一起35 kV開關(guān)柜電纜終端故障案例分析

張德文，張 朋，胡曉旭，魏新宇， 徐嘉明，張光中

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司檢修公司，哈爾濱 150090；3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司大興安嶺供電公司，黑龍江 加格達(dá)奇 165000；4.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司牡丹江供電公司，黑龍江 牡丹江 157000)

0 引 言

電力電纜運行故障率相對較低，具有占用輸電通道空間小、能適應(yīng)多種復(fù)雜敷設(shè)環(huán)境等優(yōu)點，是變電站及大容量電能輸入城市負(fù)荷中心最常用的輸電方式[1-2]。分析電力電纜運行故障原因和故障發(fā)展過程有助于改善和提升高壓電纜線路運維水平，可以在一定程度上有效杜絕類似事故再次發(fā)生。但由于部分安裝人員對高壓電纜及其附件安裝、使用要求認(rèn)識不夠，導(dǎo)致發(fā)生很多工藝問題。該文選取一起典型電纜終端故障作為案例，深入分析故障成因及其發(fā)展過程，并對故障分析的方法和要點進(jìn)行探討。

1 故障基本情況

2021年2月19日15時14分，某變電站后臺顯示35 kV 1號母線B相電壓降低，A、C相電壓升高。15時15分，318開關(guān)出現(xiàn)分閘變位，后臺顯示318開關(guān)共發(fā)生11次分、合閘變位，主控室內(nèi)火災(zāi)報警主機警鈴響起(35 kV高壓室火警)。15時18分，檢查發(fā)現(xiàn)35 kV高壓室318開關(guān)柜處有火光，室內(nèi)充滿濃煙，可聽到開關(guān)分、合聲響。15時20分，將35 kV低容低抗無功控制方式軟壓板退出，值班人員依次拉開311、312及3501開關(guān)，切除故障設(shè)備電源。35 kV 1號母線運行情況如圖1所示。

圖1 35 kV 1號母線運行情況

1.1 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查35 kV 1號電抗器318開關(guān)柜發(fā)現(xiàn)有損壞痕跡，后柜門外側(cè)有明顯燒傷發(fā)黑痕跡、柜體觀察窗破損。打開318開關(guān)柜后柜門，發(fā)現(xiàn)318開關(guān)柜內(nèi)電抗器側(cè)B相外側(cè)電纜接頭絕緣擊穿，絕緣材料、屏蔽材料均已燒融；各電纜與避雷器間連線燒損斷裂，B相避雷器部分外絕緣燒損；柜內(nèi)各電纜、避雷器、連接金具表面均有明顯熏黑燒灼痕跡；柜內(nèi)所有絕緣罩均已燒熔脫落，詳見圖2。

圖2 318開關(guān)柜內(nèi)部

1.2 保護動作情況分析

35 kV 1號電抗器保護不具有獨立故障錄波器，專業(yè)人員對綜合51B主變錄波器低壓側(cè)錄波圖形進(jìn)行現(xiàn)場分析，發(fā)現(xiàn)15時14分36秒732毫秒時，51B主變錄波器啟動顯示B相電壓降低，A、C兩相電壓升高且低壓側(cè)三相電流平衡，判斷此時B相出現(xiàn)單相故障情況。

35 kV 1號電抗器保護首次跳閘為15時15分17秒850毫秒，最大電流“Imax為14.37 A”，滿足I段過流保護動作定值4.2 A。提取保護裝置內(nèi)部錄波情況時，發(fā)現(xiàn)僅能保存最近8次動作波形及后8次保護動作情況顯示，投入時刻即發(fā)生兩相短路，約5～23 ms后發(fā)展為三相短路。提取15時18分57秒769毫秒動作波形，確認(rèn)故障電流IA為13.12 A，IB為18.55 A，IC為13.81 A，均滿足過流保護動作要求，保護裝置線電壓UAB為47.6 V，UBC為3.8 V，UCA為45.8 V，經(jīng)5 ms后電壓均降低為0。

2 故障原因分析

依據(jù)GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：35 kV系統(tǒng)當(dāng)單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式；當(dāng)電流大于10 A且需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式。為了能夠估算弧光接地過電壓的幅值，對35 kV的系統(tǒng)電容電流進(jìn)行了計算。該系統(tǒng)中的各支路均為電纜線路，計算過程如下。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊：一次部分》計算該35 kV系統(tǒng)電容電流，具體過程如下：

(1)

