10 kV單芯電纜屏蔽層兩端接地引發(fā)電纜故障分析

何偉

（廣東省電力學(xué)校，廣州 510520）

10 kV單芯電纜屏蔽層兩端接地引發(fā)電纜故障分析

何偉

（廣東省電力學(xué)校，廣州 510520）

10 kV單芯電纜兩端接地感應(yīng)電壓與環(huán)流導(dǎo)致電纜故障問題，是配電電纜工作者多年困惑的問題。分析廣東陽春10 kV電纜故障，直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當(dāng)，根本原因是設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有具體對(duì)這些問題做出明確的指引和規(guī)定。

單芯電纜；環(huán)流；感應(yīng)電壓；兩端接地

1 故障經(jīng)過

2009年5月25日，廣東陽春110 kV東湖站10 kV東興乙線過流I段跳閘，經(jīng)檢測東湖站10 kV東興乙線電纜有故障，A、B相對(duì)地絕緣電阻為零。

找到故障點(diǎn)后，沒有發(fā)現(xiàn)被外力破壞的痕跡，排除中間接頭放電和外力破壞引起故障原因。該段電纜屬直埋敷設(shè)，東興甲線與東興乙線均采用單芯電纜，6條電纜水平排列，間距很小且沒有相間隔板。東興乙線A相燒損嚴(yán)重，線芯外露、B相燒損較嚴(yán)重，從挖開的電纜溝來看，電纜溝沙很黑很臭，上面還有兩條排污管，現(xiàn)場還看到排污管還有滴漏現(xiàn)象，且電纜溝沒有采取防滲措施，使電纜長期受到污水侵蝕（圖1、圖2）。

2 故障原因分析

東興乙線運(yùn)行才兩年多，而且最大運(yùn)行電流記錄為420 A，未超過安全載流量725 A的范圍。電纜型號(hào)YJV-1×400，單相長約3.55 km。

判斷故障原因有兩種情況，第一種原因是東興乙線其中一相電纜應(yīng)該存在一個(gè)“隱患點(diǎn)”，該點(diǎn)可能是制作過程中存在的一個(gè)氣泡或一個(gè)小孔，也有可能是運(yùn)輸、施工等過程中造成的一點(diǎn)損傷（由于電纜毀壞嚴(yán)重，已無法判斷），導(dǎo)致電纜絕緣層受潮，電纜絕緣性能降低，長期受污水滲入電纜里面導(dǎo)致電纜放電。隨著該點(diǎn)電纜放電時(shí)間增加，最后把最近的東興乙線另一相電纜也放電擊傷，導(dǎo)致相間短路接地 （東湖站故障錄波記錄短路電流達(dá)5 800 A），引起線路跳閘。

圖1 東興乙線事故現(xiàn)場照片

還有一個(gè)導(dǎo)致電纜絕緣性能降低重要原因，就是該電纜金屬屏蔽層采用兩端接地方式（圖3）。屏蔽層上長期存在較大的工頻感應(yīng)電壓，三相水平排列，使感應(yīng)電壓進(jìn)一步增大。出現(xiàn)較大環(huán)流，所產(chǎn)生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。在電纜絕緣的薄弱點(diǎn)出現(xiàn)放電，最終導(dǎo)致相間短路。

圖2 故障電纜線芯外露照片

圖3 電纜金屬屏蔽層兩端接地ED—終端

10 kV電纜金屬屏蔽層通常采用兩端接地方式。這是由于10 kV電纜多數(shù)是三芯電纜的緣故。三芯電纜帶平衡負(fù)荷時(shí)，三相電流向量和為零金屬屏蔽上的感應(yīng)電勢疊加為零，采用兩端接地時(shí)，沒有環(huán)流。

近年來，由于負(fù)荷密度增大，環(huán)網(wǎng)柜等小型設(shè)備的應(yīng)用，電纜開始采用較大截面單芯電纜。當(dāng)單芯電纜導(dǎo)線通過交流電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與金屬屏蔽層交鏈，使金屬屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓。單芯電纜每相之間存在一定的距離，感應(yīng)電勢不能抵消。如果10 kV單芯電纜金屬屏蔽層還是按照10 kV三芯電纜采用兩端直接接地的方式，金屬屏蔽層通過兩個(gè)接地點(diǎn)與大地構(gòu)成回路，產(chǎn)生較大的環(huán)流，所產(chǎn)生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。

