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[期刊杂志] 交流电缆涡流分析及应用
P:2019-04-01 08:32:55
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交流电缆在 运行时 ， 其交变 电场会产生 出交
变磁场。交变磁场作用 在金属上会产生感应 涡 流。对交流电缆来 说，这部分感应涡流主要会产 生在三芯电缆的铜屏蔽层、铠装层和单芯电缆 的
金属护套上。以下主要阐述 了产生感应涡流的原
理及分析其对交流电缆的影响。
1 涡流的产 生
1．1 金属 的磁 导率 对感应 磁场 的影 响
磁力线通过不同的磁介质 ， 会根据不 同的介 质的相对磁导 率 而 改变磁感应强度 的大小。
如果磁力线通过铁磁金属的话 ， 磁感应强度将提
高 5000倍 。
1．2 交变电场中的感应涡流 交流电流穿过环状金属时 ， 在环状金属 内部
产生感 应 涡流 。
封闭单位金属环上的电流大小和距离交变电
流的距离无关 。
整个 金属 圆柱上 的涡 流 J为 ：
J：(0 ／2n)(r 2～r 1) LKFr F o／R (1)
式 中 ： 为 非 封 闭 金 属 环 相 对 于 交 流 电 中心 所 占的 圆 心 角 ；r 为 金属 环 内径 ； r。为金 属 环 外 径； L为金属长度 ； K 为金属 内电流的变化率(常 数)； 为相对磁导率 ； 。为真空磁导率 ； R为导
体 的电阻 。
1．3 感应 金属 内涡流 及 感应 电动势 的方 向 1)金属 内侧 ： 涡流方 向与电缆 内电流方 向相
反 。
2)金属外侧 ： 涡流方 向与电缆 内电流方 向相
同 。
3)金属上的感应 电动势 和感应电流的方 向
一 致 。
1．4 参数对涡流大小的影响
当金属的电阻率一定时 ， 金属内涡流 的大小 与导体的长度 、 所 占圆心角大小和内、 外径之差及 导体的相对磁导率成正 比。而常数 K 代表单芯
电缆内电流的变化率，而我们 现在运行 电缆都是
交流 50 Hz的，因此 K 的大小只和运行电缆的电 流成正 比。
2 感应 涡流对 三芯 交流 电缆 的影响分析
2．1 运行 中三芯 交流 电缆 内的感 应涡流 运行中三芯交流电缆 内的感应涡流主要由于
三相电流的共 同作用，产生在铜屏蔽层及铠装层
上， 根据以上 的原理分析，三相电流共 同作用后 ，
总电流很小，因此感应层上的涡流也很小 ， 其对电
缆运行的影响可以忽略不计。
2． 2 利用感应 涡 流识别 电缆 时必须 注意 的问题 我们经常利用感应涡流的感应信号来识别电 缆 ， 但在实际运用时经常会发生待识别的 电缆 同 时有好几根都有感应信号 ， 从而给电缆识别工作 带来了困难。当在要识别 电缆的一端加上脉冲交
流信号后 ， 其铠装层上也会产生同方 向、同频率、
同周期的感应电动势。而一般情况下，电缆的铠
装层都连接在 电站内的接地网上。如果待识别电
缆 中恰好也有一根或几根 同样处于休止状态， 它 们的铠装层两端所连的接地网正好与要识别电缆
为相同的接地网， 那么在要识别电缆铠装层上的感
应电动势的作用下 ， 等待识别电缆的铠装层上会产 生与脉冲交流信号同频率、 同周期的电流。这就是
造成同时有几根电缆上都会有感应信号的原因。
从以上分析来看， 要解决这个问题，只要把需
变磁场。交变磁场作用 在金属上会产生感应 涡 流。对交流电缆来 说，这部分感应涡流主要会产 生在三芯电缆的铜屏蔽层、铠装层和单芯电缆 的
金属护套上。以下主要阐述 了产生感应涡流的原
理及分析其对交流电缆的影响。
1 涡流的产 生
1．1 金属 的磁 导率 对感应 磁场 的影 响
