110 kV電纜終端與GIS殼體放電分析與處理

陳 濤，姜 雯，陳 俊，曹育碩，胥 杰，岳 亮，沈珉峰，茅偉杰，曹扣成

(國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

電纜終端和電纜接頭統(tǒng)稱為電纜附件，電力電纜附件是電纜線路不可或缺的構(gòu)成。完成輸電任務(wù)的是由電纜及附件組成的電纜線路整體，可以說電纜附件是電纜功能的延續(xù)。電纜終端是安裝在電纜線路兩端，具有一定絕緣和密封性能，使電纜與其他電氣設(shè)備連接的裝置。電纜接頭是安裝在電纜與電纜之間，使兩根及以上電纜導(dǎo)體聯(lián)通，使之形成連續(xù)電路并具有一定絕緣和密封性能的裝置。按照安裝方式和使用材料分類，可分為繞包式、模塑式、熱縮式、預(yù)制式、冷縮式等。對電纜線路來說，不僅電纜外護(hù)套應(yīng)有良好的絕緣性能，電纜金屬屏蔽層還應(yīng)采取可靠合理的接地方式[1]。

1 故障經(jīng)過

上海市松江某110 kV變電站GIS設(shè)備生產(chǎn)廠家為上海西電高壓開關(guān)有限公司，電纜終端生產(chǎn)廠家為江蘇中天科技電纜附件有限公司。2020年10月28日該站A串自愈啟動,合閘送電瞬間德蒸1K067線路三相110 kV電纜終端發(fā)生瞬時放電現(xiàn)象，現(xiàn)象消失后線路可正常運(yùn)行，之后多次分合閘瞬間均有放電現(xiàn)象。經(jīng)討論后決定修改啟動方案，將該線路改為開關(guān)線路檢修，并通知相關(guān)設(shè)備廠家進(jìn)行調(diào)查。后經(jīng)視頻回放和現(xiàn)場檢查確認(rèn)為GIS設(shè)備殼體與電纜終端之間放電。放電瞬間以及放電點(diǎn)照片如圖1至圖4所示。

圖1 德蒸1K067線路分合閘瞬間放電監(jiān)控照片

圖2 德蒸1K067線路A相放電灼傷點(diǎn)

圖3 德蒸1K067線路B相放電灼傷點(diǎn)

圖4 德蒸1K067線路C相放電灼傷點(diǎn)

2 故障分析

對放電的線路進(jìn)行GIS電纜倉內(nèi)氣體檢測，判斷是否屬于GIS電纜倉內(nèi)發(fā)生短路故障，檢測結(jié)果如表1所示(儀器型號為STP1000PRO，環(huán)境溫度25℃，環(huán)境濕度50%)。

表1 GIS電纜倉內(nèi)氣體檢測結(jié)果

對相關(guān)線路的斷路器進(jìn)行了斷路器特性分析，判斷是否為斷路器故障導(dǎo)致的過電壓。檢測結(jié)果如表2所示(儀器型號為DY/DB1128)。

表2 斷路器分合閘時間

兩項(xiàng)檢測結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常，非設(shè)備故障。

同時電纜附件廠家對放電的三相電纜附件進(jìn)行了追溯調(diào)查，證實(shí)相關(guān)電纜終端出廠時為合格產(chǎn)品，安裝完成后也通過竣工試驗(yàn)，并進(jìn)行了退倉后單相耐壓試驗(yàn)，排除電纜終端與GIS殼體放電現(xiàn)象是由于附件廠家本身或安裝質(zhì)量原因造成。

后經(jīng)過多方故障診斷會議，分析放電現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是由于電纜終端與GIS殼體之間存在電位差，分合閘瞬間產(chǎn)生的操作過電壓導(dǎo)致電纜終端與GIS殼體之間部位空氣擊穿。

3 故障原因

單芯電纜的導(dǎo)線與金屬屏蔽(或護(hù)套)的關(guān)系，可看作一個變壓器的初級繞組。當(dāng)電纜的導(dǎo)線通過交流電流時，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與金屬屏蔽層鉸鏈，使金屬屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長度和流過的電流成正比。在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，金屬屏蔽層上會形成很高的感應(yīng)電壓，甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。

因此，在分合閘瞬間產(chǎn)生高頻暫態(tài)操作過電壓的作用下，電纜終端以及GIS殼體兩處直接接地的交流阻抗會有很大不同，頻率越高，交流阻抗的差值也越大，兩者之間的電位差也越大。另外，合閘相角有隨機(jī)性，合閘時相位角處于操作過電壓較大位置，則兩者之間產(chǎn)生電位差也越大。當(dāng)兩個因素綜合作用時，導(dǎo)致的電位差大于空氣的擊穿電壓，電纜終端與GIS殼體之間會發(fā)生放電現(xiàn)象。等價(jià)電路如圖6所示。