下面針對(duì)三相水平排列與三相品字形排列這兩種常見排列方式具體分析10 kV東興乙線單芯電纜金屬屏蔽層上的感應(yīng)電壓情況。

2.1 三相水平排列感應(yīng)電壓計(jì)算

以YJV-1×400單芯電纜為例，電纜外徑41.2 mm，銅屏蔽外徑36.6 mm，，PVC護(hù)套厚度2.3 mm，電纜水平排列，間距很小，取10 mm。單相長約3.55 km，負(fù)荷電流取東興乙線最大運(yùn)行電流420 A。

根據(jù)文獻(xiàn)1提供的水平排列計(jì)算公式

S為電纜中心軸間距離；Ds為金屬屏蔽層外徑；I為電纜工作電流；L為電纜單相長度。

計(jì)算得邊相電纜金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為140.58 V，中相電纜金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為96.2 V。

2.2 三相品字形排列感應(yīng)電壓計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［1］提供的三相品字形排列計(jì)算公式

計(jì)算得電纜金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為96.2 V。

2.3 感應(yīng)電壓與環(huán)流危害電纜絕緣分析

根據(jù)GB 50217－2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，電纜線路的正常感應(yīng)電勢最大值不得大于300 V。否則，不得大于50 V。按采取安全措施考慮，上述計(jì)算的感應(yīng)電壓140.58 V和96.2 V都屬正常。但此規(guī)定只考慮了感應(yīng)電壓，并未考慮在此感應(yīng)電壓的作用下，金屬屏蔽層兩端接地所造成的環(huán)流的危害。

文獻(xiàn)［2］中的感應(yīng)電壓只有6.8V，遠(yuǎn)小于300V的規(guī)定值。但其環(huán)流實(shí)測值已經(jīng)接近負(fù)荷電流的10%，金屬屏蔽層接地線處溫度已達(dá)110℃，出現(xiàn)過熱冒煙事故。而且電纜長度、工作電流越大，感應(yīng)電壓就越大。東興乙線最大運(yùn)行電流已達(dá)420 A，大于文獻(xiàn)［2］中電纜的工作電流，其長度3.5 km也大于文獻(xiàn)［2］的50 m。其感應(yīng)電壓在敷設(shè)條件相近條件下也應(yīng)大于文獻(xiàn)［2］電纜的感應(yīng)電壓。因此，東興乙線金屬屏蔽層環(huán)流不容忽視，環(huán)流的因素，造成電纜絕緣性能降低。經(jīng)過兩年的運(yùn)行，再加上本身缺陷，最終出現(xiàn)事故。遺憾的是，由于開關(guān)柜“五防”設(shè)計(jì)原因，無法進(jìn)行實(shí)測環(huán)流數(shù)值。

3 改進(jìn)措施分析

東興乙線故障修復(fù)后，現(xiàn)在仍采用金屬屏蔽層兩端接地，金屬屏蔽層仍然有環(huán)流，對(duì)電纜絕緣來說，隱患仍然存在。為了降低電纜金屬屏蔽層感應(yīng)電壓，進(jìn)而降低環(huán)流對(duì)電纜絕緣的損害。應(yīng)采取以下措施：

1）電纜采用品字形排列；

2）采用金屬屏蔽層一端接地；3）采用金屬屏蔽層中點(diǎn)接地。

從理論上講，采用金屬屏蔽層交叉互聯(lián)接地也很好，但如果采用一端接地或中點(diǎn)接地可以符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求時(shí)，一般就可以不用考慮復(fù)雜的交叉互聯(lián)接地，畢竟，經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)重要的因素。

3.1 電纜采用品字形排列

前面計(jì)算可知，水平排列正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在邊相，為140.58 V；三相品字形排列正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓三相均為96.2 V。采用品字形排列有利于降低正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓和環(huán)流。

3.2 金屬屏蔽層一端接地

金屬屏蔽層采用一端接地時(shí)（圖4），如也采用三相品字形排列，正常運(yùn)行時(shí)另一端工頻感應(yīng)電壓三相均為96.2 V，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)小于300 V的要求。一端接地沒有構(gòu)成回路，可以消除環(huán)流，有利于提高電纜的傳輸容量不會(huì)造成電纜附加的熱損耗，有利于絕緣。

