電力電纜接地系統(tǒng)缺陷引起環(huán)流異常的分析

于連坤，魏占朋，丁 彬，林國洲，陳云飛

（國網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司，天津 300000）

0 引言

在城市電網(wǎng)建設(shè)中，電力電纜線路相比架空線路有占用空間小、供電可靠性高、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。110 kV 及以上電壓等級的高壓電纜多采用單芯電纜結(jié)構(gòu)，在線路正常運(yùn)行時，線芯中通過的交變電流將產(chǎn)生交變磁場，進(jìn)而在電纜金屬護(hù)層上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。為了降低金屬護(hù)層感應(yīng)電壓，保護(hù)外護(hù)套絕緣，單芯電纜金屬護(hù)層需要選用適當(dāng)?shù)慕拥叵到y(tǒng)［1-2］。如果金屬護(hù)層接地方式發(fā)生錯誤，金屬護(hù)層中將產(chǎn)生較大環(huán)流損耗，引起電纜發(fā)熱，降低電纜載流量，長期運(yùn)行將加速電纜絕緣老化，縮減電纜使用壽命，甚至導(dǎo)致絕緣薄弱處擊穿。因此，保證電纜金屬護(hù)層接地系統(tǒng)的正確有效，對于控制環(huán)流大小、維護(hù)高壓電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)按照Q／GDW 1512—2014《電力電纜及通道運(yùn)維規(guī)程》和Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術(shù)規(guī)范》定期檢測接地環(huán)流［3-4］，分析環(huán)流異常原因并針對性地提出處理措施。

1 電纜線路情況

1.1 線路運(yùn)行情況

某220 kV 高壓電纜線路于2011 年9 月投入運(yùn)行，為純電纜線路，電纜型號YJLW03-127／220 kV-1×1 200 mm2，全長6.77 km，包括2 個GIS 終端和11個中間接頭，接地系統(tǒng)采用交叉互聯(lián)的換位方式，如圖1 所示。

該線路在2019 年1 月和4 月連續(xù)發(fā)生2 次擊穿故障，分別是在10—11 號接頭間的B 相電纜本體和9—10 號接頭間的A 相電纜本體。由于電纜本體連續(xù)故障非常少見，故障原因不明，研究決定將9 號接頭至G 變電站之間發(fā)生過故障的A 相電纜進(jìn)行更換，將替換下來的電纜返廠進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和解剖，以進(jìn)一步查找故障原因。

圖1 某220 kV 高壓電纜線路接地系統(tǒng)

1.2 電纜更換前接地環(huán)流情況

在停電更換電纜前，運(yùn)行人員對全線進(jìn)行了一次護(hù)層接地環(huán)流測量，當(dāng)時負(fù)荷電流為110.2 A。測量結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常，其中9 號箱至G 變電站環(huán)流數(shù)據(jù)如表1 所示?？梢钥吹剑? 號箱至G 變電站GIS 終端之間是一個完整的交叉互聯(lián)段，三相單芯電纜金屬護(hù)層經(jīng)同軸電纜、交叉互聯(lián)箱進(jìn)行交叉換位連接。在正確換位的情況下，交叉互聯(lián)方式可以將金屬護(hù)層環(huán)流限制在較低水平［5-8］。

1.3 電纜更換后接地環(huán)流情況

在完成A 相電纜更換和接頭制作，線路送電后，運(yùn)行人員再次對此線路進(jìn)行了接地環(huán)流測量，發(fā)現(xiàn)9 號箱至G 變電站之間數(shù)據(jù)異常，如表2 所示，當(dāng)時線路負(fù)荷電流為108.6 A。

從測量結(jié)果看，單相接地電流最大值與最小值之比為87 A／4.3 A=20.23，且接地電流與負(fù)荷電流比值為96.1 A／108.6 A=88.49%。按照Q／GDW 1512—2014《電力電纜及通道運(yùn)維規(guī)程》和Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，單相接地電流最大值與最小值的比值超過5，或接地電流與負(fù)荷比值超過50%時，判定為缺陷，應(yīng)停電檢查處理［3-4］。

表1 電纜更換前接地環(huán)流 A

表2 電纜更換后接地環(huán)流 A

2 缺陷原因分析

2.1 接地系統(tǒng)模型分析

為分析缺陷產(chǎn)生的原因，將9 號箱至G 變電站GIS 終端之間接地系統(tǒng)的正確交叉互聯(lián)接線模型如圖2 所示，并標(biāo)注環(huán)流檢測數(shù)據(jù)。

