劉天作，馬加夫，趙文詩(shī)

(1.國(guó)網(wǎng)河南電力直流運(yùn)檢分公司，河南 鄭州 450000；2.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

特高壓直流輸電技術(shù)具有輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)、控制性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電能遠(yuǎn)距離傳輸及區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)中發(fā)揮了重要作用[1-3]。接地極是特高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，主要起到提供大地回流通路、建立系統(tǒng)電壓參考點(diǎn)等作用，其在單極大地返回運(yùn)行時(shí)擔(dān)負(fù)著鉗制中性點(diǎn)電位以及為入地電流提供返回通路的任務(wù)，因此直流接地極及其引線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)與直流輸電運(yùn)行可靠性密切相關(guān)[4-8]。

1 接地極入地電纜概述

某特高壓換流站為直流輸電工程的整流站，設(shè)計(jì)額定電壓±800 kV、額定電流6250 A、額定功率為10 000 MW，雙極4個(gè)閥組，接地極址距離換流站約40 km，采用站外水平環(huán)形接地極[9]，即通過(guò)架空線(xiàn)送到接地極的系統(tǒng)電流由導(dǎo)流線(xiàn)將電流分成若干支路導(dǎo)入接地極極環(huán)，極環(huán)布置采用同心雙圓環(huán)水平敷設(shè)，內(nèi)環(huán)半徑為330 m，外環(huán)半徑為435 m，導(dǎo)流電纜采用直埋方式與極環(huán)的多個(gè)長(zhǎng)度為1.5 m的入地饋電棒通過(guò)放熱焊接連接，將系統(tǒng)電流泄入大地。接地極電纜編號(hào)為1-36，如圖1所示。

圖1 極環(huán)導(dǎo)流電纜編號(hào)

從接地極匯流管母上連接至內(nèi)環(huán)的電纜共12根，分別為圖2中編號(hào)1、2、5、6、13、18、19、20、23、24、31、36的電纜。6號(hào)與24號(hào)電纜為2根并聯(lián)接地電纜，18號(hào)與36號(hào)為2根并聯(lián)接地電纜。18號(hào)與24號(hào)電纜可以看作1根電纜的兩端，6號(hào)與36號(hào)電纜可以看作1根電纜的兩端。連接內(nèi)環(huán)的每根電纜長(zhǎng)度基本相同，均在1500 m左右，其一端連接在管母上，編號(hào)分別為1、2、5、6、13、18；另一端也連接在管母上，編號(hào)分別為31、23、20、36、19、24。6號(hào)與24號(hào)電纜并聯(lián)入地，走向相同，經(jīng)過(guò)1/3圓弧后，返回地面，與18號(hào)與36號(hào)電纜形成并行電纜，這2根并聯(lián)電纜本體在地下時(shí)彼此靠近并進(jìn)行多次短接，即將2根并聯(lián)電纜在相同的位置剖皮，對(duì)2處裸露銅芯進(jìn)行放熱焊接，焊接點(diǎn)再連接至內(nèi)環(huán)饋電棒，這2根電纜互為備用。其他4根電纜的處理方式類(lèi)似，分別形成2個(gè)1/3圓弧。內(nèi)環(huán)饋線(xiàn)電纜配對(duì)的情況如表1所示。

圖2 饋線(xiàn)電纜編號(hào)對(duì)應(yīng)圖

表1 內(nèi)環(huán)饋線(xiàn)電纜配對(duì)情況

2 電纜故障情況

在某日進(jìn)行大負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，該換流站運(yùn)行方式為極Ⅰ低端單閥組大地回線(xiàn)方式，最低輸送功率600 MW，最高輸送功率為2625 MW，當(dāng)日直流系統(tǒng)輸送負(fù)荷曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 大負(fù)荷期間功率曲線(xiàn)

在大負(fù)荷試驗(yàn)期間對(duì)接地極內(nèi)設(shè)備分3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行紅外測(cè)溫及入地饋線(xiàn)電纜電流測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)接地極24號(hào)入地饋線(xiàn)電纜存在分流偏小，約為其他相同工況電纜電流值的1/10，而溫升存在偏大現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)對(duì)36根饋線(xiàn)電纜檢查和測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，確認(rèn)24號(hào)饋線(xiàn)電纜存在故障現(xiàn)象。具體檢查結(jié)果如表2所示，紅外測(cè)溫圖譜如圖4所示。

