電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷分析

姚舜禹

（國網(wǎng)鄭州供電公司，鄭州 450000）

0 引 言

隨著城市發(fā)展進程的加快，110 kV 及以上高壓電纜回數(shù)越來越多，單回電纜線路也越來越長。 目前，鄭州110 kV 及以上電纜均采用單芯電纜，對于其中較長的電纜線路，大都采用金屬護層交叉互聯(lián)的接地方式［1］。

單芯電纜的線芯和金屬護層相當于變壓器的初級繞組和次級繞組。 當線芯通過電流時，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與金屬護層交鏈，使護層產(chǎn)生感應電壓。 如果金屬護層兩點接地，則會產(chǎn)生感應環(huán)流。 由于金屬護層的感應電壓與負荷大小和電纜長度成正比，因此采用分段交叉互聯(lián)的方式即1 個交叉互聯(lián)單元中3 個交叉互聯(lián)段，以實現(xiàn)護層感應電壓的相互削弱。 在高壓電纜運行維護過程中，接地環(huán)流檢測是必不可少的一項工作，長期實踐證明，接地環(huán)流檢測不僅設備便攜，操作簡單，而且能夠有效檢出接地系統(tǒng)缺陷，是一種公認的高“性價比”檢測手段。 接地環(huán)流異常的診斷標準可參考Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術規(guī)范》。

導致接地環(huán)流異常的原因很多，如外護套破損、接地系統(tǒng)接地電阻過大、同軸電纜斷裂、交叉互聯(lián)換位失敗等。 國內(nèi)外學者對高壓電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)進行了大量的研究。 文獻［2］和文獻［3］針對交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)建立了等效電路模型，并采用編程手段計算出環(huán)流值，但沒有進一步應用電路模型和計算方法去預判缺陷。 文獻［4］和文獻［5］分別針對一起缺陷進行了原因分析，但沒有應用等效電路模型進行定量計算分析。 文獻［6］針對交叉互聯(lián)系統(tǒng)的典型缺陷進行分析，并應用等效電路模型進行定量計算分析，但沒有針對各種缺陷下的環(huán)流特征進行分析，以實現(xiàn)缺陷原因的預判。

實際工作中，即使接地環(huán)流數(shù)據(jù)根據(jù)Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術規(guī)范》判斷為異常，傳統(tǒng)的計劃停電檢修手段，如進行分段電纜外護套耐壓試驗、連接金具，及金屬搭接點檢查，均無法快速確認缺陷原因及位置，反而造成大量人力、物力浪費，延長停電時間，甚至造成缺陷原因誤判。 若在出現(xiàn)隱患時，可通過帶電狀態(tài)下的檢測數(shù)據(jù)分析，并結合科學有效的理論計算，完成對缺陷原因及位置的預判，則能夠?qū)崿F(xiàn)有的放矢的停電檢修，極大地縮短停電時間，提高供電可靠性。 目前，國內(nèi)外對交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)環(huán)流的研究還不夠［7］，針對基于環(huán)流特征的缺陷原因和位置的預判，缺乏科學可靠的思路和方法。 本工作將以220 kV某線路的接地環(huán)流缺陷分析處理過程為例，為該類問題的檢修提供一種新的處理思路與方法。

1 案例概況

220 kV 某電纜線路，2020 年11 月6 日投運，全長7.63 km，采用隧道敷設方式，三相呈品字形排列方式，起點為站內(nèi)1＃GIS 終端，終點為2＃戶外終端。全線共14 組中間接頭、1 組GIS 終端和1 組戶外終端，接地方式示意圖見圖1。

圖1 220 kV 某線路接地方式示意圖

2 缺陷情況

2020 年11 月9 日，運行維護人員在接地環(huán)流在線監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)該線路接地環(huán)流異常。 環(huán)流數(shù)據(jù)見表1（1＃、2＃終端接地箱以及1＃、2＃、14＃中間接頭接地箱未安裝接地環(huán)流在線監(jiān)測裝置，因此只包含3?！?3＃中間接頭接地箱的環(huán)流數(shù)據(jù)），此時負荷電流約為350 A。

表1 接地環(huán)流在線監(jiān)測數(shù)據(jù) A

根據(jù)Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術規(guī)范》中的診斷標準，對表1 中的接地環(huán)流數(shù)據(jù)進行分析，具體見表2。

