高 峰 沈獻強 胡順波

（長江電力股份有限公司葛洲壩電廠運行部，湖北 宜昌 443002）

35kV電壓等級的電力電纜線路在配電網(wǎng)中的應(yīng)用隨著城市發(fā)展和社會經(jīng)濟的不斷增長，變得越來越普及，尤其是交聯(lián)聚乙烯等新型材料的應(yīng)用，使得電力電纜在電力工業(yè)發(fā)展中起到重要作用[1]。同時在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的工程問題，也引起了相關(guān)業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。在大型水電站中，35kV電壓等級的電力電纜應(yīng)用也逐步增多，由于電纜線路不僅避免了架設(shè)架空線受到線路走廊的限制，而且可利用電站內(nèi)部電纜走廊作為敷設(shè)路徑，節(jié)省了投資。以葛洲壩水電站為例，35kV電壓等級的電力電纜運行的就有3條，而且線路距離都超過了1000m。其中一條是架空線與電纜混合線，其他是純電纜線路，均采用單芯交聯(lián)聚乙烯電纜。在運行近十年的時間里，有故障記錄的共計十余次。其中以單相接地故障最為多見。

1 故障簡介

葛洲壩電站廠用變 27B接線型式為 Dd12d12，35kV高壓側(cè)采用電纜敷設(shè)至對側(cè)變電站，距離約1300m，單回三根。電纜總用量為1300×3=3900m。每相采用三段（每段420m）電纜，利用中間絕緣接頭方式連接。并在中間絕緣接頭處裝設(shè)兩組屏蔽層交叉互聯(lián)保護系統(tǒng)。電纜兩終端采用屏蔽層經(jīng)接地箱直接接地保護系統(tǒng)[2]。電纜型號（YJV22—1×500 mm2）35kV交聯(lián)聚乙烯單芯電纜。該電纜2003年5月正式投入運行。

在投運兩年后發(fā)生了電纜單相接地故障，當(dāng)時廠用變帶負荷3000kW運行，事故時返回屏發(fā)“27B事故”光字，保護盤上“35kV接地”信號繼電器掉牌，測量顯示27B 35kV側(cè)A、B相電壓為35kV，C相電壓0。在斷開對側(cè)開關(guān)后，故障仍然存在；斷開廠用變高壓側(cè)開關(guān)后，故障消失。隨即檢查聯(lián)絡(luò)電纜，發(fā)現(xiàn)電纜主廊道520m處，電纜C相擊穿經(jīng)電纜橋架接地。檢查發(fā)現(xiàn)在該電纜故障點處。電纜橋架連接螺栓與電纜鋼鎧燒連在一起。電纜外護套200mm燒焦。電纜鋼鎧、銅屏蔽擊穿，電纜內(nèi)護套、主絕緣80mm燒焦碳化。電纜線芯燒斷4根，形成φ20mm的坑。如圖1所示。

圖1 35kV側(cè)C相520m處電纜燒損

2 故障分析

此條 35kV純電纜線路保護配置主保護有：限流速斷、光纖差動；后備保護有：復(fù)合過流，以及過負荷、絕緣監(jiān)視等。由于 35kV系統(tǒng)采用中性點不接地系統(tǒng)，所以事故時只有絕緣監(jiān)視動作發(fā)信報警。在報警信號發(fā)出后1h內(nèi)，將故障隔離避免了事故進一步擴大。

為找出故障原因，防范今后類似故障的發(fā)生，利用ATP-EMTP電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件建模分析。搭建仿真模型如圖2所示。

圖2 35kV電纜單相接地故障仿真電路

表1 35kV護層保護器的伏安特性

根據(jù)故障現(xiàn)場初步分析：①在電纜敷設(shè)時，電纜橋架轉(zhuǎn)彎半徑偏小。電纜在該處與電纜橋架連接螺栓受力接觸，可能使得電纜主絕緣受到局部損傷。②電纜在生產(chǎn)制造過程中，電纜主絕緣存在著局部缺陷隱患。以上兩種原因所產(chǎn)生的電纜主絕緣局部缺陷隱患，又通過了投運前的直流耐壓試驗。該電纜在近兩年運行中，缺陷部位在高電位的作用下，局部放電發(fā)熱逐漸碳化，以致電纜在該處擊穿后，經(jīng)電纜橋架連接螺栓發(fā)生接地故障。仿真時，先讓C相護套與導(dǎo)芯短路，再短路接地，這樣做更符合實際情況。護套與導(dǎo)芯短路用時控開關(guān)K1（0.001s接通）模擬，電纜線芯接地用時控開關(guān)K2（0.005s接通）模擬。

