35kV單芯交聯聚乙烯電纜不接地系統單相接地故障仿真分析

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中的應用隨著城市發展和社會經濟的不斷增長，變得越來越普及，尤其是交聯聚乙烯等新型材料的應用，使得電力電纜在電力工業發展中起到重要作用[1]。同時在應用過程中出現的工程問題，也引起了相關業內人士的關注。在大型水電站中，35kV電壓等級的電力電纜應用也逐步增多，由于電纜線路不僅避免了架設架空線受到線路走廊的限制，而且可利用電站內部電纜走廊作為敷設路徑，節省了投資。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高壓側采用電纜敷設至對側變電站，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兩組屏蔽層交叉互聯保護系統。電纜兩終端采用屏蔽層經接地箱直接接地保護系統[2]。電纜型號（YJV22—1×500 mm2）35kV交聯聚乙烯單芯電纜。該電纜2003年5月正式投入運行。

在投運兩年后發生了電纜單相接地故障，當時廠用變帶負荷3000kW運行，事故時返回屏發“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A、B相電壓為35kV，C相電壓0。在斷開對側開關后，故障仍然存在；斷開廠用變高壓側開關后，故障消失。隨即檢查聯絡電纜，發現電纜主廊道520m處，電纜C相擊穿經電纜橋架接地。檢查發現在該電纜故障點處。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：復合過流，以及過負荷、絕緣監視等。由于 35kV系統采用中性點不接地系統，所以事故時只有絕緣監視動作發信報警。在報警信號發出后1h內，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生，利用ATP-EMTP電力系統暫態仿真軟件建模分析。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

根據故障現場初步分析：①在電纜敷設時，電纜橋架轉彎半徑偏小。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，局部放電發熱逐漸碳化，以致電纜在該處擊穿后，經電纜橋架連接螺栓發生接地故障。仿真時，先讓C相護套與導芯短路，再短路接地，這樣做更符合實際情況。護套與導芯短路用時控開關K1（0.001s接通）模擬，電纜線芯接地用時控開關K2（0.005s接通）模擬。

2.1 護套與導芯短路而未接地

若K1接通，K2打開，則短路點的電壓、電流波形如圖3所示。

根據仿真結果，護層 J02故障點處在與導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通，B相保護器部分導通，此時單芯電纜等值電路如圖4所示。

圖3 護套與導芯短路

圖4 電纜等值電路示意圖

此時，電壓和電流呈現高頻振蕩。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故障點同時避雷器部分導通，會產生間歇性的接地電弧，使得電纜主絕緣碳化燒毀，從而導致故障進一步惡化。

2.2 護套與導芯短路并且接地

若 K1、K2接通，則短路點的電壓、電流波形如圖5所示。

根據仿真結果，護層 J02故障點護套與導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通，這是由于C相導芯直接接地的原因。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，造成經濟上重大損失。

圖5 護套與導芯短路并且接地

圖6 電纜等值電路示意圖

3 結論

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

1）從仿真分析可得出當電纜導芯與護套短路時，將產生較高的電壓，護層保護器很可能導通，建議當發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電網中采用中性點經接地小電阻接地方式已經成為主流，建議在35kV加裝Z型接地變壓器，對該系統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供電。

3）35kV 母線側保護增設零序電壓保護[5]，當單相接地時及時發信，為運行人員進行事故處理提供依據，可防止長時間接地時產生的過電壓使設備絕緣擊穿，導致故障進一步擴大，保護設備安全。

[1]江日洪. 交聯聚乙烯電纜線路[M].北京:中國電力出版社,1997.

[2]GB50217—941電力工程電纜設計規范[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, 2007(10): 58-59.

[5]徐濤,顧黎強,李媛. 35kV 接地電阻失去后系統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環網電纜單相短路故障分析[J]都市快軌交通, 2009, 22(6):90-92.