C=KL

(2)

式中：UC為電容兩端的電壓，V；ω為角頻率，rad/s；L為電纜長度,m。

通過參考廠家提供的數(shù)據(jù)，K取值為0.21。

考慮到變電所的增加部分后，電容電流為：

(3)

此外，在故障發(fā)生當(dāng)日電能質(zhì)量監(jiān)測平臺采集到的諧波電流約為4.3 A。

所以，35 kV系統(tǒng)總的電容電流為

(4)

因此，得到總的電容電流為8.863 A。該數(shù)值接近規(guī)程中規(guī)定的10 A。通過參考間歇性弧光接地過電壓故障的相關(guān)文獻(xiàn)、工頻熄弧理論及故障實例，證明當(dāng)電容電流在幾安至數(shù)百安的范圍內(nèi)能產(chǎn)生間歇性弧光接地過電壓，電弧的燃弧狀況與恢復(fù)電壓、外界氣象條件以及電弧部位介質(zhì)等多種因素有關(guān)，規(guī)程中給定值10 A是常態(tài)下的經(jīng)驗值[3-4]。

結(jié)合上述情況分析，35 kV 1號電抗器保護首次動作前，已發(fā)生B相電壓降低，此時存在單相接地電容電流，產(chǎn)生弧光接地過電壓。發(fā)生間歇性弧光接地時，由于不穩(wěn)定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會引起高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓幅值可達(dá)3.15～3.5倍相電壓，這種過電壓是由于系統(tǒng)對地電容上電荷多次不斷的積累和重新再分配形成的，是斷續(xù)的瞬間發(fā)生的且幅值較高的過電壓。如果接地電流在高頻過零點熄弧或在電壓接近最大值時發(fā)生擊穿，這一過電壓將會更高[5-7]。

3 電纜終端解剖分析

經(jīng)查驗電纜試驗報告，該電纜交接交流耐壓試驗及絕緣電阻測試均符合要求。為準(zhǔn)確判斷電纜終端故障情況，將全部三相9只電纜終端頭進(jìn)行解體分析，認(rèn)定發(fā)生電纜故障原因如下。

1)電纜現(xiàn)場解體C相電纜，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)電屏蔽層與護套搭接部位不緊密，存在縫隙，導(dǎo)致電場不均勻，極易發(fā)生局部放電，如圖5所示。

圖5 C相半導(dǎo)電屏蔽層搭接實拍圖

2)經(jīng)現(xiàn)場解體后實測，B相電纜半導(dǎo)電屏蔽層長度為58 mm，C相電纜半導(dǎo)電屏蔽層長度為28 mm，均不符合電纜終端頭安裝工藝指導(dǎo)書15 mm的要求，如圖6所示。

圖6 B、C相半導(dǎo)電層測量實拍圖

3)現(xiàn)場解體發(fā)現(xiàn)，B相故障電纜半導(dǎo)電屏蔽層及銅帶屏蔽層表面存在較多碎屑，在解剖A相電纜時也發(fā)現(xiàn)相同碎屑，經(jīng)萬用表測試為金屬材料，如圖7所示。

圖7 A、B相電纜終端碎屑實拍圖

此外，在318開關(guān)頻繁操作投切電抗器過程中，產(chǎn)生3倍左右的截流過電壓，電纜終端頭遭受多次截流過電壓及弧光過電壓雙重沖擊，直至電纜B相終端頭一側(cè)全部燒損。

通過以上分析，最終確認(rèn)故障原因為電纜終端頭安裝工藝控制不良。

4 結(jié) 語

通過對一起35 kV開關(guān)柜電纜終端故障案例分析，得出故障原因為電纜終端頭安裝工藝控制不到位。建議適當(dāng)增加電纜線路紅外測溫、局部放電檢測頻次，必要時可通過技術(shù)改造等手段安裝局部放電在線監(jiān)測裝置，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

重新整定35 kV系統(tǒng)部分的繼電保護裝置，使其能在單相接地故障發(fā)生后迅速查找故障點并切除故障電路。

在進(jìn)行高壓電纜故障分析時，應(yīng)綜合考慮故障時刻電流、電壓錄波信息，電纜線路敷設(shè)情況，電纜和附件的配合尺寸、安裝要求，并依據(jù)電纜線路投運時以及現(xiàn)行的檢測標(biāo)準(zhǔn)對電纜及其附件的性能進(jìn)行檢測分析，有助于及時發(fā)現(xiàn)故障成因。