變電站聯(lián)絡(luò)電纜接地電流缺陷分析

李 雯，莊朋成，陳云飛，趙晨昊，常雨晴

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司，天津 300171；2.國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250）

0 引言

作為城市供電動脈，電力電纜線路以其占用空間小、線路穩(wěn)定、美化市容等優(yōu)勢逐漸取代了架空線路，成為城市供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備［1-2］。電纜線路的運行情況直接決定了城市供電的安全穩(wěn)定性。電力電纜在運行過程會因為絕緣損害等問題使線路處于異常運行狀態(tài)，一方面導(dǎo)致線路輸送能力大幅下降，甚至造成人員傷亡事故。另一方面，由于電纜隱秘敷設(shè)的特點，其故障后的修復(fù)處理難度較大［3］。

電力電纜線路的狀態(tài)直接影響城市供電的可靠性和人民生產(chǎn)生活的安全性，故檢測其可能存在的缺陷及故障隱患，可在一定程度上避免電纜發(fā)生事故，在提高電能利用率的同時延長線路使用壽命。帶電檢測是發(fā)現(xiàn)運行電纜隱患和缺陷的重要檢測手段，對于電纜的正常運行具有重要意義。作為電纜帶電檢測的重要項目之一，接地電流檢測技術(shù)可對電纜線路的異常情況進行檢測分析［4］。文獻［5］采用帶電檢測方式發(fā)現(xiàn)了終端塔處的接地電流異常情況，通過及時處理缺陷有效地保障了電網(wǎng)可靠運行。文獻［6］提出了評判交叉互聯(lián)箱內(nèi)典型故障的診斷參數(shù)。文獻［7-8］則是通過接地電流檢測發(fā)現(xiàn)了接地箱交叉互聯(lián)系統(tǒng)接地方式連接錯誤的現(xiàn)象。上述文獻均為接地電流檢測在終端塔交叉互聯(lián)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的異常和缺陷，本文以一起發(fā)現(xiàn)于變電站聯(lián)絡(luò)電纜接地電流異常為例，驗證接地電流的有效性。

以單芯電纜為例，首先詳細(xì)闡述電力電纜線路的基本結(jié)構(gòu)以及接地電流問題，同時以運行中的變電站聯(lián)絡(luò)電纜接地電流異常現(xiàn)象的案例進行分析，分析接地電流檢測技術(shù)的檢測過程及結(jié)果的判定，為電力電纜運行中的類似問題處理提供參考。

1 電纜接地系統(tǒng)概述

電力電纜主要由導(dǎo)體、絕緣層、護層等部分組成［9］。單芯電纜導(dǎo)體和金屬護套之間可以看作變壓器的一次繞組與二次繞組。當(dāng)單芯電纜導(dǎo)體線芯中通過交變電流時，會產(chǎn)生變化的磁場與金屬護套交鏈，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢［10］。電纜護層接地線上的電流主要由感應(yīng)電流、電容電流、泄漏電流3 部分組成。金屬護層上的感應(yīng)電動勢作用在接地線的阻抗、接地點間的導(dǎo)通阻抗、護層的阻抗上形成感應(yīng)電流，其大小與感應(yīng)電動勢大小成正比，與導(dǎo)通回路的總阻抗大小成反比，當(dāng)單芯電纜護層接地方式為一端單點接地時，感應(yīng)電流等于零［11］。工作電壓作用在導(dǎo)體與金屬護層間的絕緣層上構(gòu)成電容結(jié)構(gòu)，形成電容電流，其大小與單芯電纜的工作電壓、截面積、長度等因素有關(guān)。工作電壓作用在電纜主絕緣層的絕緣電阻上形成泄漏電流，絕緣電阻正常時，電纜運行泄漏電流數(shù)值極小，可以忽略不計。

