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摘要:为提高110kV高压电缆运行稳定性,降低故障发生概率，提高检修效率，文章就一起110kV电缆终端击穿事故,通过结合仿真软件对终端的解剖,分析了电缆故障产生的原因,指出了电缆终端安装工作应重点关注的环节，提出了类似电缆终端问题的隐患排查的措施和试验方法，可供今后电缆线路故障的防治与排查参考。
关键词:电力系统；110KV电缆；线路终端；故障分析
0 引言
电力电缆是电力系统电能的输送通道，电力电缆的工作可靠性，是社会生产的重要保障。其中，110kV电缆输电方式在我国已有20多年的历史,电缆自身的可靠性已大幅提高,但由于电缆终端的电场集中、结构复杂，其中的终端与电缆的连接之处制作的要求很高而且也是必须在现场进行等因素，因此各种的原因就会造成很多的故障总是很频繁的发生，终端头的击穿事故屡见不鲜。故障的发生，一般会造成大面积的、成片的停电事故，影响电网的安全稳定运行，其中直接的或者是间接的经济损失也是很大的。本文就110kV 电缆终端击穿故障分析及处理研究进行了阐述。
1 基本情况
某变电站110千伏Ⅰ线于2011年8月12日投入运行，与110千伏Ⅱ线同塔双回架设。Ⅰ线自变电站GIS至Ⅰ线#1塔为电缆线路，长度为:0.12千米，Ⅰ线#1—#15为架空线路，长度为:2.212千米，导线型号为:2×LGJ-300/40。Ⅰ线#15-鸿超变GIS为电缆线路，长度为:0.847千米，两段电缆型号均为YJLW02-64/110-1*1200，电缆本体及附件由国内一电缆厂家生产。
2014年9月23日17时02分，110kVⅠ线保护动作跳闸，重合不成功。故障相A相，故障测距距变电站0.8千米，见图1。
图1 Ⅰ线故障位置
巡视发现Ⅰ线#4塔中相(A相)、下相(C相)耐张引流线(预绞丝接续)断裂，变电站内Ⅰ1间隔B相(非故障相)电缆终端有击穿放电痕迹。
图2 Ⅰ线单相(A相，#4塔)接地处
2 原因分析
对变电站内Ⅰ线1间隔B相电缆终端、电缆本体、放电通道等进行检查，并对护层保护器进行试验，其原因分析如下。
2.1 故障相电缆终端解体检查、分析
变电站内Ⅰ1间隔B相电缆终端有一处直径约2cm的击穿孔，电缆金属护层有放电时碳化的黑色颗粒污染。现场拆解后发现，电缆绝缘层及外屏蔽层并未击穿。铝套上的击穿点位置为该铝套最窄处。接地箱、接地线未发现异常现象，对护层保护器也进行了测试，试验结果显示护层保护器性能正常，排除了由于保护器造成的2点直接接地情况发生，见图3。
图3 ⅠB相终端铝套上的击穿点位置
2.2 耐张引流线断裂原因
故障时刻前后，新郑地区天气良好，微风，温度26℃，雷电定位系统显示没有落雷记录，故障区段周围未见施工迹象。因此，外力破坏、雷击或者大风异物造成引流线断裂的可能性较小。
#4塔中相(A相)、下相(C相)耐张引流线接续方式采用预绞丝接续，近几年我省通过红外测温，曾发现过线路使用预绞式引流线接续条发热的缺陷，其原因主要有:①安装过程中，导线没有彻底清洁打磨导线表面(去除氧化层)，电阻随之增大，引起发热。②安装过程中没有使用导电脂完全涂抹导线表面，导致导线与预绞丝连接不紧密，长时间运行后发生氧化，电阻随之增大，引起发热。其发热温度高于导线长期允许运行温度70℃。因此，长期高温运行条件下，导致引流线机械强度迅速下降，最终断裂。
2.3 电缆金属护层击穿原因
现场拆解后发现，其放电通道为电缆金属护层对铝套放电，电缆绝缘层未击穿，外观检查发现:铝套击穿位置处的内边沿不平整。从击穿孔情况分析，击穿电流可能在几十安培以上，放电通道击穿原理示意图如图4所示。
图4 放电通道及故障原理示意图
查找该型号电缆及铝套的尺寸设计图，铝套和电缆之间由电缆的外护层及填充物、热塑套组成，经现场复核附件尺寸，发现在铝套凹部内径边沿(击穿点)与内部热塑套紧贴，实际产品无空气间隙，不能满足电气放电强度，从而导致本次电缆终端故障的发生，即Ⅰ1间隔B相终端的铝套存在设计缺陷或与YJLW02-64/110-1*1200型号电缆不匹配是导致本次故障发生的根本原因。更换后的铝套结构已经进行了更改，见图5。
图5 已更换的铝套与老铝套对比