表2 接地環(huán)流在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果

由表2 分析可知，6＃-7＃-8＃-9＃和9＃-10＃-11＃-12＃兩個交叉互聯(lián)單元接地環(huán)流異常。 經(jīng)分析，該線路交叉互聯(lián)箱處的接地環(huán)流在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳感器（CT）安裝在交叉互聯(lián)箱的接地同軸電纜上，因此測得數(shù)據(jù)為流經(jīng)接頭連接的兩段金屬護層電流的矢量和，而非流經(jīng)單段護層的電流，無法與規(guī)程規(guī)定的診斷標準對標。 為了獲取流經(jīng)每個交叉互聯(lián)段的金屬護層的電流數(shù)據(jù)，11 月10 日，運行維護人員對該線路進行了接地環(huán)流檢測。 由于打開接地箱繁瑣且危險，故沒有在交叉互聯(lián)箱中的銅排處測量，而是分別檢測絕緣接頭銅殼的兩個接地柱與同軸電纜的連接處。 圖2 為絕緣接頭銅殼實物圖，圖中方框框出的位置就是兩個接地柱的位置。

圖2 絕緣接頭銅殼實物圖

為了區(qū)分兩個接地柱，靠近隧道人行通道側的記為M 柱，靠近隧道墻壁側的記為N 柱。 相應地，A、B、C 三相接地柱分別為AM、AN、BM、BN、CM和CN，6＃、7＃、8＃、9＃中間接頭的環(huán)流檢測數(shù)據(jù)見表3 ～表6，此時的負荷電流約為346 A。

表3 6＃中間接頭直接接地箱環(huán)流檢測數(shù)據(jù) A

表4 7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱環(huán)流檢測數(shù)據(jù) A

表5 8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱環(huán)流檢測數(shù)據(jù) A

表6 9＃中間接頭直接接地箱環(huán)流檢測數(shù)據(jù) A

此次測出的9＃-10＃-11＃-12＃交叉互聯(lián)單元的環(huán)流數(shù)據(jù)經(jīng)分析已不存在異常，因此不提供9＃-10＃-11＃-12＃交叉互聯(lián)單元的檢測數(shù)據(jù)。 僅對6＃-7＃-8＃-9＃交叉互聯(lián)單元進行分析，異常段環(huán)流檢測數(shù)據(jù)分析見表7。

表7 異常段環(huán)流檢測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術規(guī)范》的診斷標準，6＃-7＃-8＃-9＃交叉互聯(lián)單元環(huán)流情況可判斷為缺陷，需要停電檢查。 在停電之前，對缺陷原因進行分析。

3 缺陷原因

運行維護人員在進行環(huán)流檢測時發(fā)現(xiàn)，8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相同軸電纜內(nèi)外芯與銅殼接地柱的連接方式與其他接頭不一樣，其他接頭均為內(nèi)芯接M 柱、外芯接N 柱，而8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處正相反。 對這種錯誤的連接方式進行分析，判斷其是否為造成環(huán)流異常的主要原因。

3.1 判斷絕緣接頭的接地柱的方向

正常情況下，線路的全部絕緣接頭接地柱均應方向一致，即M 柱均連接小序號側接地箱或N 柱均連接小序號側接地箱。 常規(guī)的判斷方法是，在停電狀態(tài)下，通過導通試驗判斷接地柱的方向。 實際上，在帶電狀態(tài)下，也可以通過分析環(huán)流檢測數(shù)據(jù)判斷出接地柱的方向。

假設是M 柱連接小序號側接地箱，暫不考慮8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相接錯的問題，則7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AN、BN和CN處的電流值應分別與8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AM、BM、CM處的電流值接近。 再將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相同軸電纜內(nèi)外芯與銅殼接地柱的連接方式接反的問題考慮在內(nèi)，則7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AN、BN和CN處的電流值應分別與8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AN、BM、CM處的電流值接近，實測結果與上述推斷相符。 同理，也可以假設是N 柱連接小序號側接地箱，進行上述推斷，發(fā)現(xiàn)推斷結果與實測結果不符。因此，可以判斷M 柱連接小序號側接地箱，N 柱連接大序號側接地箱。 鑒于直接接地箱接地纜處測得的電流實際是相鄰兩個交叉互聯(lián)單元接地電流的矢量和，與實際單段接地電流差異較大，因此不建議用6＃中間接頭直接接地箱的測量值與7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱M 柱測量值對比，也不建議用9＃中間接頭直接接地箱測量值與8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱N 柱測量值對比。