GIS設(shè)備殼體與直連的電纜之間的連接形態(tài)如圖5所示。

圖5 連接形態(tài)

圖6 等價(jià)電路

電纜直連GIS終端的絕緣筒，因斷路器切合時產(chǎn)生操作過電壓，具有20 MHz高頻衰減震蕩波和波頭長0.1 μs陡度的特征。該行波沿電纜導(dǎo)體浸入，在金屬層感生暫態(tài)過電壓。單芯電纜的外護(hù)層等部位，在運(yùn)行中承受可能的暫態(tài)過電壓，若作用幅值超過這些部位的耐壓標(biāo)準(zhǔn)時，則可能出現(xiàn)空氣擊穿放電。

電纜終端與GIS殼體之間(即絕緣筒間)過電壓(Uab)、電纜金屬對地過電壓(Us)的表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式中E1——GIS的斷路器切合過電壓沿電纜導(dǎo)體進(jìn)行波幅值，kV；Zcb——?dú)怏w絕緣母線的導(dǎo)體與護(hù)層間波阻抗，Ω；Zcs——?dú)怏w絕緣母線的護(hù)層與大地間波阻抗，Ω；L1，L2——?dú)怏w絕緣母線和電纜的各自接地線感抗，Ω；C——兩護(hù)層間的雜散電容，F(xiàn)。

然而實(shí)際中較難測定具體參數(shù)。目前已有的測試結(jié)果，主要為日本報(bào)道過66 kV及以上電壓等級單芯電纜線路的系列實(shí)際測試，現(xiàn)摘要部分結(jié)果如下。

(1)對于66～275 kV電纜未設(shè)置護(hù)層電壓限制器情況，自20世紀(jì)80年代起先后進(jìn)行過10次及以上測試，在額定電壓等級為66，154，275 kV時，電纜線路金屬套對地暫態(tài)過電壓(Us)測試結(jié)果如表3所示。

表3 電纜線路金屬套對地暫態(tài)過電壓 kV

由表3可知，試驗(yàn)結(jié)果顯示均已超過電纜外護(hù)層絕緣耐壓水平。

(2)66～275 kV電纜直連GIS終端的絕緣筒，在額定電壓等級為66，154，275 kV時，絕緣筒間過電壓(Uab)測試結(jié)果如表4所示。

表4 絕緣筒間過電壓 kV

由表4可知，試驗(yàn)結(jié)果顯示均超過耐壓值，若在電纜終端與GIS殼體之間并聯(lián)0.03 μF電容或護(hù)層電壓限制器，則測得不超過6～14 kV。

4 故障處理

根據(jù)GB/T 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1.13中規(guī)定：“35 kV及以上GIS終端的絕緣筒上，宜跨接護(hù)層電壓限制器或電容器”。因此，在電纜終端與GIS殼體間(即規(guī)定中“絕緣筒”部位)加裝護(hù)層保護(hù)器(絕緣法蘭保護(hù)器)，消除電纜終端與GIS殼體間的放電現(xiàn)象。護(hù)層保護(hù)器由氧化鋅非線性電阻片、外覆耐高溫的硅橡膠外套制成，能夠有效限制過電壓，安全防爆。護(hù)層保護(hù)器安裝示意圖如圖7所示。

圖7 護(hù)層保護(hù)器安裝示意圖

安裝護(hù)層保護(hù)器(絕緣法蘭保護(hù)器)安裝圖如圖8所示。

圖8 護(hù)層保護(hù)器(絕緣法蘭保護(hù)器)安裝圖

經(jīng)過測試，相關(guān)線路未發(fā)生電纜終端與GIS殼體之間放電現(xiàn)象，故障消除。

5 結(jié)語

本次故障主要因電纜終端與GIS殼體之間存在電位差，分合閘瞬間系統(tǒng)產(chǎn)生的操作過電壓導(dǎo)致電纜終端與GIS殼體之間空氣擊穿。

隨著城市電網(wǎng)的發(fā)展，電纜的應(yīng)用變得越發(fā)廣泛。而電力電纜附件是電纜線路不可或缺的構(gòu)成，一旦發(fā)生故障，將對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。因此，此次放電現(xiàn)象對以后類似事件具有很好的借鑒意義。同時對于電力設(shè)計(jì)與安裝過程中考慮各設(shè)備之間電位差對電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，也有很好的啟示作用。