110 kV電纜終端與GIS殼體放電分析與處理

陳 濤，姜 雯，陳 俊，曹育碩，胥 杰，岳 亮，沈珉峰，茅偉杰，曹扣成

(國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

電纜終端和電纜接頭統稱為電纜附件，電力電纜附件是電纜線路不可或缺的構成。完成輸電任務的是由電纜及附件組成的電纜線路整體，可以說電纜附件是電纜功能的延續。電纜終端是安裝在電纜線路兩端，具有一定絕緣和密封性能，使電纜與其他電氣設備連接的裝置。電纜接頭是安裝在電纜與電纜之間，使兩根及以上電纜導體聯通，使之形成連續電路并具有一定絕緣和密封性能的裝置。按照安裝方式和使用材料分類，可分為繞包式、模塑式、熱縮式、預制式、冷縮式等。對電纜線路來說，不僅電纜外護套應有良好的絕緣性能，電纜金屬屏蔽層還應采取可靠合理的接地方式[1]。

1 故障經過

上海市松江某110 kV變電站GIS設備生產廠家為上海西電高壓開關有限公司，電纜終端生產廠家為江蘇中天科技電纜附件有限公司。2020年10月28日該站A串自愈啟動,合閘送電瞬間德蒸1K067線路三相110 kV電纜終端發生瞬時放電現象，現象消失后線路可正常運行，之后多次分合閘瞬間均有放電現象。經討論后決定修改啟動方案，將該線路改為開關線路檢修，并通知相關設備廠家進行調查。后經視頻回放和現場檢查確認為GIS設備殼體與電纜終端之間放電。放電瞬間以及放電點照片如圖1至圖4所示。

圖1 德蒸1K067線路分合閘瞬間放電監控照片

圖2 德蒸1K067線路A相放電灼傷點

圖3 德蒸1K067線路B相放電灼傷點

圖4 德蒸1K067線路C相放電灼傷點

2 故障分析

對放電的線路進行GIS電纜倉內氣體檢測，判斷是否屬于GIS電纜倉內發生短路故障，檢測結果如表1所示(儀器型號為STP1000PRO，環境溫度25℃，環境濕度50%)。

表1 GIS電纜倉內氣體檢測結果

對相關線路的斷路器進行了斷路器特性分析，判斷是否為斷路器故障導致的過電壓。檢測結果如表2所示(儀器型號為DY/DB1128)。

表2 斷路器分合閘時間

兩項檢測結果均未發現異常，非設備故障。

同時電纜附件廠家對放電的三相電纜附件進行了追溯調查，證實相關電纜終端出廠時為合格產品，安裝完成后也通過竣工試驗，并進行了退倉后單相耐壓試驗，排除電纜終端與GIS殼體放電現象是由于附件廠家本身或安裝質量原因造成。

后經過多方故障診斷會議，分析放電現象產生的根本原因是由于電纜終端與GIS殼體之間存在電位差，分合閘瞬間產生的操作過電壓導致電纜終端與GIS殼體之間部位空氣擊穿。

3 故障原因

單芯電纜的導線與金屬屏蔽(或護套)的關系，可看作一個變壓器的初級繞組。當電纜的導線通過交流電流時，其周圍產生的一部分磁力線將與金屬屏蔽層鉸鏈，使金屬屏蔽層產生感應電壓，感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過的電流成正比。在線路發生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，金屬屏蔽層上會形成很高的感應電壓，甚至可能擊穿護套絕緣。

因此，在分合閘瞬間產生高頻暫態操作過電壓的作用下，電纜終端以及GIS殼體兩處直接接地的交流阻抗會有很大不同，頻率越高，交流阻抗的差值也越大，兩者之間的電位差也越大。另外，合閘相角有隨機性，合閘時相位角處于操作過電壓較大位置，則兩者之間產生電位差也越大。當兩個因素綜合作用時，導致的電位差大于空氣的擊穿電壓，電纜終端與GIS殼體之間會發生放電現象。等價電路如圖6所示。

GIS設備殼體與直連的電纜之間的連接形態如圖5所示。

圖5 連接形態

圖6 等價電路

電纜直連GIS終端的絕緣筒，因斷路器切合時產生操作過電壓，具有20 MHz高頻衰減震蕩波和波頭長0.1 μs陡度的特征。該行波沿電纜導體浸入，在金屬層感生暫態過電壓。單芯電纜的外護層等部位，在運行中承受可能的暫態過電壓，若作用幅值超過這些部位的耐壓標準時，則可能出現空氣擊穿放電。

電纜終端與GIS殼體之間(即絕緣筒間)過電壓(Uab)、電纜金屬對地過電壓(Us)的表達式為

(1)

(2)

(3)

式中E1——GIS的斷路器切合過電壓沿電纜導體進行波幅值，kV；Zcb——氣體絕緣母線的導體與護層間波阻抗，Ω；Zcs——氣體絕緣母線的護層與大地間波阻抗，Ω；L1，L2——氣體絕緣母線和電纜的各自接地線感抗，Ω；C——兩護層間的雜散電容，F。

然而實際中較難測定具體參數。目前已有的測試結果，主要為日本報道過66 kV及以上電壓等級單芯電纜線路的系列實際測試，現摘要部分結果如下。

(1)對于66～275 kV電纜未設置護層電壓限制器情況，自20世紀80年代起先后進行過10次及以上測試，在額定電壓等級為66，154，275 kV時，電纜線路金屬套對地暫態過電壓(Us)測試結果如表3所示。

表3 電纜線路金屬套對地暫態過電壓 kV

由表3可知，試驗結果顯示均已超過電纜外護層絕緣耐壓水平。

(2)66～275 kV電纜直連GIS終端的絕緣筒，在額定電壓等級為66，154，275 kV時，絕緣筒間過電壓(Uab)測試結果如表4所示。

表4 絕緣筒間過電壓 kV

由表4可知，試驗結果顯示均超過耐壓值，若在電纜終端與GIS殼體之間并聯0.03 μF電容或護層電壓限制器，則測得不超過6～14 kV。

4 故障處理

根據GB/T 50217—2018《電力工程電纜設計規范》4.1.13中規定：“35 kV及以上GIS終端的絕緣筒上，宜跨接護層電壓限制器或電容器”。因此，在電纜終端與GIS殼體間(即規定中“絕緣筒”部位)加裝護層保護器(絕緣法蘭保護器)，消除電纜終端與GIS殼體間的放電現象。護層保護器由氧化鋅非線性電阻片、外覆耐高溫的硅橡膠外套制成，能夠有效限制過電壓，安全防爆。護層保護器安裝示意圖如圖7所示。

圖7 護層保護器安裝示意圖

安裝護層保護器(絕緣法蘭保護器)安裝圖如圖8所示。

圖8 護層保護器(絕緣法蘭保護器)安裝圖

經過測試，相關線路未發生電纜終端與GIS殼體之間放電現象，故障消除。

5 結語

本次故障主要因電纜終端與GIS殼體之間存在電位差，分合閘瞬間系統產生的操作過電壓導致電纜終端與GIS殼體之間空氣擊穿。

隨著城市電網的發展，電纜的應用變得越發廣泛。而電力電纜附件是電纜線路不可或缺的構成，一旦發生故障，將對電網穩定運行產生重大影響。因此，此次放電現象對以后類似事件具有很好的借鑒意義。同時對于電力設計與安裝過程中考慮各設備之間電位差對電網安全運行的影響，也有很好的啟示作用。