表2 饋線(xiàn)電纜3次檢查情況

圖4 24號(hào)饋線(xiàn)電纜紅外測(cè)溫圖譜

3 故障電纜檢查及處理

檢修人員首先對(duì)24號(hào)饋線(xiàn)電纜的接頭進(jìn)行力矩檢查與接觸電阻測(cè)量，結(jié)果均正常，初步判斷為24號(hào)電纜本體出現(xiàn)斷裂或中間段接觸不良；為進(jìn)一步分析，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)24號(hào)電纜開(kāi)展回路電阻檢查，使用的試驗(yàn)儀器及設(shè)備為HLY型回路電阻測(cè)試儀、萬(wàn)用表和鉗形表。

3.1 回路電阻檢查

分析入地饋線(xiàn)電纜的連接方式后，檢修人員通過(guò)對(duì)匯流管母與連接內(nèi)環(huán)的電纜接頭進(jìn)行改接線(xiàn)，將測(cè)量電流偏小的電纜，與1條測(cè)量正常的電纜，形成測(cè)量回路，通過(guò)測(cè)量這2條電纜形成的回路電阻，并與另2條正常電纜的回路電阻進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判斷測(cè)量電流偏小的電纜是否存在異常。通過(guò)測(cè)試儀對(duì)回路進(jìn)行注流，使用鉗形表核對(duì)測(cè)試儀的電流，使用萬(wàn)用表測(cè)量回路電壓，電壓/電流測(cè)量回路電阻結(jié)果如表3所示。

結(jié)合回路電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下。

a.第1組、2組數(shù)據(jù)為24號(hào)電纜分別與18號(hào)、36號(hào)電纜的組合；第3組、4組數(shù)據(jù)為6號(hào)電纜分別與18號(hào)、36號(hào)電纜的組合。因?yàn)?8號(hào)電纜與24號(hào)電纜是共同入地的電纜兩端組合，在24號(hào)電纜出現(xiàn)故障而6號(hào)電纜無(wú)故障時(shí)，這2條電纜的電阻對(duì)比有可能直接反映出問(wèn)題。第1組、2組、3組、4組的電阻數(shù)據(jù)十分接近，均為0.095 Ω左右，說(shuō)明24號(hào)電纜與6號(hào)電纜的地下部分無(wú)差別，而電纜長(zhǎng)度為1500 m左右，測(cè)量的電阻結(jié)果與電纜長(zhǎng)度較為符合，可以初步判斷24號(hào)、6號(hào)、18號(hào)、36號(hào)電纜未出現(xiàn)斷裂或接觸不良等故障。

b.第5組數(shù)據(jù)的回路電阻為0.061 Ω，與地下電纜的長(zhǎng)度符合。作為對(duì)比測(cè)量另一弧段上相同接線(xiàn)方式的2個(gè)電纜組合，即第6組數(shù)據(jù)0.06 Ω(5號(hào)和23號(hào)電纜)，可見(jiàn)在不同弧段的2種接線(xiàn)方式下，24號(hào)、6號(hào)的回路電阻與5號(hào)、23號(hào)回路電阻十分接近，同樣可以判斷24號(hào)與6號(hào)電纜未出現(xiàn)斷裂或接觸不良等故障。

c.第7組、8組數(shù)據(jù)，是24號(hào)電纜與其他弧段上電纜回路電阻測(cè)量結(jié)果；第9組、10組數(shù)據(jù)是6號(hào)電纜與其他弧段上電纜回路電阻測(cè)量結(jié)果。第7組、8組電阻數(shù)據(jù)為0.088 Ω，說(shuō)明24號(hào)電纜與另一個(gè)弧段的不同電纜之間電阻差別不大；第9組、10組數(shù)據(jù)為0.087 Ω，說(shuō)明6號(hào)電纜與該弧段的不同電纜之間電阻差別不大，說(shuō)明24號(hào)電纜與6號(hào)電纜未出現(xiàn)斷裂或接觸不良等故障。

