某電廠220kV電力電纜的金屬護(hù)層產(chǎn)生過(guò)電壓原因分析

楊帥普 潘志強(qiáng) 吳森飚

（1.廣州珠江電力有限公司 廣東省廣州市 511400 2.廣州珠江天然氣發(fā)電有限公司 廣東省廣州市 511400）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓動(dòng)力電纜以其便于鋪設(shè)，占地面積小、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在城市區(qū)域供電網(wǎng)絡(luò)、工廠、發(fā)電企業(yè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。根據(jù)電力行業(yè)安全操作規(guī)程，電氣不帶電設(shè)備的外殼都必須接地，所以高壓電纜的金屬護(hù)層或者屏蔽層必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠的接地。通常110kV 以下的電力電纜通常是三芯結(jié)構(gòu)，在正常運(yùn)行時(shí)流過(guò)三相導(dǎo)體電流之和為零，故采用電纜兩端直接接地方式。110kV 及以上的電力電纜一般采用單芯結(jié)構(gòu)，在正常運(yùn)行時(shí)電纜金屬護(hù)層會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，采用兩端接地方式會(huì)通過(guò)接地網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)流，長(zhǎng)期運(yùn)行電纜會(huì)造成發(fā)熱老化，甚至電纜絕緣擊穿，故單芯電纜一般采用一端接地方式[1]。電力電纜在運(yùn)行中會(huì)經(jīng)常遇到雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓，在電纜護(hù)層中也會(huì)同時(shí)感應(yīng)出很高的沖擊電壓，因此就需要在電力電纜不接地端裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器[2]。護(hù)層保護(hù)器可以根據(jù)電力設(shè)施的布置形式選擇裝設(shè)在首端或者末端，但護(hù)層保護(hù)器的選型一定要經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確定值計(jì)算和設(shè)計(jì)安裝，否則電力電纜長(zhǎng)期承受過(guò)電壓，會(huì)加速電纜老化進(jìn)而可能引起絕緣擊穿的嚴(yán)重事故。

1 電氣設(shè)備概況

某發(fā)電廠的主變與GIS 設(shè)備連接采用沈陽(yáng)古河220kV YJLW03型電力電纜連接。根據(jù)電力設(shè)計(jì)規(guī)范[2]要求：電力電纜一端與變壓器連接，一端與GIS 設(shè)備連接，電力電纜護(hù)層的接地方式宜采用變壓側(cè)三相互聯(lián)直接接地，GIS 側(cè)采用裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器連接，發(fā)電廠接線方式按照該要求進(jìn)行安裝布置。GIS 設(shè)備的出線處三相分別裝設(shè)一臺(tái)Y10W5 型氧化鋅避雷器，通過(guò)單層架構(gòu)跳線方式連接雙回線桿塔（自上而下分別為B 相、A 相、C 相），輸電線路全線裝設(shè)雙避雷線。廠內(nèi)220kV 電纜安裝及相關(guān)電氣參數(shù)如圖1 和表1。

圖1：某發(fā)電廠220kV 電纜安裝布置圖

表1

2 設(shè)備問(wèn)題情況

在機(jī)組計(jì)劃性檢修中發(fā)現(xiàn)，護(hù)層保護(hù)裝置的絕緣固定螺栓對(duì)保護(hù)裝置的金屬外殼有放電現(xiàn)象，其中B 相、A 相放電情況嚴(yán)重（C相正常），保護(hù)器外殼均出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g，部分固定絕緣螺栓燒蝕變形，查看三相護(hù)層保護(hù)器均未有動(dòng)作情況（保護(hù)動(dòng)作計(jì)數(shù)器），可見(jiàn)該保護(hù)器已無(wú)法起到保護(hù)作用。護(hù)層保護(hù)器現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。

圖2

3 原因分析

經(jīng)過(guò)查找原始設(shè)計(jì)資料和查看原始設(shè)計(jì)參數(shù)，并現(xiàn)場(chǎng)護(hù)層接地點(diǎn)接地電阻測(cè)量確認(rèn)正常，該電廠220kV電力電纜采用專用電纜溝水平鋪設(shè)，變壓器側(cè)三相互聯(lián)直接接地，GIS 側(cè)裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器。可以得出該電廠的等值電路圖如圖3所示。

