交流單芯海底電纜接地回路電阻對金屬護套電流分布特性的影響

黃烜城， 雷志城*， 梅 睿， 徐擁軍， 李 雷， 吳 鍇

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211100； 2.中天科技海纜有限公司， 南通 226400；3.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 西安 710048)

0 引 言

能源轉(zhuǎn)型是世界能源技術(shù)發(fā)展的趨勢，而新能源和可再生能源是推動未來能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[1-5]。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的興起，海底電纜線路的里程日漸增加，海底電纜的運行性能也成為研究熱點[6-9]。長距離的陸纜通常會采用交叉互聯(lián)等方式降低金屬護套的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流[10]，但海底電纜受敷設(shè)環(huán)境限制，無法采用交叉互聯(lián)、本體換位等接地措施抑制感應(yīng)電流、電壓[11]。目前，國內(nèi)海纜接地相關(guān)的研究主要集中在接地方式對海纜載流量和運行損耗的影響上，并未關(guān)注海底電纜終端接地附件結(jié)構(gòu)不適對海纜絕緣性能的影響[12-16]。

本工作通過一起220 kV海纜終端因接地附件固定連接結(jié)構(gòu)局部過熱，進而引發(fā)過熱部位電纜主絕緣擊穿的事故案例，采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)模擬軟件，研究海纜金屬護套與鎧裝在接地結(jié)構(gòu)處存在接觸不良時的電壓、電流分布和損耗，并提出保障海纜接地結(jié)構(gòu)層間分流比例、減少金屬護套側(cè)接地電流等改善措施，為類似海纜線路工程接地結(jié)構(gòu)的改進及接地附件的選擇提供工程指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場案例及事故原因分析

1.1 事故描述

2020年2月18日，某風(fēng)電廠海纜線路發(fā)生保護動作，檢查后發(fā)現(xiàn)海上升壓站氣體絕緣金屬封裝開關(guān)設(shè)備(GIS)室220 kV海纜進線B相鉛合金護套接地結(jié)構(gòu)處有焦糊現(xiàn)象，外部破損，海纜故障部件樣品見圖1。

圖1 海纜故障部件樣品

事故發(fā)生的部位見圖1(a)，事故點位于接地抱箍接地線壓接位置的正下方，擊穿部位與接地結(jié)構(gòu)螺栓緊固接觸部位呈上下垂直關(guān)系，見圖1(b)；圖1(c)為更換損壞零部件后，陸上側(cè)海纜護套接地結(jié)構(gòu)的紅外熱成像圖，此時該接地結(jié)構(gòu)件與接地線纜線鼻子連接處的最高運行溫度為50.2 ℃，遠高于環(huán)境溫度，與圖1(b)處于同一位置。同時，對發(fā)生事故的鉛合金護套接地結(jié)構(gòu)進行檢查，確認接地螺栓連接緊固，無松脫跡象，推測事故是由于海纜鉛合金護套熱受損后對主絕緣造成了傷害，進而引起主絕緣擊穿。

1.2 接地結(jié)構(gòu)分流改善

為確保送電，對發(fā)生故障的海上出線側(cè)進行應(yīng)急處理，在鉛合金護套的接地結(jié)構(gòu)上額外加裝臨時分流結(jié)構(gòu)，鉛合金護套加裝的分流結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 鉛合金護套加裝的分流結(jié)構(gòu)示意圖

恢復(fù)送電后，在日負荷最大時對接地電流和鉛合金護套接地結(jié)構(gòu)部位的發(fā)熱狀況進行持續(xù)觀測并做記錄(運行負荷287 MW、環(huán)境溫度13.9 ℃)，最高負荷下的護套接地電流和接地點溫度數(shù)據(jù)觀測結(jié)果見表1。

表1 最高負荷下的鉛合金護套接地電流和接地點溫度數(shù)據(jù)

由表1中數(shù)據(jù)可知：相同負荷下，陸上出線側(cè)的護套接地電流要明顯小于海上出線側(cè)，陸上出線段的線芯電流近似于鉛合金護套和鎧裝接地電流之和，鉛合金護套接地電流約為線芯電流的37%，鎧裝接地電流約為護套接地電流的1.7倍；但在海上出線側(cè)，鎧裝接地電流迅速減小，而三相護套電流分別為線芯電流的66.0%，74.5%和79.0%；鉛合金護套處于海纜的內(nèi)層，靠近主絕緣層，較大的電流在接地結(jié)構(gòu)接觸電阻高的地方持續(xù)性發(fā)熱，產(chǎn)生的高溫易造成海纜護套、主絕緣和防水層損傷；此外，運行中的接地結(jié)構(gòu)測溫結(jié)果均與環(huán)境溫度差異不大。