通過(guò)以上回路電阻測(cè)量數(shù)據(jù)分析，可以排除24號(hào)電纜出現(xiàn)斷裂或接觸不良等故障。而大負(fù)荷試驗(yàn)期間，在大電流注流時(shí)，24號(hào)電纜電流為26.5 A，6號(hào)電纜電流為171 A，6號(hào)電纜電流為24號(hào)的6.5倍，在正常情況下這2根導(dǎo)流電纜電流應(yīng)無(wú)明顯較大差別。

3.2 注流試驗(yàn)檢查

在24號(hào)電纜與導(dǎo)流管母的接頭接觸良好、電纜本身又未發(fā)生斷裂或接觸不良的情況下，檢修人員對(duì)36根電纜進(jìn)行注流試驗(yàn)，注入電流26 A。

檢修人員將36根電纜全部接回管母，將設(shè)備電源的正極連接在管母上，負(fù)極連接在接地極設(shè)備區(qū)地網(wǎng)。試驗(yàn)時(shí)電流從管母流向36根電纜，然后流至接地極內(nèi)環(huán)，通過(guò)土壤流向設(shè)備區(qū)地網(wǎng)，最后回到電源。檢查時(shí)用鉗形表對(duì)24號(hào)電纜進(jìn)行電流測(cè)量，在該電纜護(hù)套部分測(cè)到7.5 A電流，而其他電纜電流為0.1～3 A。對(duì)24號(hào)導(dǎo)流電纜的電纜本體與電纜接頭引出的銅接地帶分別進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)接地帶上流過(guò)26 A電流，而本體上流過(guò)-18.5 A電流，兩者相加為7.5 A電流。

導(dǎo)流電纜的熱縮護(hù)套包裹了電纜本體與接地線(xiàn)，護(hù)套上方連接管母，下方分成本體與接地線(xiàn)2部分，接地線(xiàn)延伸1 m左右，連接到構(gòu)架上，構(gòu)架與地網(wǎng)連接。結(jié)合第1次注流試驗(yàn)情況，檢修人員將該電纜的接地線(xiàn)與構(gòu)架分離并絕緣，再次進(jìn)行注流試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行注流，回路中無(wú)電流。將接地線(xiàn)接回構(gòu)架，又可檢測(cè)到電流，注流設(shè)備功率為700 W，正常情況下無(wú)法對(duì)管母注流再通過(guò)地網(wǎng)回流。

通過(guò)以上2次注流試驗(yàn)，初步判斷24號(hào)電纜的銅接地線(xiàn)(或金屬鎧裝)與電纜線(xiàn)芯發(fā)生短接，導(dǎo)致電流從管母流經(jīng)24號(hào)電纜線(xiàn)芯、短路點(diǎn)、24號(hào)電纜金屬鎧裝、24號(hào)電纜銅接地帶、構(gòu)架、地網(wǎng)，直接回到了設(shè)備負(fù)極，構(gòu)成1個(gè)金屬回路，形成環(huán)流。當(dāng)斷開(kāi)銅接地線(xiàn)與構(gòu)架的連接，設(shè)備無(wú)法將電流從電纜本體注入到極環(huán)再通過(guò)大地回到地網(wǎng)上，因此無(wú)法測(cè)到電流。

3.3 故障處理

該換流站接地極導(dǎo)流電纜為交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套粗鋼絲鎧裝電力電纜，最高耐受電壓6 kV(大負(fù)荷試驗(yàn)期間每根導(dǎo)流電纜耐受電壓理論上不大于3 kV)。電纜結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5 電纜結(jié)構(gòu)平面圖