如果未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，96.2 V大于50 V，不符合要求，則不能采用一端接地方式。

為防止短路時(shí)另一端出現(xiàn)的工頻過電壓，以及防止另一端的沖擊過電壓。當(dāng)電纜外護(hù)層不能承受這種過電壓的作用而損壞時(shí)，就會(huì)造成金屬護(hù)層的多點(diǎn)接地，因此另一端必須通過保護(hù)器接地。

當(dāng)考慮減小接地短路的工頻感應(yīng)電壓值或減小對(duì)通信干擾等問題時(shí)，需同步敷設(shè)事故回流線。

3.3 金屬屏蔽層中點(diǎn)接地

三相品字形排列，一端接地，正常運(yùn)行時(shí)另一端工頻感應(yīng)電壓三相均為96.2 V，如果未采取安全措施，96.2 V大于50 V，不滿足要求，可采用中點(diǎn)接地（圖5），Nj為直通接頭。

圖4 電纜金屬屏蔽層一端接地

圖5 電纜金屬屏蔽層中點(diǎn)接地

這種接地方式相當(dāng)于兩個(gè)一端接地方式串聯(lián)。接地點(diǎn)兩端金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為96.2 V的一半，即48.1 V，滿足50 V的要求。

4 對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的建議

GB 50217－2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)GB20217-1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》做出了很多有針對(duì)性的修訂，該規(guī)范適用于新建、擴(kuò)建的電力工程中500 kV及以下電力電纜和控制電纜的選擇與敷設(shè)設(shè)計(jì)。電纜金屬屏蔽層接地方式中300 V與50 V的規(guī)定，用于配電電纜與輸電電纜時(shí)按規(guī)程規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)是一樣的。但實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，用此標(biāo)準(zhǔn)套用配電網(wǎng)絡(luò)10 kV單芯電纜兩端接地時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)感應(yīng)電壓較高、環(huán)流太大導(dǎo)致出現(xiàn)電纜故障。電力企業(yè)配電電纜與輸電電纜也是分開設(shè)計(jì)的。配電電纜設(shè)計(jì)時(shí)，按規(guī)程設(shè)計(jì)10 kV單芯電纜兩端接地是感應(yīng)電壓是滿足要求的，但實(shí)際工作中又老是擔(dān)心環(huán)流會(huì)不會(huì)對(duì)電纜絕緣不利。

對(duì)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》建議：對(duì)配電電纜與輸電電纜金屬屏蔽層接地方式與工頻感應(yīng)電壓做出不同的規(guī)定；對(duì)環(huán)流數(shù)值做出規(guī)定。

5 小結(jié)

10 kV單芯電纜兩端接地感應(yīng)電壓與環(huán)流導(dǎo)致電纜故障問題，是配電電纜工作者多年困惑的問題。本文通過對(duì)東興乙線故障的感應(yīng)電壓計(jì)算和分析，目的在于揭示導(dǎo)致這起事故的直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當(dāng)，不應(yīng)選用兩端接地，而應(yīng)根據(jù)需要選擇一端接地或中點(diǎn)接地。而根本原因是設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有具體對(duì)這些問題做出明確的指引和規(guī)定。

［1］江日洪.交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路［M］.北京：中國電力出版社，1997.

［2］10 kV單相電力電纜屏蔽層的感應(yīng)電壓和環(huán)流［J］.高電壓技術(shù)，2002.

［3］胡其秀.電力電纜線路手冊（設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行維護(hù)）.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］史傳卿.電力電纜安裝技術(shù)問答［M］.中國電力出版社，2002.

何偉（1970-），講師，工學(xué)學(xué)士，從事電力電纜運(yùn)行研究工作。

Analysis of 10 kV Single Cable Shield Fault Caused Both Ends Grounding

10 kV single cable fault of both ends of grounding induced voltage and circulating current，which confused the distribution cable workers for years.This paper analyzes the fault of 10 kV cable of Yangchun is improper choice of metal shield grounding manner;as a result，the main reason is not specifically make these issues clear guidelines and regulations. Key words:single cable；circulating current；induced voltage；both ends of the grounding

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TM726

B

1007－9904（2010）04－27－04

2010－06－10