由表1還可以看出，陸上出線側(cè)與海上出線側(cè)線路的分流比差異較大，海上出線側(cè)的鉛合金護套接地電流遠高于陸上出線側(cè)，因此造成接地結(jié)構(gòu)銜接部位的發(fā)熱現(xiàn)象較為嚴重。另外，海上出線側(cè)鎧裝接地電流較小的原因主要是，海上出線側(cè)鎧裝接地結(jié)構(gòu)通過錨固裝置直接固定在甲板平臺鋼架上，對鎧裝結(jié)構(gòu)接地回路上流經(jīng)的電流起到分流作用，導(dǎo)致海上側(cè)鎧裝層接地電纜僅有小部分接地電流通過。

由于事故海纜的護套接地結(jié)構(gòu)處發(fā)熱嚴重，海陸兩側(cè)均存在相同問題，后期在風(fēng)場停電時，對陸上出線側(cè)進行了與海上出線側(cè)同樣的處理，在海纜護套接地結(jié)構(gòu)上加裝一層分流結(jié)構(gòu)，以消除接地不良的影響。分別對海陸兩側(cè)護套和鎧裝接地電流的分流比進行分時測量復(fù)核(海陸兩端數(shù)據(jù)采取分時測量，因此測得負荷電流數(shù)據(jù)不同)，A相海陸兩端接地結(jié)構(gòu)電流分流比復(fù)核數(shù)據(jù)見表2。

表2 A相海陸兩端接地結(jié)構(gòu)電流分流比復(fù)核數(shù)據(jù) A

由表2可知，海上出線側(cè)的鉛合金護套接地電流占比降低至63.5%，而陸上出線側(cè)的鉛合金護套接地電流占比提升至39.7%。由于加裝了分流結(jié)構(gòu)，增加了鉛合金護套與接地線的接觸面積，一定程度上改善了接地點處的接觸電阻。因此，可以推斷，由于加裝的分流結(jié)構(gòu)起到分流作用，承擔(dān)了一部分護套接地電流，使得流經(jīng)壓接端子處的接地電流減小，一定程度降低了壓接端子處因接觸電阻導(dǎo)致的發(fā)熱功率。

綜上所述，在鉛合金護套上加裝的分流結(jié)構(gòu)對護套接地電流起到一定程度的降低作用，還可有效分擔(dān)部分應(yīng)由事故中原有的接地抱箍部位流出的接地電流，避免了該接地結(jié)構(gòu)因局部過熱導(dǎo)致電纜主絕緣出現(xiàn)電氣事故。

2 電纜仿真模型

2.1 電纜模型的建立

目前，國內(nèi)部分220 kV海上風(fēng)電(如江蘇省內(nèi)3座220 kV海上風(fēng)場)及500 kV項目(如國內(nèi)的舟山、海南連島工程等)均采用單芯纜敷設(shè)方式。發(fā)生事故的海上風(fēng)電場采用220 kV海底光電復(fù)合電纜，長度為23.3 km，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

1—水銅導(dǎo)體；2—半導(dǎo)電導(dǎo)體包帶；3—基礎(chǔ)導(dǎo)體屏蔽；4—XLPE絕緣層；5—半導(dǎo)電絕緣屏蔽層；6—緩沖阻水層；7—金屬護套；8—非金屬護層；9—光單元填充層；10—光纖單元；11—鎧裝墊層；12—鎧裝鋼絲；13—PP外被層；14—銅絲

海纜長期浸泡在海底，護套和鎧裝之間的填充層和墊層被海水浸入，由于海水具有良好的導(dǎo)電性，使得護套和鎧裝層之間聯(lián)結(jié)在一起，類似于護套和鎧裝層全線接地[17]。海纜護套和鎧裝上的環(huán)流是均勻分布的，可將其等效為π型電路模型[18]，高壓單芯海纜的三導(dǎo)體等值電路見圖4。

