10kV電纜屏蔽層接地不當導致的故障分析

梁俊熙 汪萬偉 張永康

（廣東電網公司東莞供電局 廣東 東莞 523008）

0 引言

隨著我國電網改造的深入，大量的架空線被電力電纜取代。 電力電纜跟架空線不同，它被埋在地下，運行維護較困難，正確使用電纜，是降低工程投資，保證安全可靠供電的重要條件[1]。 在城市配電網絡中，應用最廣的是交聯聚乙烯三芯絕緣電纜[2]，且多采用零序保護，如電纜屏蔽層接地線安裝方式出現錯誤，在電纜出現對地故障時，將會影響零序保護的動作，可能導致事故的擴大。 作者參與了一起110kV變電站因10kV 電纜屏蔽層接地線安裝不當導致越級跳閘的技術分析，認為該類故障具有一定的代表性，以下通過對這次故障原因的深入調查，全面分析了三芯電纜屏蔽層可能出現的錯誤接地方式，給出了合理的接地方式的建議。

1 事件經過

東莞某110kV 變電站與此次故障相關的電氣接線如圖1 所示。2012年9 月8 日15：47， 變電站值班員監盤時發現：10kVF20 線路720 開關跳閘，重合閘動作；同時，#2 主變10kV 側502 甲、502 乙開關分閘，#2站用變壓器變兼接地變壓器524 開關分閘，10kV2 甲M、2 乙M 同時失壓。

變電站迅速將跳閘和保護動作情況上報，并安排值班員到現場檢查相關設備情況，通知相關人員對F20 線路進行巡視。 值班員檢查后確認10kVF20 線路720 開關、#2 站變兼接地變524 開關、#2 主變10kV 側502 甲、502 乙開關、2 甲M、2 乙M 母線一次設備均無異常。

最終檢查結果發現，15：47 時，F20 線路的C 相發生接地故障，F20 過流一段保護動作，跳開720 開關，重合閘后接地故障仍存在，故障本應由F20 零序保護切除， 但由于F20 電纜屏蔽層接地線安裝錯誤， 導致F20 零序保護不能動作。 因線路接地故障未能及時切除，10kV #2 接地變高壓零序電流保護動作， 跳開502 甲、502 乙開關和524 開關，造成10kV 2 甲M、2 乙M 母線失壓。

圖1 某110kV 變電站與故障相關的電氣接線圖

2 原因分析

常用的三芯電纜結構如圖2 所示[3]。與單芯電纜不同的是，三芯電纜多采用兩端直接接地方式，這是因為正常運行情況下，流過三個線芯的電流總和為零，金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，因此金屬屏蔽層兩端就基本沒有感應電壓，所以兩端接地后不會有感應電流流過金屬屏蔽層[4-6]。

圖1 所示， 發生C 相接地故障的F20 三芯電纜的屏蔽層接地點一端在變電站側，即零序CT 附近，另一端在遠方負荷側。 由于720 開關下方的零序CT 測得的零序電流值是720 開關零序保護動作的依據，如零序CT 測得的零序電流有誤，將會直接影響720 開關的零序保護動作，造成越級保護動作，使事故擴大。

圖2 常用的三芯電纜結構圖

下面將詳細分析此例事故中零序CT 不能正確測量零序電流的原因。 發生該事故的變電站為小電阻接地系統，一旦三芯電纜某相發生對地故障，就有可能使部分對地電流通過電纜屏蔽層、電纜屏蔽層的接地線流入大地， 如與零序CT 相鄰的電纜屏蔽層接地線安裝錯誤，將直接影響零序CT 對零序電流的測量。

上述事故中電纜屏蔽層接地線的安裝方式如圖3 所示，為了方便說明問題，這里只畫出了發生接地故障的C 相。 如圖3 所示，電纜屏蔽層的接地點位于零序CT 下方的B 點位置，其接地線向上穿過零序CT 后接地。

圖3 事故中的電纜屏蔽層接地線安裝方式示意圖

當電纜發生導體絕緣層破壞時， 導體一般會先和金屬屏蔽層短接，構成接地故障，并有可能在導體絕緣層破壞處擊穿電纜外護套。正常運行情況下，零序CT 測得的三相電流和為0，當C 相發生接地故障時，零序CT 只需準確測量出C 相對地電流即可，所以以下分析只針對C 相接地故障的接地電流，將不再考慮負荷電流。