圖6 電纜結(jié)構(gòu)剖面圖

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)24號(hào)電纜路面以上電纜段進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)24號(hào)電纜接頭處線(xiàn)芯與接地帶連接處無(wú)擊穿點(diǎn)，從而分析在電纜其他段的線(xiàn)芯與接地帶連接處發(fā)生擊穿短路，于是繼續(xù)對(duì)24號(hào)電纜出線(xiàn)段至第1處放熱焊點(diǎn)段(路面深埋段)進(jìn)行挖掘，最終在電纜放熱焊點(diǎn)第1處發(fā)現(xiàn)電纜存在明顯的放電點(diǎn)，故障點(diǎn)如圖7所示。

圖7 入地電纜故障點(diǎn)情況

檢修人員在處理放熱焊點(diǎn)短路放電故障前，測(cè)試24號(hào)電纜線(xiàn)芯與接地連接，結(jié)果為導(dǎo)通短路狀態(tài)。經(jīng)過(guò)對(duì)故障點(diǎn)電纜解剖，重新放熱焊接并灌環(huán)氧樹(shù)脂漿液，進(jìn)行細(xì)致絕緣包扎后，再次測(cè)試24號(hào)電纜線(xiàn)芯與接地連接，結(jié)果為不導(dǎo)通?；謴?fù)銅接地帶和電纜接頭線(xiàn)夾力矩，測(cè)量接觸直阻為8 μΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，消除了電纜線(xiàn)芯接地短路故障。

4 故障原因分析

檢修人員對(duì)入地電纜的回路電阻試驗(yàn)、注流試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果分析，判斷24號(hào)電纜的銅接地線(xiàn)(或金屬鎧裝)與電纜線(xiàn)芯發(fā)生短路。由于24號(hào)電纜短路，從接地極線(xiàn)路中流入管母的總電流有2條流通路徑。

路徑1：通過(guò)導(dǎo)流電纜流向接地極極環(huán)的正常流通線(xiàn)路，即匯流管母-36根電纜芯線(xiàn)-接地極極環(huán)饋電棒-土壤-返回系統(tǒng)。

路徑2：通過(guò)24號(hào)電纜短路點(diǎn)及銅接地線(xiàn)(或金屬鎧裝)流向設(shè)備區(qū)接地網(wǎng)的故障流通路徑，即匯流管母-24號(hào)電纜接頭-24號(hào)電纜短路點(diǎn)-金屬鎧裝-24號(hào)電纜銅接地帶-中心設(shè)備區(qū)金屬構(gòu)架-中心設(shè)備區(qū)地網(wǎng)-土壤-返回系統(tǒng)。具體流通路徑如圖8所示。

圖8 電流流通路徑

24號(hào)電纜的銅接地線(xiàn)(或金屬鎧裝)與電纜線(xiàn)芯發(fā)生了短接，導(dǎo)致電流從管母流經(jīng)24號(hào)電纜線(xiàn)芯、短路點(diǎn)、24號(hào)電纜金屬鎧裝、24號(hào)電纜銅接地帶、構(gòu)架、地網(wǎng)，直接回到了設(shè)備負(fù)極，構(gòu)成1個(gè)金屬回路形成環(huán)流，因此導(dǎo)致其溫升較快。銅接地帶的電阻比電纜線(xiàn)芯的電阻大，返回電流產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此24號(hào)電纜溫升高于其他電纜。用鉗形電流表測(cè)試24號(hào)電纜的電流為其線(xiàn)芯電流和銅接地帶電流的向量疊加，而兩者方向相反，因此數(shù)值為兩者之差，導(dǎo)致24號(hào)電纜測(cè)試電流要遠(yuǎn)小于其他電纜。

以上情況導(dǎo)致大負(fù)荷試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，24號(hào)電纜的電流和溫度出現(xiàn)異常。

5 結(jié)語(yǔ)

在大負(fù)荷試驗(yàn)期間，運(yùn)維人員通過(guò)紅外測(cè)溫及電流測(cè)量及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地極24號(hào)入地饋線(xiàn)電纜溫升較大、電流較小的重大缺陷，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析，準(zhǔn)確判斷了該入地饋線(xiàn)電纜故障原因，并及時(shí)有效處理了該缺陷，保障了直流換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免了重大設(shè)備故障及可能引發(fā)的電網(wǎng)事件，為電力企業(yè)減少了可能引起的重大經(jīng)濟(jì)損失。