圖4 高壓單芯海纜的三導(dǎo)體等值電路

π型等值模型將線路作為集中參數(shù)處理，并等值為一個π型電路，能近似地反映較短線路的工頻特性[19]。電纜3個導(dǎo)體之間存在互感，線芯通過電流時，護套和鎧裝上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；線芯和護套之間的主絕緣完好，因此這兩個導(dǎo)體之間也會通過電容電流，而護套和鎧裝之間為半導(dǎo)電材料和海水，可等效為層間電容和漏電阻的并聯(lián)。

海纜的相關(guān)材料參數(shù)見表3和表4。

表3 海纜的導(dǎo)體材料參數(shù)

表4 海纜的介質(zhì)層材料參數(shù)

線芯和護套層間存在屏蔽層、絕緣層和阻水層，護套和鎧裝層間存在屏蔽層和填充層，將上述海纜參數(shù)導(dǎo)入ATP-EMTP的Cable Constant程序進行計算，得到3個導(dǎo)體單位長度的阻抗和導(dǎo)納矩陣。

2.2 接地電阻對電流和損耗的影響

海上升壓站至陸上升壓站的海纜敷設(shè)情況復(fù)雜，其示意圖見圖5。

圖5 海上升壓站至陸上升壓站的海纜敷設(shè)示意圖

海纜在此間分別經(jīng)過海上升壓站平臺、海水、海床、登陸段、陸上升壓站。海纜護套在海上升壓站GIS側(cè)接地良好，鎧裝層專用接地裝置位于一層甲板上，海纜垂直進入海底后埋入海床底部約2 m處，陸上出線側(cè)海纜登陸后鎧裝層中的部分低碳鋼絲更換為銅絲，經(jīng)過一段距離后剝離鎧裝并接地，海纜護套外半導(dǎo)層在對地絕緣包扎后進入陸上GIS升壓站內(nèi)，并保持接地良好。

目前，國內(nèi)海纜均采用在兩側(cè)護套和鎧裝各自直接接地的方式。當(dāng)接地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)接地點部件松動或銹蝕導(dǎo)致接觸不良時，接觸電阻變大，對金屬層間接地電流分配及單個接地回路上的損耗分布產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將海纜按實際敷設(shè)情況進行分段建模，根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 621《交流電氣裝置的接地》[20]，設(shè)定升壓站的接地電阻為0.5 Ω。海纜電流仿真模型見圖6，圖6中標(biāo)注的數(shù)字為線芯、護套和鎧裝層分別流經(jīng)的電流量。

圖6 海纜電流仿真模型圖

由于海上升壓站的運行環(huán)境惡劣，空氣濕度和鹽霧含量較大，對暴露于平臺上的絕緣結(jié)構(gòu)、金屬連接部件的腐蝕危害嚴重，易造成接地相關(guān)結(jié)構(gòu)的墊層、連接部位發(fā)生腐蝕，出現(xiàn)與甲板表面接觸不良的現(xiàn)象。據(jù)此在仿真模型中設(shè)置海上側(cè)護套和鎧裝接地結(jié)構(gòu)處的接觸電阻為Rcs和Rca。護套和鎧裝電流分布見圖7。

圖7 護套和鎧裝電流分布

由圖7可以看出，當(dāng)海上出線側(cè)的接地結(jié)構(gòu)連接部件存在不同接觸電阻時，海纜護套和鎧裝電流的分布特性有明顯的差異。若護套和鎧裝接地良好(Rcs=Rca=0 Ω)，海底電纜兩端的護套接地電流約為272.8 A，比中間段的護套接地電流略高，而兩端鎧裝接地電流為444.9 A，比中間段的護套接地電流略低，但總體呈均勻分布。若海上出線側(cè)護套接地連接部件產(chǎn)生接觸電阻，隨著接觸電阻的增大，海上出線側(cè)和電纜中間段的護套電流減小、鎧裝電流增大；而當(dāng)海上出線側(cè)鎧裝接地連接部件產(chǎn)生接觸電阻時，隨著接觸電阻的增大，海上側(cè)護套電流明顯增大，增大幅度沿著海上出線側(cè)至陸上側(cè)逐漸減?。煌瑯?，隨著接觸電阻的增大，海上出線側(cè)鎧裝電流明顯減小，鎧裝電流減小幅度沿著海上出線側(cè)至電纜中段迅速減小，而在電纜中段至陸上出線側(cè)電流一定程度地增大。