圖3：電廠電力電纜的等值電路圖

通常情況波阻抗Z1、Z2可以根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)計(jì)算得出或者進(jìn)行實(shí)測(cè)得出[1]，r1：為電纜主導(dǎo)體的半徑（mm），ra：為電纜護(hù)層的半徑（mm），ρ 為土壤的電阻率，一般可實(shí)測(cè)得出（該地區(qū)一般取50 ～100Ωm），f 為工頻頻率，一般的架空線導(dǎo)線波阻抗一般取500Ω[3]。經(jīng)實(shí)測(cè)可知：Z1=27.5Ω，Z2=19.3Ω，U0為裝設(shè)避雷器線路的10KA 雷電沖擊電流下最大殘壓（520kV）。根據(jù)公式（1）、表1 和電纜輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[1]可計(jì)算得出：受雷電波沖擊下的沖擊電壓UA=36.7kV。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]，操作過(guò)電壓U0可以用220kV系統(tǒng)的相電壓（額定相電壓：127kV；峰值電壓為179.6kV）進(jìn)行計(jì)算[5]，可以得出UA額定=8.96kV，UA峰值=12.7kV。依據(jù)表1 中原有護(hù)層保護(hù)器的保護(hù)參數(shù)來(lái)說(shuō)，其動(dòng)作電壓為17kV，而電纜的額定耐壓為10kV，出現(xiàn)操作過(guò)電壓時(shí)，護(hù)層保護(hù)器不會(huì)動(dòng)作，所以原護(hù)層保護(hù)器無(wú)法起到保護(hù)作用。根據(jù)研究數(shù)據(jù)表明棒-板氣隙擊穿電壓為3.8kV（eff）/cm[3]，因此裝設(shè)的護(hù)層保護(hù)器連接件與金屬外殼或接地體的氣隙絕緣間距在操作過(guò)電壓下最小為2.4cm，雷電沖擊過(guò)電壓下最小氣隙絕緣間距為4.5cm。原護(hù)層保護(hù)器連接件至金屬外殼的氣隙絕緣距離為4cm 左右基本滿足操作過(guò)電壓的最小氣隙絕緣距離，因此在操作過(guò)電壓下，不會(huì)發(fā)生氣隙被擊穿而引起放電燒蝕現(xiàn)象。研究表明雷擊避雷線或者線路塔桿都會(huì)在線路導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓大小與導(dǎo)線至地面的高度成正比關(guān)系，導(dǎo)線距離地面越低，感應(yīng)過(guò)電壓越小[3]。該電廠的出線采用同塔雙回線設(shè)置，B 相、A 相、C 相以自上而下布置，而原護(hù)層保護(hù)器連接件至金屬外殼的氣隙距離在4cm 左右，因此在發(fā)生雷擊時(shí)很容被擊穿，B 相距離地面最高，因此產(chǎn)生過(guò)電壓最大，放電燒蝕現(xiàn)象最嚴(yán)重，A 相次之，而在C 相上產(chǎn)生雷擊過(guò)電壓偏小致使未能擊穿氣隙，因此沒(méi)有發(fā)生放電燒蝕現(xiàn)象。

4 整改措施

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將原220kV電力電纜護(hù)層保護(hù)器拆除報(bào)廢處理，重新進(jìn)行護(hù)層保護(hù)器的選型。選型結(jié)果如表2所示。

表2

根據(jù)表2 選型結(jié)果，新型護(hù)層保護(hù)器動(dòng)作電壓為5.8kV，殘壓不大于10kV（電纜護(hù)層額定電壓10kV），滿足220kV電力電纜的安全運(yùn)行要求，后續(xù)還需加強(qiáng)對(duì)護(hù)層保護(hù)器的日常維護(hù)和定檢工作，確保護(hù)層保護(hù)器安全可靠工作。

5 結(jié)論

220kV電力電纜的應(yīng)用已經(jīng)較為普及，按電力運(yùn)行規(guī)程要求加強(qiáng)日常安全維護(hù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的校驗(yàn)與定檢試驗(yàn)，電纜護(hù)層保護(hù)器動(dòng)作與運(yùn)行情況是監(jiān)測(cè)電纜是否正常重要手段，要引起足夠的重視。出現(xiàn)異常情況都要及時(shí)處理，避免因保護(hù)器無(wú)法釋放過(guò)電壓而引起絕緣老化，甚至發(fā)生絕緣擊穿的嚴(yán)重電力事故。