磁力线通过不同的磁介质 ， 会根据不 同的介 质的相对磁导 率 而 改变磁感应强度 的大小。
如果磁力线通过铁磁金属的话 ， 磁感应强度将提
高 5000倍 。
1．2 交变电场中的感应涡流 交流电流穿过环状金属时 ， 在环状金属 内部
产生感 应 涡流 。
封闭单位金属环上的电流大小和距离交变电
流的距离无关 。
整个 金属 圆柱上 的涡 流 J为 ：
J：(0 ／2n)(r 2～r 1) LKFr F o／R (1)
式 中 ： 为 非 封 闭 金 属 环 相 对 于 交 流 电 中心 所 占的 圆 心 角 ；r 为 金属 环 内径 ； r。为金 属 环 外 径； L为金属长度 ； K 为金属 内电流的变化率(常 数)； 为相对磁导率 ； 。为真空磁导率 ； R为导
体 的电阻 。
1．3 感应 金属 内涡流 及 感应 电动势 的方 向 1)金属 内侧 ： 涡流方 向与电缆 内电流方 向相
反 。
2)金属外侧 ： 涡流方 向与电缆 内电流方 向相
同 。
3)金属上的感应 电动势 和感应电流的方 向
一 致 。
1．4 参数对涡流大小的影响
当金属的电阻率一定时 ， 金属内涡流 的大小 与导体的长度 、 所 占圆心角大小和内、 外径之差及 导体的相对磁导率成正 比。而常数 K 代表单芯
电缆内电流的变化率，而我们 现在运行 电缆都是
交流 50 Hz的，因此 K 的大小只和运行电缆的电 流成正 比。
2 感应 涡流对 三芯 交流 电缆 的影响分析
2．1 运行 中三芯 交流 电缆 内的感 应涡流 运行中三芯交流电缆 内的感应涡流主要由于
三相电流的共 同作用，产生在铜屏蔽层及铠装层
上， 根据以上 的原理分析，三相电流共 同作用后 ，
总电流很小，因此感应层上的涡流也很小 ， 其对电
缆运行的影响可以忽略不计。
2． 2 利用感应 涡 流识别 电缆 时必须 注意 的问题 我们经常利用感应涡流的感应信号来识别电 缆 ， 但在实际运用时经常会发生待识别的 电缆 同 时有好几根都有感应信号 ， 从而给电缆识别工作 带来了困难。当在要识别 电缆的一端加上脉冲交
流信号后 ， 其铠装层上也会产生同方 向、同频率、
同周期的感应电动势。而一般情况下，电缆的铠
装层都连接在 电站内的接地网上。如果待识别电
缆 中恰好也有一根或几根 同样处于休止状态， 它 们的铠装层两端所连的接地网正好与要识别电缆
为相同的接地网， 那么在要识别电缆铠装层上的感
应电动势的作用下 ， 等待识别电缆的铠装层上会产 生与脉冲交流信号同频率、 同周期的电流。这就是
造成同时有几根电缆上都会有感应信号的原因。
从以上分析来看， 要解决这个问题，只要把需
要识别电缆铠装层一端 的接地拆除 ， 那么就切断 了待识别电缆铠装层之间的电流通路 ， 从而保证
了信号的唯一性 。
3 感应涡流对单芯交流 电缆的影响分析
3．1 降低金属护套上感应涡流的方法
现在的单芯 电缆一般都是 110 kV及以上 的 高压电缆 ， 根据涡流原理的分析 ， 参数 K(电流率
化率)、 L(线路长度)增 大后，感应涡流也会 随之 增大 。因此对大电流、长距离的单芯高压电缆要采 取特殊的手段来减小其金属护套上的感应涡流。
我们最常使用的方法就是令金属护套交叉换 位互联并通过阀片接地 ， 这样 不但能有效降低正
常运行中超高压电缆金属护套上 的感应电压，特
别是 当高压电缆发生接地故 障时， 通过 阀片放 电 能从金属护套上带走近 1／2的故障 电流，起到了
对电缆外护层及本体的保护作用。
3．2 单芯 高压 电缆 对其周 围金属 的影 响 单芯高压电缆除 了对金属护套 的影响，单芯
超高压电缆也会在其周 围金属上产生感应涡流 。
特别 是 当电缆 穿过 环状 金 属 时 ，必须 通 过 一些 措 施来降低涡流 。