接地結(jié)構(gòu)處護套和鎧裝的接地電流主要受兩者接地回路電阻(包含接觸電阻)的比值影響。護套的接地電流增大，其對應(yīng)的護套發(fā)熱損耗也隨之增大。正如此次現(xiàn)場事故，由于護套位于海纜內(nèi)部，且緊挨著主絕緣，當(dāng)護套發(fā)熱嚴重時，存在事故隱患，因此，需要在現(xiàn)場設(shè)置可靠的接地結(jié)構(gòu)，避免接地結(jié)構(gòu)因電流失配引起護套接地電流和發(fā)熱損耗上升，進而導(dǎo)致事故發(fā)生。

3 接地方式的改善

3.1 現(xiàn)場缺陷建模

海上出線側(cè)海纜鎧裝接地結(jié)構(gòu)直接裝置于甲板上，由于運行環(huán)境的空氣濕度和鹽霧含量較大，鎧裝接地結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生銹蝕，海上升壓站平臺甲板面鎧裝接地結(jié)構(gòu)見圖8。

此次現(xiàn)場事故中，海上出線側(cè)護套接地回路的電流較大(運行負荷287 MW，A相護套接地電流479 A，鎧裝接地電流31 A)。護套和鎧裝接地電流分流比主要受護套和鎧裝接地回路電阻的匹配情況影響，分析事故原因可能是護套和鎧裝的接地回路電阻發(fā)生以下變化：猜測情況一：鎧裝接地結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸部位的銹蝕，接觸電阻急劇增大，并且海底電纜鎧裝鋼絲與甲板間的絕緣墊層出現(xiàn)破損，鎧裝鋼絲與甲板發(fā)生不良接觸；猜測情況二：情況一發(fā)生的同時，海底電纜海上出線側(cè)鎧裝接地結(jié)構(gòu)下游部分的鎧裝與金屬護套結(jié)構(gòu)發(fā)生局部短接。

對海上出線側(cè)缺陷模型進行仿真，甲板分流電阻為4個5 Ω電阻并聯(lián)，在接觸不良的情況下，鎧裝的接地回路電阻設(shè)置為1.11 Ω。海上出線側(cè)現(xiàn)場缺陷情況建模見圖9，圖9中標(biāo)注的數(shù)字為線芯、金屬護套和鎧裝層分別流經(jīng)的電流量。

圖9 海上側(cè)現(xiàn)場缺陷情況建模

由圖9可以看出，若僅受甲板分流和鎧裝接地回路電阻變大的影響，海上出線側(cè)的金屬護套接地電流增大不明顯，僅從272.8 A增大為350.3 A，海上側(cè)的鎧裝接地電流為38.17 A；若再發(fā)生半導(dǎo)電層破損，金屬護套和鎧裝局部短接，則護套電流迅速增大，變?yōu)?89.9 A，鎧裝電流減小為24.89 A，與事故后的實測數(shù)據(jù)相符。

猜測情況二仿真模擬的海上出線側(cè)鎧裝因與甲板的絕緣隔離破損接地結(jié)構(gòu)多點接地，以及金屬護套、鎧裝在該結(jié)構(gòu)下游某處短接時，電流分布在護套、鎧裝接地層間發(fā)生明顯變化，金屬護套接地電流急劇上升，而鎧裝接地電流急劇下降。由分析可知，接地回路電阻匹配情況對金屬護套和鎧裝接地電流分流比起決定作用。發(fā)生該現(xiàn)象的主要原因在于，短路后的半導(dǎo)電層通道使金屬護套和鎧裝電流在該部分實現(xiàn)了再分配。因此，仿真模擬結(jié)論顯示，此次事故發(fā)生的原因與猜測二的情況相符。

3.2 接地方式的改善方案

此次海上風(fēng)電現(xiàn)場發(fā)生的主絕緣擊穿事故是由于護套接地結(jié)構(gòu)上流過的電流過大，導(dǎo)致接地結(jié)構(gòu)處過熱引起的，而陸纜通常采用將護套一端經(jīng)護層電壓限制器(SVL)接地的方式限制金屬護套接地電流[21]。因此，將現(xiàn)場的接地方式參考陸纜進行改善，在海陸兩側(cè)的鎧裝接地處將護套和鎧裝互聯(lián)后再接地，將金屬護套的末端經(jīng)SVL接地，改善接地方式后的仿真模型和接地電流見圖10。

