高壓電纜回流線接地端子發熱缺陷分析

陳 偉，呂立翔

(國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

回流線常用于高壓電纜單點接地系統中，起著降低短路時鋁護套上感應電壓以及減小對弱電線路電磁干擾的作用。近年來，由于現場回流線敷設不規范等原因，回流線接地端子發熱現象日益增多。以下對一起典型的高壓電纜回流線接地端子發熱缺陷進行分析，以供日后進行回流線的敷設、驗收及消缺工作參考，減少發熱缺陷發生次數。

1 設備概況

220 kV甲乙1號線、甲乙2號線為同塔架設2回路架空線-電纜混合線路，由甲變電站向乙變電站供電。其中，甲變電站到1號塔戶外終端為電纜單點接地段，系統接線如圖1所示。

圖1 系統接線

某日，巡視人員在1號塔戶外終端進行現場紅外測溫，測得220 kV甲乙1號線、甲乙2號線回流線接地端子最高溫度分別為140.1 ℃，34.8 ℃，環境溫度為32.3 ℃。參照DL/T 664—2016《帶電設備紅外診斷應用規范》，220 kV甲乙1號線回流線接地端子熱點溫度大于130 ℃，為危急缺陷。運維班組立即對該缺陷進行分析并消缺處理。

2 缺陷原因分析

回流線接地端子發熱屬于電流致熱型發熱。按照焦耳定律，正常運行時，回流線中流過的電流通過接地端子時將產生熱能，其接觸點溫升理論計算公式為

式中：τ為接地端子溫升，K；I為正常運行時回流線電流，A；Rj為接地端子接觸電阻，Ω；L為勞倫茨常數；T為接觸點的絕對溫度，K。

由于L和T是常量，由式(1)可知回流線接地端子溫升τ取決于回流線電流I和接地端子接觸電阻Rj。

2.1 回流線電流的影響分析

經過檢測，流過220 kV甲乙1號線、甲乙2號線的電量參數如表1所示。

表1 220 kV甲乙1號線、2號線電量參數 A

從表1可以看出，1號線回流線電流明顯較大，這是導致該接地端子溫度異常的原因之一。

對甲變電站至1號戶外終端電纜通道進行了檢查，發現甲乙1號線、甲乙2號線2回電纜現場布置如圖2所示。2回線路同通道同側支架敷設，其中1號線敷設在上層支架，2號線敷設在下層支架，2回路電纜均采用水平排列布置敷設。

圖2 1號線、2號線現場布置

現場發現2回線路共用1條回流線，如圖3所示。回流線在甲變內接在1號線接地端子上，然后沿著2號線(緊貼B相)的支架層一直敷設到1號電纜終端處，再分成2個回路：其中1個回路接至1號線終端處，另一回路接至2號線終端處。

圖3 1號線、2號線回流線布置

回流線中的電流由2條線路共同感應疊加形成，整個回流線中的電流流向如圖4所示。1號線由于在站內和戶外終端均有直接接地點，因此其在回流線中感應出的電流可直接流通。2號線由于只在戶外終端有直接接地點，在站內并無直接接地點，因此其感應出的電流只有通過1號線站內直接接地點再經過一段大地電阻才能流回到2號線。

現對回流線中電流進行計算分析：當電纜回路附近有一回流線P(非磁性導體)，它與三相電纜之間的距離用如圖5所示關系表示。

則回流線上的感應電壓可按下式計算：

圖4 1號線、2號線回流線布置

圖5 電纜及回流線位置

式中：ω為角頻率，為314 rad/s；I為電纜中負荷電流，A；l為電纜長度，m。β為B相與回流線間距與A相與回流線間距的比值；γ為C相與回流線間距與A相與回流線間距的比值。