根据 涡流 原理 的分 析 ， 金 属 涡 流 大 小 主要 由 下列 参数决 定 。
1)所 占的 圆心角 ：当 =2丌时 ，即金属 为环
绕电缆的环状金属 ， 产生的涡流将最大。
2)金属 长 度 L：随 着 金 属 长 度 的增 大 ，涡 流
也将等比例增大。
3)金属相对磁导率 ：当金属为铁磁性 时，
涡流将增大近 5 000倍 。
根据 以上分析 ，能得出以下结论 ：
1)尽量避免单芯超高压电缆穿过环状金属。
2)沿电缆方向避免有长距离金属 。
3)电缆周围避免使用铁磁性的金属。
在实际运用中， 有些措施完全符合以上分析。
如不允许单芯超高压 电缆穿过钢管；排管内大部
分使用红泥管；电缆 夹具一般使用铝合金或塑料 夹具 等 。
4 为降低 单芯交流电缆涡流的误 区分析
为降低单芯交流 电缆对周 围导体 的影响 。 而 采取的措施 中，尚存在着一些误 区。
出于对结构强度 的考虑，电缆支架一般都采
用铁质材料 ，当大电流电缆终端穿过环状支撑平
台时 ， 涡流的影响已不容忽视 。对此 ， 一般采用纵
向割断环状铁板，然后用铜等抗磁性材料焊接 ， 想 利用铜等抗磁性材料来切断“磁回路”。这其 中存
在认识上 的误 区， 即根本不存在什么“磁回路”， 具
体分析如下。
1)假设处理后．铁磁导体所 占圆心角大小为
0，， 而铜 金 属 占 ，并 且 。+0 一2丌， 整 个 金 属 环
内的涡流 j为 ：
j一( 1 ／2丁 c )(r 2一 r1)LK#， 铁 o ／R+ ( 2 ／2丁 c )
(r 2一r【) LK 铜 0／R
一(0 l 铁+ -02 锕)(r 2一r 1) I r K#o ／2丁 c R ( 2)
式(2)中符号含义同式(1)。
由于 > > ，总 的 涡流 大 小 没 有 太大 的变
化 。
2)我们进行 以下实验来进一步分析 ：
实验条件 ：选用 266 CI
AMP METER型钳
形电流表 ， 量程选 ACA 200。测量一单相 380 V
电缆 后 所得 的数据 见 表 1。
表 1 测量结果
3)实验数据 与式 (2)的分析一致 ， 进一步证
明了“切断 磁 回路 ”的认 识误 区 。由 此可 见 ， 单 芯
高压电缆严禁穿铁磁性钢管 ，即使采取割开铜焊
的方式也无法减小钢管内涡流的大小。
4)上 述 结 论 在 实 际 运 用 中也 被 印证 。很 多
工程中的做法受这个认识误区所影响， 有时甚至起
到了反作用。海底电缆的外护层必须使用钢丝铠
装 ， 为了减小钢丝铠装上的涡流， 一般采取方法是 使用三等分或五等分的方法镶嵌铜丝， 根据以上分
析可知 ： 钢丝铠装上的涡流不会有变化 ， 而铜丝上
的涡流可以忽略不计 ， 最终总感应涡流没有变化。
4 对 降低 电缆支 架感应 电流的探 讨
根据高斯定理 ， 磁感应强度 B的环流等于穿
过积分回路 的所有传导 电流强度代数和的 。(真 空磁导率)倍。有此可得 ，电缆支架的立柱如果都 是空心圆柱体 ， 对 于同一根穿过圆柱体导体的磁
力线有 B +B = ： =0， 那么穿过导体的所有传导电 流强度代数和为 0。
实验证明， 将并拢 的钳 型 电流 表垂 直置 于单芯
3 感应涡流对单芯交流 电缆的影响分析
3．1 降低金属护套上感应涡流的方法
现在的单芯 电缆一般都是 110 kV及以上 的 高压电缆 ， 根据涡流原理的分析 ， 参数 K(电流率
化率)、 L(线路长度)增 大后，感应涡流也会 随之 增大 。因此对大电流、长距离的单芯高压电缆要采 取特殊的手段来减小其金属护套上的感应涡流。
我们最常使用的方法就是令金属护套交叉换 位互联并通过阀片接地 ， 这样 不但能有效降低正
常运行中超高压电缆金属护套上 的感应电压，特