2.1 護套與導(dǎo)芯短路而未接地

若K1接通，K2打開，則短路點的電壓、電流波形如圖3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，護層 J02故障點處在與導(dǎo)芯短路前三相電壓值不超過6V，短路后的C相電壓超過15kV，A相電壓達10kV，B相電壓達5 kV，可知C、A相的護層保護器完全導(dǎo)通，B相保護器部分導(dǎo)通，此時單芯電纜等值電路如圖4所示。

圖3 護套與導(dǎo)芯短路

圖4 電纜等值電路示意圖

此時，電壓和電流呈現(xiàn)高頻振蕩。J02處故障前三相電流為零，故障后 A、B相電流幾乎為零，C相電流最大約為 780A。D02處故障前三相電流為零，故障后 A、B相電流幾乎為零，C相電流維持在1120A左右。如此大的故障電流流經(jīng)故障點同時避雷器部分導(dǎo)通，會產(chǎn)生間歇性的接地電弧，使得電纜主絕緣碳化燒毀，從而導(dǎo)致故障進一步惡化。

2.2 護套與導(dǎo)芯短路并且接地

若 K1、K2接通，則短路點的電壓、電流波形如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，護層 J02故障點護套與導(dǎo)芯短路并且接地后的C相電壓最大只有540V，A相電壓最大約為4.3kV，B相電壓最大約為3.9kV，可知三相護層保護器均未導(dǎo)通，這是由于C相導(dǎo)芯直接接地的原因。此時單芯電纜等值電路如圖6所示。

此時，電壓和電流也呈現(xiàn)高頻振蕩。J02處的故障電流A、B相電流幾乎為零，C相電流從幾安逐漸上升成幾百安，并且有放大的趨勢。D02處故障前三相電流為零，故障后A、B相電流幾乎為零，C相電流從幾安逐漸上升成幾百安，并且有放大的趨勢。如果此時不及時將故障隔離，接地電流所產(chǎn)生的熱量將會灼燒其它相，從而擴大為相間故障，這時線路主保護將動作切除故障，但是此時對電纜造成的損傷難以估計，同時延長了事故搶修時間，造成經(jīng)濟上重大損失。

圖5 護套與導(dǎo)芯短路并且接地

圖6 電纜等值電路示意圖

3 結(jié)論

目前電力電纜在線監(jiān)測技術(shù)還處在逐步推廣時期，現(xiàn)階段要對中低還沒有電網(wǎng)中不接地系統(tǒng)電纜線路發(fā)生單相接地時有更好的防范措施。南京地鐵35kV配電系統(tǒng)采用中性點小電阻接地，當(dāng)電纜單相接地時，保護第一時間切除故障，但是其動作可靠性及保護參數(shù)設(shè)置的正確性有待進一步研究[6]。三峽電站施工電網(wǎng) 35kV配電系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，在母線上安裝XHG消弧裝置，但在實際應(yīng)用中電纜線路單相接地故障還是時有發(fā)生[4]。綜合現(xiàn)有35kV電網(wǎng)電纜線路運行情況，給出如下建議：

1）從仿真分析可得出當(dāng)電纜導(dǎo)芯與護套短路時，將產(chǎn)生較高的電壓，護層保護器很可能導(dǎo)通，建議當(dāng)發(fā)生電纜單相接地故障后，對電纜護層保護器進行試驗，以保證其性能完好。

2）在35kV電網(wǎng)中采用中性點經(jīng)接地小電阻接地方式已經(jīng)成為主流，建議在35kV加裝Z型接地變壓器，對該系統(tǒng)提供一個人工的中性點的三相變壓器，還可附帶地對局部的輔助電網(wǎng)供電。

3）35kV 母線側(cè)保護增設(shè)零序電壓保護[5]，當(dāng)單相接地時及時發(fā)信，為運行人員進行事故處理提供依據(jù)，可防止長時間接地時產(chǎn)生的過電壓使設(shè)備絕緣擊穿，導(dǎo)致故障進一步擴大，保護設(shè)備安全。

[1]江日洪. 交聯(lián)聚乙烯電纜線路[M].北京:中國電力出版社,1997.

[2]GB50217—941電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1995.

[3]Alternative Transients Program (ATP)-Rule Book[M],Canadian/American EMTP User Group, 1987-1998.

[4]楊照榮，樂小建. 35kV電纜接地故障處理及分析[J].電工技術(shù), 2007(10): 58-59.

[5]徐濤,顧黎強,李媛. 35kV 接地電阻失去后系統(tǒng)接地故障分析和保護配置建議[J].上海電力,2010(3):321-324.

[6]宋大治,彺理. 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜單相短路故障分析[J]都市快軌交通, 2009, 22(6):90-92.