以下)。因為在正常運行中，流過三個線芯的電流向量總和為零，在鋁包或金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，這樣，在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應電壓，所以兩端接地後不會有感應電流流過鋁包或金屬屏蔽層 。
2、單芯電纜
按照經濟合理的原則採用不同的接地方式(110kV及以上，部分35kV也採用單芯電纜)。因為單芯電纜的線芯與金屬護層的關係，可看作一個單匝變壓器。當單芯電纜線芯通過電流時，就會有磁力線交鏈鋁包或金屬屏蔽層，使它的兩端出現感應電壓。感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流成正比，電纜很長時，護套上的感應電壓疊加起來可達到危及人身安全的程度
感應電壓的大小還與電纜排列方式、距離以及屏蔽層的平均直徑有關
以對稱敷設(正三角形敷設) 時, 電纜金屬護套的感應電動勢最小且相等
平行敷設時, 兩邊電纜護套上產生的感應電動勢最大，中間相最小。
與單芯電纜護層感應電壓有關的因素為：
a、電纜線路的長度
b、線芯電流（負荷）
c、電纜的排列方式
d、電纜的中心距離
e、外屏蔽的平均直徑
單芯電纜護層感應電壓的計算：
也可以通過查護層感應電壓曲線得到相應的護層電壓值
根據GB50217-2007《電力工程電纜設計規程》的要求：
單芯電纜線路的金屬護層上任一點的感應電壓不得大於300V
(未採取不能任意接觸金屬護層的安全措施時，不得大於50 V）
金屬護層必須接地，如果兩端都直接接地 ——
金屬護層將會出現很大的環流，其值可達線芯電流的50%--95%，使金屬護層發熱，這不僅浪費了大量電能，而且降低了電纜的載流量，並加速了電纜絕緣老化，因此單芯電纜不應兩端接地。(僅在個別情況使用，護層<10V或者電纜很短，功率很小的情況下)。
屬護套一端接地 ——
當雷擊或操作過電壓波沿線芯流動時，金屬護層不接地端會出現很高的衝擊電壓；在系統發生短路時，短路電流流經線芯時，護層不接地端也會出現較高的工頻感應電壓。過電壓可能會導致出現多點接地，形成環流 。需特殊接地方式+保護器。
二、護層接地及保護方式
1、接地方式
按照經濟合理的原則採用不同的接地方式(110kV及以上)：
一端直接接地，另一端通過保護器接地----可採用方式
中點直接接地，兩端屏蔽通過護層保護接地---常用方式
中點通過護層保護接地，兩端直接接地---可採用方式
護層交叉互聯----常用方式
2、一端直接接地，另一端通過保護器接地
電纜長度一般小於500m；
合理選擇接地保護箱和保護元件；
加回流線時，回流線需換位、兩端需接地。
回流線的作用
高壓單芯電纜線路的金屬護套只在一處互聯接地時，在沿線路一段距離內平行敷設一根阻抗較低的絕緣導線並兩端接地，該接地的絕緣導線稱為回流線。
回流線又稱屏蔽導體，回流線的磁屏蔽作用可使鄰近通信信號電纜的導體上由於電力電纜短路引起的感應電壓明顯下降，據計算其值為不安裝回流線時的27%。回流線的分流作用是當電纜線路發生短路接地故障時一部分短路電流將通過回流線流回系統的中性點。
回流線截面選擇及安裝
回流線選用150－400mm2銅芯塑料絕緣線。回流線應敷設在邊相和中相之間，並在線路中點換位，如下圖所示。
3、中點直接接地，兩端通過護層保護接地
可看作一端接地線路長度的兩倍； 護套中間接地，兩端各加一組保護器。
注意檢查金屬護套至少有一點直接接地。
4、中點通過護層保護接地，兩端直接接地
電纜線路為兩盤電纜；
護套斷開，中間裝設絕緣頭；
絕緣頭兩側各加一組保護器；
電纜線路兩端分別接地。
5、護層交叉互聯
交叉互聯是將每大段電纜分為長度相等的三小段，每段之間裝絕緣接頭，接頭處護層三相之間用同軸電纜引線經交叉互聯箱及保護器進行換位連接。
通過兩個交叉互聯箱,兩次互換,實現感應電壓疊加後向量為零,起到限制感應電壓的作用。
護層交叉互聯的目的：
使各大段電纜上的感應電壓幅值相等，相位相差120度；
總感應電壓的向量和為零；
不可能產生環形電流；
感應電壓最高值小於50V。
護層交叉互聯的作用：
通過交叉互聯箱換位 —— 限制護層感應電壓小於50V；
兩端直接接地 —— 環流很小；
不受電纜線路長度限制 —— 可裝多個絕緣接頭滿足要求；
裝設護層保護器 —— 有效限制雷電及操作過電壓。
三、護層保護器選擇及應用
護層保護器一般安裝在電纜線路交叉互聯箱體內和接地保護箱內
1、護層保護器的作用
1）限制電纜線路金屬護層中的工頻感應電壓
——在電纜線路正常工作狀態時，高壓電纜護 層保護器呈現高電阻狀態，截斷電纜金屬護層中的工頻感應電流迴路 。
2）迅速減小電纜線路金屬護層中的工頻和衝擊過電壓
——當電纜線路出現接地故障、雷電過電壓或內部過電壓導致金屬護層中出現很高過電壓時，護層保護器呈現出低電阻導通狀態，使得故障電流經保護器迅速瀉入大地
2、護層保護器的選擇
1）可能最大衝擊電流作用下的殘壓, 不得大於電纜護層衝擊耐壓電壓被1. 4 所除數值(計入絕緣配合係數) 。
2）可能最大工頻過電壓在5s 作用下, 應能耐受, 不擊穿或損壞。
3）可能最大衝擊電流累積作用20 次後, 保護器不得損壞。
3、護層保護器的性能
常用殘工比K 來表示護層保護器的保護性能：
保護器的殘工比K 愈小, 則保護性能愈好。
4、護層保護器的定期檢驗和維護
定期測量電纜護層保護器在1mA時的直流參考電壓和0.75倍參考電壓時的泄漏電流，特別是在系統故障之後測試。
可通過電纜護層過電壓保護器特性參數測試儀進行測試。
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