别是 当高压电缆发生接地故 障时， 通过 阀片放 电 能从金属护套上带走近 1／2的故障 电流，起到了
对电缆外护层及本体的保护作用。
3．2 单芯 高压 电缆 对其周 围金属 的影 响 单芯高压电缆除 了对金属护套 的影响，单芯
超高压电缆也会在其周 围金属上产生感应涡流 。
特别 是 当电缆 穿过 环状 金 属 时 ，必须 通 过 一些 措 施来降低涡流 。
根据 涡流 原理 的分 析 ， 金 属 涡 流 大 小 主要 由 下列 参数决 定 。
1)所 占的 圆心角 ：当 =2丌时 ，即金属 为环
绕电缆的环状金属 ， 产生的涡流将最大。
2)金属 长 度 L：随 着 金 属 长 度 的增 大 ，涡 流
也将等比例增大。
3)金属相对磁导率 ：当金属为铁磁性 时，
涡流将增大近 5 000倍 。
根据 以上分析 ，能得出以下结论 ：
1)尽量避免单芯超高压电缆穿过环状金属。
2)沿电缆方向避免有长距离金属 。
3)电缆周围避免使用铁磁性的金属。
在实际运用中， 有些措施完全符合以上分析。
如不允许单芯超高压 电缆穿过钢管；排管内大部
分使用红泥管；电缆 夹具一般使用铝合金或塑料 夹具 等 。
4 为降低 单芯交流电缆涡流的误 区分析
为降低单芯交流 电缆对周 围导体 的影响 。 而 采取的措施 中，尚存在着一些误 区。
出于对结构强度 的考虑，电缆支架一般都采
用铁质材料 ，当大电流电缆终端穿过环状支撑平
台时 ， 涡流的影响已不容忽视 。对此 ， 一般采用纵
向割断环状铁板，然后用铜等抗磁性材料焊接 ， 想 利用铜等抗磁性材料来切断“磁回路”。这其 中存
在认识上 的误 区， 即根本不存在什么“磁回路”， 具
体分析如下。
1)假设处理后．铁磁导体所 占圆心角大小为
0，， 而铜 金 属 占 ，并 且 。+0 一2丌， 整 个 金 属 环
内的涡流 j为 ：
j一( 1 ／2丁 c )(r 2一 r1)LK#， 铁 o ／R+ ( 2 ／2丁 c )
(r 2一r【) LK 铜 0／R
一(0 l 铁+ -02 锕)(r 2一r 1) I r K#o ／2丁 c R ( 2)
式(2)中符号含义同式(1)。
由于 > > ，总 的 涡流 大 小 没 有 太大 的变
化 。
2)我们进行 以下实验来进一步分析 ：
实验条件 ：选用 266 CI
AMP METER型钳
形电流表 ， 量程选 ACA 200。测量一单相 380 V
电缆 后 所得 的数据 见 表 1。
表 1 测量结果
3)实验数据 与式 (2)的分析一致 ， 进一步证
明了“切断 磁 回路 ”的认 识误 区 。由 此可 见 ， 单 芯
高压电缆严禁穿铁磁性钢管 ，即使采取割开铜焊
的方式也无法减小钢管内涡流的大小。
4)上 述 结 论 在 实 际 运 用 中也 被 印证 。很 多
工程中的做法受这个认识误区所影响， 有时甚至起
到了反作用。海底电缆的外护层必须使用钢丝铠
装 ， 为了减小钢丝铠装上的涡流， 一般采取方法是 使用三等分或五等分的方法镶嵌铜丝， 根据以上分
析可知 ： 钢丝铠装上的涡流不会有变化 ， 而铜丝上
的涡流可以忽略不计 ， 最终总感应涡流没有变化。
4 对 降低 电缆支 架感应 电流的探 讨
根据高斯定理 ， 磁感应强度 B的环流等于穿
过积分回路 的所有传导 电流强度代数和的 。(真 空磁导率)倍。有此可得 ，电缆支架的立柱如果都 是空心圆柱体 ， 对 于同一根穿过圆柱体导体的磁
力线有 B +B = ： =0， 那么穿过导体的所有传导电 流强度代数和为 0。
实验证明， 将并拢 的钳 型 电流 表垂 直置 于单芯
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