當C 相發生對地故障時，對地電流流向如圖4 所示。 設A 點為發生接地故障點，導體中流過的對地電流為I1，如A 點電纜外護套被擊穿，則通過擊穿處流入大地的電流為I2（如外護套沒被擊穿，則I2=0），通過變電站側電纜屏蔽層接地線流入大地的電流為I3，通過負荷側電纜屏蔽層接地線流入大地的電流為I4，由KCL 有：

由圖4 可知，零序CT 測得的對地電流為：

即

圖4 發生接地故障時的對地電流流向圖

圖5 其他幾種屏蔽層接地線安裝方式圖

如零序CT 測量正確無誤，則ICT=I1，但由式(1)、(2)、 (3)可知，由于I3在零序CT 里穿過了兩次，且方向相反，故零序CT 測量不到I3，從而使測得的ICT小于實際流入大地的電流。

值得特別指出的是，當A 點外護套未被擊穿（I2=0），同時A 點靠近電站側遠離負荷側屏蔽層接地點時（此時I3>I4），根據式(3)可知：測得的ICT將遠小于實際流入大地的電流，ICT的大小達不到零序保護的整定值時，就會出現上述事故中發生的現象：即使發生了接地故障，但由于零序CT 測得的對地電流過小，使得零序保護沒能起到應有的作用，從而導致越級跳閘，造成事故擴大。

3 幾種可能出現的屏蔽層接地線的安裝方式

上文中分析了該例事故中出現的一種錯誤的電纜屏蔽層接地方式，下面將介紹其他幾種可能出現的屏蔽層接地線的安裝方式。

圖5 所示為其他幾種電纜屏蔽層接地線的安裝方式圖， 其中A點為對地故障發生點，B 點為電纜屏蔽層的接地線安裝點。

如圖5(1)所示，B 點在零序CT 上方，且接地線不穿過零序CT，顯然， 這種接地線安裝方式與圖4 所示的安裝方式類似，I3將在零序CT里穿過兩次，且方向相反，故零序CT 測量不到I3，使測得的ICT小于實際流入大地的電流。 因此，這種電纜屏蔽層的地線安裝方式是錯誤的。

如圖5(2)所示，B 點在零序CT 上方，但接地線穿過零序CT 后接地。 采用這種接地線安裝方式，I3將在零序CT 里穿過三次，其中有兩次穿過CT 的方向相反，互相抵消，另外一次穿過零序CT 時，I3的流向與I1同向，故不影響零序CT 對實際流入大地電流的測量。 雖然這種接地線安裝方式不影響對零序電流的測量，但部分對地電流在零序CT 里穿過多次，不合乎規范，故不建議采用[7]。

如圖5(3)所示，B 點在零序CT 下方，且接地線不穿過零序CT。 采用這種接地線安裝方式， 所有的對地電流將只在零序CT 里穿過一次，使得零序CT 的測量準確無誤，也符合規范，建議采用這種接地線的安裝方式。

4 結論

本文細致分析了一起某110kV 變電站因10kV 電纜屏蔽層接地線安裝錯誤而導致的越級跳閘的事故，在此基礎上，進一步給出了幾種可能會出現的三芯電纜金屬屏蔽層接地線的安裝方式，并詳細推理了各種安裝方式對零序CT 測量值的影響，給出了正確的三芯電纜屏蔽層接地線的安裝方式，有較大的實際運用價值。

［1］田海賓.控制電纜屏蔽層接地方式探討[J].山西電力,2004(1):66-67.

［2］江日洪.交聯聚乙烯電力電纜線路[M].北京:中國電力出版社,1999.

［3］賈述仁.關于采用10kV 三芯電力電纜的建議[J].本鋼技術,1996(5):57-60.

［4］張春旭,李明.外護套環流及接地不良對電力電纜的影響分析[J].山東電力技術,2009(2):7-10.

［5］IEC 61000.Electromagnetic ompatibility(EMC),part 5:installation and mitigation guidelines,section 2:Earthing and cabling[S].IEC,1997.

［6］Armstrong Keith.Installation cabling and arthing techniques for EMC[Z].IEE Teaching Materials,2000.

［7］李宗廷,王佩龍.電力電纜施工手冊[M].北京:中國電力出版社,2002.