3.2 判斷交叉互聯(lián)箱中銅排的連接方式

交叉互聯(lián)箱中銅排的連接方式有兩種，見圖3。

圖3 交叉互聯(lián)箱中銅排的兩種連接方式

在8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的情況下，兩種連接方式的實際連接情況如圖4 所示。

圖4 8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反時兩種連接方式的實際連接情況

常規(guī)的判斷手段是，打開交叉互聯(lián)箱查看銅排的連接方式，但是在帶電狀態(tài)下打開交叉互聯(lián)箱有感應電壓傷人的風險。 實際上，銅排的連接方式也可以通過分析環(huán)流檢測數(shù)據(jù)來判斷。

在圖4（a）中，A1-C2-B3 回路實現(xiàn)了正常換位，則在6＃中間接頭直接接地箱測得的A 相電流、在7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測得的AM和CN處電流、8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測得的CM和BN處電流、在9＃中間接頭直接接地箱測得的B 相電流均應正常，第一種連接方式與實際檢測結果不符。

在圖4（b）中，A1-B2-C3 回路實現(xiàn)了正常換位，則在6＃中間接頭直接接地箱測得的A 相電流、在7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測得的AM和BN處電流、8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測得的BM和CN處電流、在9＃中間接頭直接接地箱測得的C 相電流均應正常，第二種連接方式與實際檢測結果相符。

由此可得出，銅排的實際連接方式為第二種。6＃-9＃交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)實際可分為3 個回路：第一回路：A1-B2-C3；第二回路：B1-C2-A2-C1；第三回路：A3-B3。

4 接地環(huán)流計算

220 kV 某線路環(huán)流異常等效電路如圖5所示［2］。

圖5 220 kV 某線路環(huán)流異常段等效電路圖

各交叉互聯(lián)段金屬護層感應電壓UAi、UBi、UCi（i ＝1，2，3） 由兩部分組成［8-11］，即正常工況下，UAi＝EAi+E′Ai，UBi＝EBi+E′Bi，UCi＝ECi+E′Ci［12］。 ZS為金屬護層自阻抗，Ω；Re大地泄漏電阻，Ω； EAi、EBi、ECi（i ＝1，2，3）為每段線芯電流引起的感應電壓，V；E′Ai、E′Bi、E′Ci（i ＝1，2，3） 為每段金屬護層除自身以外其他相鄰兩相金屬護層中電流和大地回流電流在該護層上產(chǎn)生的感應電壓，V。 則圖5 可進行簡化，具體見圖6。

第一回路接地環(huán)流：

圖6 220 kV 某線路環(huán)流異常段簡化等效電路圖

在同時具備品字形敷設、3 個交叉互聯(lián)段段長相等和三相負荷平衡等理想條件下， UA1＝UA2＝UA3，UB1＝UB2＝UB3，UC1＝UC2＝UC3，且UAi、UBi和UCi大小相等，UBi相位比UAi滯后120°，而UCi相位比UBi滯后120°。 設UA＝UA1＝UA2＝UA3，UB＝UB1＝UB2＝UB3，UC＝UC1＝UC2＝UC3。

3 個回路感應電壓相量圖見圖7。

圖7 三個回路感應電壓相量圖

理想條件下，對于第一回路，總感應電壓：

對于第二回路，總感應電壓：

對于第三回路，總感應電壓：

根據(jù)式（9）和式（10）可得： I3＝- 2I2，即第三回路的電流大小是第二回路的2 倍。

將實測值標在示意圖上，220 kV 某線路環(huán)流異常段實際接地方式示意圖見圖8。

由圖8 可知，第一回路電流檢測值正常，第二回路電流檢測值約100 A，第三回路電流檢測值約200 A，與計算結果大致相符。 因此，推斷8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相同軸電纜內(nèi)外芯與銅殼接地柱連接方式錯誤是導致該線路環(huán)流異常的原因。 消缺方式為停電后將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的連接線調(diào)整過來。

但實測值與計算值相比有所偏差：一方面，第一回路環(huán)流計算值為0，但整個回路的6 個實測值均大于0；另一方面，第三回路與第二回路的環(huán)流實測值之比也并非等于2，而是與2 接近。 具體原因如下：

（1）接地環(huán)流計算是在假定的理想條件下進行的，現(xiàn)場的實際情況無法達到理想條件。 如：該線路三相采用品字形敷設，但在接頭附近區(qū)域按一字型排列；整個交叉互聯(lián)單元中3 個交叉互聯(lián)段的長度并非完全相等；三相線芯負荷電流并非完全平衡；等等，這些都是造成計算環(huán)流值與實測環(huán)流值相比有偏差的原因。