圖2 電纜交叉互聯(lián)正確接線方式模型

截取現(xiàn)場環(huán)流檢測結(jié)果明顯偏大的線段，如圖3 所示。

圖3 電纜金屬護(hù)層環(huán)流異常線段模型

由于線路送電前，外護(hù)套絕緣已測試合格，且10號和11 號接地箱內(nèi)交叉互聯(lián)接線方式統(tǒng)一，與更換電纜之前完全相同，所以A 相接頭處的接地線連接錯誤可能性最大。結(jié)合環(huán)流異常線段分布情況，初步判斷9—11 號接地箱的A 相接地同軸電纜的線芯、屏蔽方向接反，造成接地系統(tǒng)的實(shí)際接線方式如圖4 所示。

圖4 電纜金屬護(hù)層實(shí)際接線模型

從圖4 中可以看出，由于9 號和10 號箱之間A、C 兩相護(hù)層兩端短接，10 和11 號箱之間A、B 兩相護(hù)層兩端短接，分別并聯(lián)構(gòu)成了低阻回路，從而導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)流異常升高，最高達(dá)到96.1 A；而其他線段依次串聯(lián)，并與大地形成回路，雖然也出現(xiàn)接線錯誤，但回路電阻較大，環(huán)流只比正常接線情況下略微增大，最高8.3 A。

2.2 現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證

對上文分析進(jìn)行驗(yàn)證，在未對設(shè)備停電處理前，采用帶電選線儀在現(xiàn)場進(jìn)行帶電確認(rèn)。分別在10 號箱C 相連接銅排、11 號箱A 相連接銅排上通過耦合方式輸入信號，然后在9 號接地箱至G 變電站GIS終端之間的各段電纜本體上接收信號，如圖5 所示。

圖5 核相儀信號輸入

現(xiàn)場測試結(jié)果如圖6 所示。在10 號至11 號接地箱之間的電纜本體上無接收信號。證明9—11 號接地箱A 相同軸接地電纜接反的判斷是正確的。

圖6 現(xiàn)場測試結(jié)果

線路停電后，工作人員對9 號箱至G 變電站GIS 終端之間的整個交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)進(jìn)行了相位核對，確認(rèn)了A 相接地同軸電纜接反的推斷是完全正確的。

2.3 原因分析及故障處理

通過模型理論分析與現(xiàn)場驗(yàn)證，可以得出結(jié)論：本次220 kV 電纜線路接地環(huán)流異常是由A 相接頭的同軸電纜線芯、屏蔽接反造成的。

高壓電纜接頭內(nèi)部接線如圖7 所示，接地同軸纜的線芯、屏蔽要分別與接頭兩端的高壓電纜屏蔽相連，整條線路的所有接頭必須保持方向一致，如果某一相接反，則交叉互聯(lián)系統(tǒng)接線出錯，引起接地環(huán)流異常。

本次案例中，附件廠家人員在制作中間接頭過程中方向判斷錯誤，導(dǎo)致A 相接頭的接地同軸纜線芯、屏蔽接線方向與B、C 相不一致。而且本次施工只涉及A 相電纜的更換，所以施工人員在檢修完成之后雖然對A 相電纜進(jìn)行了絕緣電阻測試，卻沒有對整個接地系統(tǒng)的相位進(jìn)行核對，導(dǎo)致未能在送電前發(fā)現(xiàn)施工錯誤。

圖7 高壓電纜接頭內(nèi)部接線

最后對同軸電纜進(jìn)行重新接線處理，恢復(fù)了正確的交叉互聯(lián)連接方式，如圖7 所示。線路檢修完成送電后，再次測量接地環(huán)流，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖8 接地系統(tǒng)恢復(fù)效果

3 結(jié)語

高壓電纜金屬護(hù)層環(huán)流的大小能客觀反映出金屬護(hù)層接地系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，由于外護(hù)套破損、同軸電纜接線錯誤等原因?qū)е颅h(huán)流過大的情況時有發(fā)生，當(dāng)環(huán)流超過負(fù)荷電流80%時，應(yīng)重點(diǎn)考慮是否為接地系統(tǒng)接線錯誤導(dǎo)致。在本次案例中，通過建立接地系統(tǒng)模型，對護(hù)層環(huán)流數(shù)值進(jìn)行分析推導(dǎo)，找出缺陷產(chǎn)生的可能原因，并使用帶電核相儀進(jìn)行了帶電驗(yàn)證，可為下一步制定停電處理方案提供依據(jù)。

在附件安裝過程中，一定要明確同軸電纜線芯、屏蔽方向，做好相應(yīng)標(biāo)記，避免接反。線路投運(yùn)前，要按照交接試驗(yàn)規(guī)程對整個接地系統(tǒng)認(rèn)真進(jìn)行核對。一是要關(guān)注外護(hù)套絕緣電阻是否合格；二是要對接地系統(tǒng)尤其是交叉互聯(lián)系統(tǒng)的接線方式進(jìn)行逐段核對。線路檢修完成送電后，要及時進(jìn)行接地環(huán)流檢測，驗(yàn)證接地系統(tǒng)的有效性。