為了限制電纜金屬護層上的感應(yīng)電勢，高壓電纜通常采用護套或屏蔽層單端接地、交叉互聯(lián)等接地方式［12］。在電纜長度較長時，護套上的感應(yīng)電壓可危害人身安全，此時若采用兩端接地的方式，金屬護套上會產(chǎn)生與負(fù)荷電流相當(dāng)?shù)慕拥仉娏?，?dǎo)致電纜發(fā)熱，影響電纜的載流量。該情況下若采用單端接地的接地方式，在運行中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會對保護器產(chǎn)生沖擊，影響電纜運行的安全性。在實際運行中，通常在1 km 以上的電力電纜線路上采用交叉互聯(lián)的接地方式進行接地。該方法先把電纜線路分成若干大段，再將每一大段分成3 段長度相等的小段，在小段之間安裝絕緣中間接頭，在絕緣中間接頭處三相電纜護套之間用同軸電纜經(jīng)交叉互聯(lián)箱進行換位連接，并通過保護器與接地極連接，每大段的兩端護套接地線經(jīng)過直接接地箱互聯(lián)接地。該接地方式不僅使對稱排列的三相電纜護套電位向量和為零，在不對稱的水平排列三相電纜中，由于電纜每小段進行了換位，每大段全換位，三相電纜護套感應(yīng)電壓相差很小，相位差120°，其相量和很小，產(chǎn)生的環(huán)形電流也幾乎為零。交叉互聯(lián)示意如圖1 所示。

圖1 金屬護套交叉互聯(lián)系統(tǒng)示意

在長度較短、負(fù)荷電流不大的電纜線路上，為了消除金屬護套上的電流，單芯電纜金屬護套常采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護器接地的連接方式［13-14］。經(jīng)保護器接地可限制電纜護層過電壓，有效降低護層接地電流。該連接方式如圖2所示。

圖2 單芯電纜金屬護套一端接地示意

2 電纜接地電流檢測技術(shù)

對于單芯電纜，當(dāng)導(dǎo)體通過交流電流時，其與金屬護層交鏈的磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會對電纜或人身造成傷害，若接地方式不當(dāng)，感應(yīng)電壓會在金屬護套上形成較大電流，導(dǎo)致電纜發(fā)熱嚴(yán)重［15］，加速電纜的絕緣老化，對電纜的運行產(chǎn)生較大的威脅，縮短電纜的使用壽命［16-17］。因此，在電纜運行發(fā)展的過程中，人們對單芯電纜在運行時的接地電流問題越發(fā)重視。電纜接地電流已成為電纜帶電檢測的重要項目之一。

通過鉗形電流表檢測，可在不停電的情況下得到接地線中接地電流。依據(jù)Q/GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術(shù)規(guī)范》，分析電纜線路的負(fù)荷及接地電流情況，可判斷電力電纜是否存在異常。電纜接地電流診斷依據(jù)如表1所示。

表1 電纜接地電流診斷依據(jù)

3 案例分析

3.1 異常情況簡述

對某220 kV變電站站內(nèi)110 kV聯(lián)絡(luò)電纜進行帶電檢測工作時發(fā)現(xiàn)的接地電流異常情況，說明對電纜接地電流檢測的必要性。該變電站110 kV聯(lián)絡(luò)電纜接地方式為一端直接接地，一端經(jīng)保護器接地。該段聯(lián)絡(luò)電纜長度為75 m，具體連接方式如圖3—圖5所示。

圖3 聯(lián)絡(luò)電纜變壓器側(cè)接地方式（直接接地）

圖4 聯(lián)絡(luò)電纜GIS側(cè)接地方式（經(jīng)保護器接地）

圖5 聯(lián)絡(luò)電纜GIS終端圖

3.2 帶電檢測過程和結(jié)果

采用鉗形電流表對電纜接地電流進行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該線路主變壓器側(cè)三相接地電流全部偏高。4號主變壓器B相電流絕對值達40.4 A，A、C兩相電流值分別為32.6 A、36.4 A，3 號主變壓器A、B、C 相電流值均超過了30 A，分別為34 A、33.7 A、36.5 A。4號、3 號主變壓器的負(fù)荷電流分別為70.3 A、50.3 A，具體檢測結(jié)果如表2所示。

表2 帶電測量電纜接地電流參數(shù)結(jié)果

變壓器側(cè)接地電流檢測數(shù)值已超過負(fù)荷電流的50%。后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)GIS 側(cè)終端有一接地編織帶，該金屬編織帶一端連接金屬尾管，另一端連接金屬法蘭盤。采用鉗形電流表對該編織帶進行檢測，發(fā)現(xiàn)該處流經(jīng)的接地電流與變壓器側(cè)接地電流相差無幾，這與經(jīng)保護器接地線處接地電流應(yīng)很小的情況不符。在接地編織帶處采用鉗形電流表檢測情況如圖6所示。