現場參數如圖6所示。

圖6 1號線、2號線現場布置參數

同時，由表1可知負荷電流為320 A，由圖3可知電纜長度為120 m，因此可得：

1號線對回流線的感應電壓為

2號線對回流線的感應電壓為

回流線上的總電壓為

現場測得1號線、2號線回流線回路總阻抗Z1，Z2分別為0.04 Ω和0.45 Ω，因此可得：

1號線回流線電流為

2號線回流線電流為

以上回流線電流計算結果與實測值相近。按照規范要求，高壓電纜水平布置時，回流線應按“三七開”布置以減小回流線電流。而在本缺陷中，因2回路共用1條回流線，且現場未采取“三七開”布置，導致1號線回流線電流過大，而2號線回流線由于未直接接地導致電阻過大，造成電流較小。但是若發生短路，則2號線回流線由于回路阻抗大會增大電纜護層電壓，大大降低了回流線的作用。

2.2 接觸電阻的影響分析

正常情況下，回流線接地端子的接觸電阻為幾至十幾μΩ，線路停電后，作業人員測得1號線回流線接地端子的接觸電阻Rj為176 μΩ，而2號線回流線接地端子的接觸電阻僅為7.3 μΩ。因此可斷定1號線回流線接地端子接觸電阻增大也是引起接地端子(見圖6)發熱的主要原因之一。接觸電阻Rj一般由收縮電阻Rs和表面膜電阻Rb2部分組成，即：

式中：ρ為電阻率，Ω·m2；ε為與材料變性有關的系數；HB為材料的布氏硬度，N/mm2；n為接觸點數目；F為接觸面間壓力，N。一般當導體材料固定時，收縮電阻Rs主要取決于n和F。

表面膜電阻Rb與表面氧化物性質有關，氧化腐蝕越嚴重，表面膜電阻越大。

圖6 回流線接地端子

通過對接地端子的結構分析，得出其接觸電阻Rj增大的主要原因有以下幾項。

(1) 螺栓未擰緊。從圖6中可以看出回流線端子與終端塔接地端子間由于螺栓未擰緊而存在間隙，遠未達到所要求的擰緊力矩，導致了接觸面之間接觸點以及接觸壓力的減小，造成接觸電阻增大。

(2) 螺栓銹蝕嚴重。從圖6中可以發現緊固螺栓銹蝕嚴重，導致氧化膜電阻增大，從而造成接觸電阻的增大。

(3) 接地端子溫升。溫升對接觸電阻的影響如圖7所示，接地端子接觸電阻的增大會造成接地端子溫度升高，一方面會造成螺栓電阻率增大，造成收縮電阻增大；另一方面，會加速接地端子的氧化腐蝕反應，使表面膜電阻進一步增大，從而導致接觸電阻的進一步增大。若不及時進行消缺，則會產生惡性循環，使接地端子溫度不斷升高。

圖7 溫升對接觸電阻的影響

3 消缺措施

作業人員準備了回流線、緊固螺栓等。重新敷設回流線，保證每一條回路有一條回流線，不再共用，并且嚴格按照規范要求在三相電纜之間按“三七開”布置并兩端正確接地。同時對原先的回流線端子、終端塔端子表面進行打磨、清洗處理，并涂電力復合脂，再重新連接組成新的接地端子。

消缺完成后，測得接地端子接觸電阻以及回流線中電流如表2所示，均符合要求。

表2 220 kV甲乙1號線、2號線復測參數

線路投運后跟蹤紅外測溫，未發現任何問題，并編制了《高壓電纜回流線接地端子消缺標準化作業指導書、卡》。

4 結束語

通過此次高壓電纜回流線接地端子發熱缺陷分析并進行消缺處理，得出以下幾個結論。

(1) 由于2條水平排列敷設的線路共用1條回流線，且未按照“三七開”布置，導致1號線回流線電流過大。由于2號線回流線未直接接地，導致電阻過大，造成線路電流較小；但是若發生短路，則由于2號線回流線回路阻抗大，會增大電纜護層電壓，降低回流線的作用。

(2) 由于接地端子的螺栓未擰緊且腐蝕嚴重，導致接觸電阻增大。

(3) 在高壓電纜運維中應加強帶電檢測，以便及時發現并消除設備上存在的缺陷、隱患。