（2）直接接地箱接地纜處測得的電流實際是相鄰兩個交叉互聯(lián)單元接地電流的矢量和，因此也會造成計算環(huán)流值與實測環(huán)流值的偏差。

（3）在6＃、7＃、8＃、9＃中間接頭接地箱處測量環(huán)流的時刻不同，而負荷電流不斷變化，這也會造成計算環(huán)流值與實測環(huán)流值的偏差。

5 消缺處理及經(jīng)驗總結

運維檢修人員對該線路進行了停電消缺。 消缺方式為將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的連接線調(diào)整過來。 消缺后當天恢復送電。 次日，運維檢修人員再次對該線路進行接地環(huán)流檢測，檢測數(shù)據(jù)已恢復正常。

圖8 220 kV 某線路環(huán)流異常段實際接地方式示意圖（標注環(huán)流檢測值）

此次缺陷的發(fā)現(xiàn)、分析和處理過程中有一些經(jīng)驗值得借鑒，也有一些問題需要反思：

（1） 目前交叉互聯(lián)箱處的接地環(huán)流檢測CT 均安裝在同軸電纜上，因此對于環(huán)流檢測數(shù)據(jù)異常的電纜，需要人工進行現(xiàn)場檢測，不在同軸電纜處進行檢測，應分別檢測絕緣接頭銅殼的兩個接地柱與同軸電纜的連接處，檢測出的是單段護層環(huán)流，方便分析判斷。

（2） 應提高對接地環(huán)流實測值的數(shù)據(jù)分析能力。 在停電前缺陷分析過程中，無須打開接地箱檢查，也無須停電后做導通試驗，只須通過環(huán)流檢測值分析即可確定銅排連接方式和接地柱方向，這樣既節(jié)省了人力和時間，也避免了帶電打開接地箱感應電壓傷人的危險。

（3） 整個過程中，前期帶電狀態(tài)下的檢測分析起到了至關重要的作用，不僅準確定位了缺陷位置，還通過建立等效電路和計算理論環(huán)流值，科學地推斷出了缺陷原因，為后期快速消缺奠定了基礎，降低了停電后消缺處理的難度，縮短了停電時間，提高了供電可靠性。 這是由計劃檢修向狀態(tài)檢修的轉變。

（4） 驗收過程中，應逐一通過導通試驗核對絕緣接頭內(nèi)外芯方向，避免因內(nèi)外芯接反造成接地環(huán)流異常，給后續(xù)的運維檢修工作增加難度。

（5） 目前交叉互聯(lián)箱處的接地環(huán)流檢測CT 均安裝在同軸電纜上，檢測出的環(huán)流數(shù)據(jù)無法與規(guī)程規(guī)定的診斷標準對標，且不利于接地系統(tǒng)缺陷的分析與定位。 建議調(diào)整接地環(huán)流檢測CT 的安裝位置，改為安裝在中間接頭的接地柱或者交叉互聯(lián)箱內(nèi)的銅牌上。

6 結束語

該線路因8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相同軸電纜與銅殼接地柱接反，從而導致6＃-7＃-8＃-9＃交叉互聯(lián)單元接地環(huán)流異常，整個交叉互聯(lián)單元的金屬護層構成了3 個回路，這3 個回路的接地環(huán)流呈現(xiàn)如下特征：A1-B2-C3 回路環(huán)流正常，A3-B3 回路的環(huán)流值約為B1-C2-A2-C1 回路環(huán)流值的2 倍。在將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的連接線調(diào)整過來之后，該線路環(huán)流恢復了正常。 這次消缺是通過前期的帶電檢測和分析計算快速定位缺陷，并推斷出缺陷產(chǎn)生的原因，制訂出消缺方案，因此實現(xiàn)了快速消缺，是計劃檢修向狀態(tài)檢修轉變的典型案例。

本工作以220 kV 某電纜線路的交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷為例，提供出一種消缺的新思路，即停電消缺前通過分析計算定位缺陷，推斷缺陷原因，以便停電后快速消缺。 事實上，還可以對交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)的其他缺陷類型分別建模計算，建立典型缺陷庫，也可以進一步通過軟件編程自動窮舉計算的方式，在未進行現(xiàn)場排查的情況下實現(xiàn)對故障起因的預判。 這將大大降低消缺難度，縮短停電時間，提高供電可靠性。