圖6 接地編織帶鉗形電流表檢測結(jié)果

3.3 接地電流結(jié)果檢測分析

如表2 檢測結(jié)果所示，站內(nèi)3 號主變壓器和4 號主變壓器的A、B、C三相接地電流與負(fù)荷電流比均超過50%。按照Q/GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術(shù)規(guī)范》中的診斷依據(jù)，判定負(fù)荷比超過50%的異常情況為缺陷，進行停電檢查工作。

在停電后，采用絕緣電阻表對該段電纜進行外護套絕緣電阻測量，測量示數(shù)如圖7所示為0.439 MΩ。該段電纜長度為0.075 km，依據(jù)Q/GDW 11316—2014《電力電纜線路試驗規(guī)程》（以下簡稱規(guī)程），電纜外護套絕緣電阻值須不低于0.5 MΩ·km，經(jīng)計算該電纜外護套絕緣電阻為0.439×0.075 MΩ·km，其值遠(yuǎn)小于電纜外護套絕緣電阻規(guī)程要求。

圖7 絕緣電阻表檢測結(jié)果

該接地編織帶直接接地造成該段聯(lián)絡(luò)電纜兩端接地，使得接地電流異常，該異常情況如圖8 所示。首先將聯(lián)絡(luò)電纜終端多余的接地編織帶拆除后，進行絕緣電阻測量，測量結(jié)果依然不滿足規(guī)程要求。后續(xù)將尾管部分封堵打開后，發(fā)現(xiàn)電纜尾管金屬部分與水泥封堵部分直接接觸，現(xiàn)場情況如圖9 所示，即110 kV 線路GIS 側(cè)除接地箱和接地編織帶外仍存在其他接地點，造成電纜兩端均直接接地。大地與直接接地的電纜金屬護層兩端共同形成通路，感應(yīng)電壓的作用使得閉合回路中接地電流增大，對電纜的運行造成威脅。

圖8 異常情況等效圖

圖9 聯(lián)絡(luò)電纜尾管部分封堵現(xiàn)場

將尾管接觸封堵部分全部剝離后，再次采用絕緣電阻表進行測量，測量結(jié)果如圖10 所示，絕緣電阻數(shù)值達33.16 GΩ，電纜絕緣電阻測量正常，滿足負(fù)荷運行要求。

圖10 絕緣電阻測量示意

后續(xù)將接地編織帶拆除且將聯(lián)絡(luò)電纜尾管部分采用絕緣材料包裹后將電纜送電運行，處理如圖11所示，經(jīng)檢測后接地電流減小，恢復(fù)正常。

圖11 聯(lián)絡(luò)電纜尾管處理

異常接地點會造成電纜接地電流異常，較大的接地電流可能會使電纜造成絕緣擊穿、起火，造成停電事故的發(fā)生。在此次檢測過程中，接地電流檢測及時發(fā)現(xiàn)變電站3號、4號主變壓器110 kV 聯(lián)絡(luò)電纜接地電流異常情況，避免了電纜事故的發(fā)生，確保了電纜的安全可靠運行。

4 結(jié)語

針對某220 kV變電站站內(nèi)聯(lián)絡(luò)電纜帶電檢測發(fā)現(xiàn)的異常情況進行了接地電流的檢測分析，經(jīng)實測驗證該起缺陷的主要原因是電纜終端設(shè)計工藝不合理，而且在電纜終端安裝過程中工藝不嚴(yán)謹(jǐn)。因此，在電纜終端安裝過程中，一方面須注意電纜的安裝工藝和施工注意事項；另一方面，在電纜終端安裝時，須對尾管進行絕緣包裹防止與地直接接觸發(fā)生接地形成接地電流較大的情況。

在電力電纜日常運行維護過程中，要及時進行帶電檢測，對可能存在的故障隱患進行全方位排查。在電纜施工過程中防止發(fā)生異常接地點現(xiàn)象，加強施工過程的監(jiān)督和把控。在今后的工作中，要多種帶電檢測技術(shù)相結(jié)合，及時有效地發(fā)現(xiàn)電纜是否存在隱患缺陷。