10kV電纜屏蔽層接地不當導致的故障分析

梁俊熙 汪萬偉 張永康

（廣東電網公司東莞供電局 廣東 東莞 523008）

0 引言

隨著我國電網改造的深入，大量的架空線被電力電纜取代。 電力電纜跟架空線不同，它被埋在地下，運行維護較困難，正確使用電纜，是降低工程投資，保證安全可靠供電的重要條件[1]。 在城市配電網絡中，應用最廣的是交聯(lián)聚乙烯三芯絕緣電纜[2]，且多采用零序保護，如電纜屏蔽層接地線安裝方式出現(xiàn)錯誤，在電纜出現(xiàn)對地故障時，將會影響零序保護的動作，可能導致事故的擴大。 作者參與了一起110kV變電站因10kV 電纜屏蔽層接地線安裝不當導致越級跳閘的技術分析，認為該類故障具有一定的代表性，以下通過對這次故障原因的深入調查，全面分析了三芯電纜屏蔽層可能出現(xiàn)的錯誤接地方式，給出了合理的接地方式的建議。

1 事件經過

東莞某110kV 變電站與此次故障相關的電氣接線如圖1 所示。2012年9 月8 日15：47， 變電站值班員監(jiān)盤時發(fā)現(xiàn)：10kVF20 線路720 開關跳閘，重合閘動作；同時，#2 主變10kV 側502 甲、502 乙開關分閘，#2站用變壓器變兼接地變壓器524 開關分閘，10kV2 甲M、2 乙M 同時失壓。

變電站迅速將跳閘和保護動作情況上報，并安排值班員到現(xiàn)場檢查相關設備情況，通知相關人員對F20 線路進行巡視。 值班員檢查后確認10kVF20 線路720 開關、#2 站變兼接地變524 開關、#2 主變10kV 側502 甲、502 乙開關、2 甲M、2 乙M 母線一次設備均無異常。

最終檢查結果發(fā)現(xiàn)，15：47 時，F(xiàn)20 線路的C 相發(fā)生接地故障，F(xiàn)20 過流一段保護動作，跳開720 開關，重合閘后接地故障仍存在，故障本應由F20 零序保護切除， 但由于F20 電纜屏蔽層接地線安裝錯誤， 導致F20 零序保護不能動作。 因線路接地故障未能及時切除，10kV #2 接地變高壓零序電流保護動作， 跳開502 甲、502 乙開關和524 開關，造成10kV 2 甲M、2 乙M 母線失壓。

圖1 某110kV 變電站與故障相關的電氣接線圖

2 原因分析

常用的三芯電纜結構如圖2 所示[3]。與單芯電纜不同的是，三芯電纜多采用兩端直接接地方式，這是因為正常運行情況下，流過三個線芯的電流總和為零，金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，因此金屬屏蔽層兩端就基本沒有感應電壓，所以兩端接地后不會有感應電流流過金屬屏蔽層[4-6]。

圖1 所示， 發(fā)生C 相接地故障的F20 三芯電纜的屏蔽層接地點一端在變電站側，即零序CT 附近，另一端在遠方負荷側。 由于720 開關下方的零序CT 測得的零序電流值是720 開關零序保護動作的依據(jù)，如零序CT 測得的零序電流有誤，將會直接影響720 開關的零序保護動作，造成越級保護動作，使事故擴大。

圖2 常用的三芯電纜結構圖

下面將詳細分析此例事故中零序CT 不能正確測量零序電流的原因。 發(fā)生該事故的變電站為小電阻接地系統(tǒng)，一旦三芯電纜某相發(fā)生對地故障，就有可能使部分對地電流通過電纜屏蔽層、電纜屏蔽層的接地線流入大地， 如與零序CT 相鄰的電纜屏蔽層接地線安裝錯誤，將直接影響零序CT 對零序電流的測量。

上述事故中電纜屏蔽層接地線的安裝方式如圖3 所示，為了方便說明問題，這里只畫出了發(fā)生接地故障的C 相。 如圖3 所示，電纜屏蔽層的接地點位于零序CT 下方的B 點位置，其接地線向上穿過零序CT 后接地。

圖3 事故中的電纜屏蔽層接地線安裝方式示意圖

當電纜發(fā)生導體絕緣層破壞時， 導體一般會先和金屬屏蔽層短接，構成接地故障，并有可能在導體絕緣層破壞處擊穿電纜外護套。正常運行情況下，零序CT 測得的三相電流和為0，當C 相發(fā)生接地故障時，零序CT 只需準確測量出C 相對地電流即可，所以以下分析只針對C 相接地故障的接地電流，將不再考慮負荷電流。