正常运行时，变电站侧的电缆金属护层(故障点附近)会有感应电压(现场实测为20V左右)，图4中所示的回路中仅有微小的杂散电流通过。而当出现两点直接接地时，该回路中的电流可达到线芯电流的50%-95%。
分析认为:Ⅰ线#4塔中相(A相)耐张引流线断裂下垂后对下横担(C相)放电，发生单相接地故障，此时在Ⅰ1间隔B相终端处的电缆金属护层出现过电压，由于故障点处电缆金属护层与铝套之间的绝缘是薄弱点，导致电缆金属护层与铝套(地电位)之间发生放电击穿，即故障相(A相)的接地故障引起的杆塔地电位太升和暂态过电压是导致非故障相(B相)GIS侧电缆终端铝套击穿的诱发因素。
3 仿真计算
针对本次Ⅰ线跳闸事件，利用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件，建立变电站系统仿真模型(见图6)，其中电缆线路及架空输电线路均采用多波阻抗模型，对本次事件过程进行仿真计算。
图6 Ⅰ仿真计算模型
Ⅰ线电缆线路部分采用了单端接地方式，一端接地，即电缆架空线路侧通过连接架空输电线路地线接地；另一端则不接地，并安装过电压保护器型号，其型号参数为:BHQ-7/400武汉雷泰电力技术有限公司，通流容量400A，直流1mA电压4.2kV。
3.1 正常运行
仿真研究Ⅰ线跳闸前，系统稳态运行工况下的电缆护层感应电压。计算结果见图7，可知系统稳态运行时，不接地端三相电缆护层上的感应电压均不超过50V。
图7 不接地端电缆护层感应电压
(红色:A相；绿色:B相；蓝色:C相)
3.2 Ⅰ线A相单相接地短路故障
仿真研究Ⅰ线#4塔A相发生单相接地短路故障。仿真结果见图8。可以看出当系统发生单相短路接地故障时，不接地端电缆护层上的感应电压显著增大，高达4000V左右。
图8 单相短路时不接地端电缆护层感应电压
对电缆护层三相电压的最大值进行比较(见图9)，A相最大值3780V；B相最大值3925V；C相最大值3590V。其中B相感应电压最大，比A相高约150V，比C相感应电压高约350V。
图9 单相短路时不接地端电缆护层感应电压比较
(红色:A相；绿色:B相；蓝色:C相)
由此可知三相感应电压均小于过电压保护器BHQ-7/400的动作电压4200V。故可知当Ⅰ线#4塔A相发生单相接地短路故障时，过电压保护器不动作，与现场实际情况相吻合。故在正常情况下，4000V左右的电压不应该造成电缆金属护层对铝套放电故障。
3.3 电缆金属护层击穿
考虑由于存在设计缺陷或与YJLW02-64/110-1*1200型号电缆不匹配，电缆金属护层与铝套(地电位)间绝缘降低。当系统发生单相接地短路故障时，在感应过电压作用下，电缆金属护层与铝套发生绝缘击穿。计算结果见图10所示。
图10 感应过电压作用下，电缆护层击穿
由仿真结果可以看出，在单相接地故障时电缆不接地端系统承受约4000V感应过电压，导致绝缘击穿。绝缘击穿瞬间电流峰值达到423A，稳态电流约为22.1A。如此大的电流对击穿点产生显著烧蚀。这与现场发现的电缆金属护层与铝套见的击穿孔相吻合。
4 现场局部放电检测
使用高频法，对修复后Ⅰ1间隔B相终端和其余同厂家、同批次共6只110kV电缆终端进行了局部放电现场测试结果对比分析，未见明显符合放电特征信号，B相终端测试结果见图11。
5 结束语
总之，110 kV电缆终端接头状况对供电安全运行是非常重要的，其附件在安装过程中的质量细节控制尤其重要。随着我国社会主义发展对于电力需求的不断的增加，在未来高压电缆的配电网中将会有更大的发展空间。所以，我们应针对每一个重要的环节，制定一套严格的质量控制安装程序,其中包括产品的材料、工艺和安装过程,均应规定严格的质量控制要求，以实现从总体上来控制施工中工程的质量问题。综上，建议积极开展电缆终端的带电监测和红外测温工作；加强设计、技术协议等环节的技术沟通，并加强电缆终端制作过程旁站监督力度，防范产品质量和安装环节存在的安全隐患。
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论文作者:周伟锋
论文发表刊物:《基层建设》2016年24期8月下
论文发表时间:2016/12/2
标签：电缆论文; 终端论文; 故障论文; 过电压论文; 单相论文; 电压论文; 感应论文; 《基层建设》2016年24期8月下论文;