圖10 改善接地方式后的仿真模型和接地電流

從改善后的接地電流分布可以看出，在金屬護套接地結(jié)構(gòu)處加裝SVL，并在鎧裝接地結(jié)構(gòu)處將金屬護套和鎧裝互聯(lián)，使得金屬護套接地結(jié)構(gòu)的接地回路電阻遠遠大于鎧裝接地結(jié)構(gòu)的接地回路電阻，因此感應(yīng)電流基本上從互聯(lián)接地點處入地。由于金屬護套和鎧裝互聯(lián)接地處的散熱情況良好，只需要保障短接線接觸良好，即可有效遏制因現(xiàn)場接地缺陷導(dǎo)致的金屬護套電流提升。

另外，根據(jù)GB/T 50217—2018 《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》[22]中關(guān)于電纜金屬護套感應(yīng)電壓的要求，規(guī)定“金屬護套感應(yīng)電壓不得大于300 V”。若出現(xiàn)鎧裝接地不良和半導(dǎo)電層破損的故障情況時，接地點的對地電壓可能會升高，易造成設(shè)備及人身傷害，但通過金屬護套接地結(jié)構(gòu)處加裝SVL保護等措施，可將其電壓限制在300 V以下。雖然金屬護套結(jié)構(gòu)接地電流有所提升，但相比于事故情況(金屬護套電流遠大于鎧裝電流)，采取改善措施后的感應(yīng)電流仍主要通過鎧裝層。因此，在兩端金屬護套接地結(jié)構(gòu)加裝SVL，并且在鎧裝接地結(jié)構(gòu)處改善金屬護套和鎧裝互聯(lián)接地的方式，采取增加接觸冗余的可靠手段，進一步增加該處接地結(jié)構(gòu)的可靠性，防止接觸不良或多點接地的情況發(fā)生，起到預(yù)防類似事故發(fā)生的作用。

4 結(jié)束語

本工作通過一起220 kV海上風(fēng)電場海纜接地結(jié)構(gòu)缺陷引起的主絕緣擊穿的案例，結(jié)合仿真結(jié)果分析了金屬護套和鎧裝接地回路電阻對海纜電流分布的影響。主要結(jié)論如下：

(1)金屬護套接地結(jié)構(gòu)接觸不良，影響金屬護套、鎧裝電流分配，使得金屬護套接地電流變大是引起海上升壓站護套接地結(jié)構(gòu)壓線端子發(fā)熱的主要原因。因此，海纜接地附件選型時應(yīng)優(yōu)先采用可靠且允許長時間流經(jīng)大電流的接地結(jié)構(gòu)，可有效分流金屬護套接地電流，使缺陷點發(fā)熱功率降低，以減小電纜絕緣局部受熱損傷的可能。

(2)海底電纜的總接地電流大小主要與線芯負荷有關(guān)，但在海底電纜雙層接地結(jié)構(gòu)中，接地回路的電阻越大，該層的接地電流就越??；在直接接地系統(tǒng)中，金屬護套和鎧裝中流過的接地電流分配主要受兩者接地回路電阻(包含接觸電阻)匹配的影響。

(3)經(jīng)現(xiàn)場事故分析和仿真驗證，認為造成金屬護套接地結(jié)構(gòu)發(fā)熱故障的主要原因是，海上平臺鎧裝接地結(jié)構(gòu)內(nèi)部失效以及海纜鎧裝接地結(jié)構(gòu)下段海纜內(nèi)部出現(xiàn)半導(dǎo)電層破損缺陷，造成金屬護套和鎧裝電流在該處提前接地再分配，進而導(dǎo)致了金屬護套接地電流的急劇增大。

(4)采用海底電纜登陸段海陸兩側(cè)金屬護套和鎧裝互聯(lián)接地及護套經(jīng)護層電壓限制器接地的方式，可改善海底電纜登陸段的接地電流情況，并且有效限制登陸段接地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的電壓提升，具有較好的抑制登陸段接地缺陷造成電流變化能力。

本工作可為220 kV及以上的海上風(fēng)電場單芯海纜接地結(jié)構(gòu)的設(shè)計及接地方式的選擇提供相應(yīng)的工程指導(dǎo)。