當C 相發(fā)生對地故障時，對地電流流向如圖4 所示。 設A 點為發(fā)生接地故障點，導體中流過的對地電流為I1，如A 點電纜外護套被擊穿，則通過擊穿處流入大地的電流為I2（如外護套沒被擊穿，則I2=0），通過變電站側電纜屏蔽層接地線流入大地的電流為I3，通過負荷側電纜屏蔽層接地線流入大地的電流為I4，由KCL 有：

由圖4 可知，零序CT 測得的對地電流為：

即

圖4 發(fā)生接地故障時的對地電流流向圖

圖5 其他幾種屏蔽層接地線安裝方式圖

如零序CT 測量正確無誤，則ICT=I1，但由式(1)、(2)、 (3)可知，由于I3在零序CT 里穿過了兩次，且方向相反，故零序CT 測量不到I3，從而使測得的ICT小于實際流入大地的電流。

值得特別指出的是，當A 點外護套未被擊穿（I2=0），同時A 點靠近電站側遠離負荷側屏蔽層接地點時（此時I3>I4），根據(jù)式(3)可知：測得的ICT將遠小于實際流入大地的電流，ICT的大小達不到零序保護的整定值時，就會出現(xiàn)上述事故中發(fā)生的現(xiàn)象：即使發(fā)生了接地故障，但由于零序CT 測得的對地電流過小，使得零序保護沒能起到應有的作用，從而導致越級跳閘，造成事故擴大。

3 幾種可能出現(xiàn)的屏蔽層接地線的安裝方式

上文中分析了該例事故中出現(xiàn)的一種錯誤的電纜屏蔽層接地方式，下面將介紹其他幾種可能出現(xiàn)的屏蔽層接地線的安裝方式。

圖5 所示為其他幾種電纜屏蔽層接地線的安裝方式圖， 其中A點為對地故障發(fā)生點，B 點為電纜屏蔽層的接地線安裝點。

如圖5(1)所示，B 點在零序CT 上方，且接地線不穿過零序CT，顯然， 這種接地線安裝方式與圖4 所示的安裝方式類似，I3將在零序CT里穿過兩次，且方向相反，故零序CT 測量不到I3，使測得的ICT小于實際流入大地的電流。 因此，這種電纜屏蔽層的地線安裝方式是錯誤的。

如圖5(2)所示，B 點在零序CT 上方，但接地線穿過零序CT 后接地。 采用這種接地線安裝方式，I3將在零序CT 里穿過三次，其中有兩次穿過CT 的方向相反，互相抵消，另外一次穿過零序CT 時，I3的流向與I1同向，故不影響零序CT 對實際流入大地電流的測量。 雖然這種接地線安裝方式不影響對零序電流的測量，但部分對地電流在零序CT 里穿過多次，不合乎規(guī)范，故不建議采用[7]。

如圖5(3)所示，B 點在零序CT 下方，且接地線不穿過零序CT。 采用這種接地線安裝方式， 所有的對地電流將只在零序CT 里穿過一次，使得零序CT 的測量準確無誤，也符合規(guī)范，建議采用這種接地線的安裝方式。

4 結論

本文細致分析了一起某110kV 變電站因10kV 電纜屏蔽層接地線安裝錯誤而導致的越級跳閘的事故，在此基礎上，進一步給出了幾種可能會出現(xiàn)的三芯電纜金屬屏蔽層接地線的安裝方式，并詳細推理了各種安裝方式對零序CT 測量值的影響，給出了正確的三芯電纜屏蔽層接地線的安裝方式，有較大的實際運用價值。

［1］田海賓.控制電纜屏蔽層接地方式探討[J].山西電力,2004(1):66-67.

［2］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,1999.

［3］賈述仁.關于采用10kV 三芯電力電纜的建議[J].本鋼技術,1996(5):57-60.

［4］張春旭,李明.外護套環(huán)流及接地不良對電力電纜的影響分析[J].山東電力技術,2009(2):7-10.

［5］IEC 61000.Electromagnetic ompatibility(EMC),part 5:installation and mitigation guidelines,section 2:Earthing and cabling[S].IEC,1997.

［6］Armstrong Keith.Installation cabling and arthing techniques for EMC[Z].IEE Teaching Materials,2000.

［7］李宗廷,王佩龍.電力電纜施工手冊[M].北京:中國電力出版社,2002.