35 kV單芯電纜線路接地短路事故分析

韓欣月，王 力，趙書龍，孫海莉

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2．國(guó)網(wǎng)德州供電公司，山東 德州 253008)

隨著我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)日期的確定，越來(lái)越多的綠色新能源開始接入電網(wǎng)，接入電網(wǎng)前的電能一般需要經(jīng)過35 kV集電線路進(jìn)行匯集。集電線路中采用了大量電纜，這其中單芯電纜又占了很大比例。35 kV單芯電纜的較多使用帶來(lái)了新問題，現(xiàn)以國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)35 kV單芯電纜線路(見圖1)接地短路事故案例進(jìn)行分析。

圖1 35 kV風(fēng)電接線示意圖

1 故障經(jīng)過

35 kV風(fēng)電場(chǎng)雙回線路全長(zhǎng)8.52 km，其中電纜線路長(zhǎng)度3.47 km，排管敷設(shè)，型號(hào)為2*ZC-YJV-26/35-1×500單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。至故障發(fā)生時(shí)線路已經(jīng)運(yùn)行6個(gè)月。

故障發(fā)生在21:15，35 kV風(fēng)電Ⅰ線A相接地，維持運(yùn)行(根據(jù)調(diào)度規(guī)程，35 kV線路發(fā)生單相接地短路故障后可以維持運(yùn)行2 h)；21:30，35 kV風(fēng)電Ⅰ線AB相間短路跳閘；查閱故障錄波，35 kV風(fēng)電Ⅰ線AB相間短路故障電流為5.35 kA。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

產(chǎn)生接地短路故障的電纜處于35 kV風(fēng)電Ⅰ線10號(hào)檢查井與11號(hào)接頭井之間，排管長(zhǎng)度約130 m，位于路邊人行道下。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，10號(hào)檢查井與1號(hào)接頭井井蓋崩開，井口周圍地磚脫落(見圖2)。

圖2 電纜接地事故現(xiàn)場(chǎng)

將10、11號(hào)電纜井蓋板移開，發(fā)現(xiàn)排管兩端出口處電纜燒損，部分露出線芯，MPP保護(hù)管部分管口處已經(jīng)燒毀缺失，11號(hào)接頭井管口下方電纜外護(hù)套被燃燒滴落物燒損露出銅屏蔽(見圖3)。

圖3 電纜井管口處燒損嚴(yán)重

1.2 故障原因初步分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真勘察，首先排除了電纜遭受外力破壞的可能；其次查閱了事故線路施工圖設(shè)計(jì)圖紙[1]，故障區(qū)段電纜線路金屬護(hù)套接地方式采用交叉互聯(lián)接地[2]，電纜線路采用交叉互聯(lián)接地能平衡感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的接地環(huán)流與預(yù)防過電壓(見圖4)。

圖4 35 kV風(fēng)電電纜接地原理圖

調(diào)閱電纜投運(yùn)前的試驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)電纜外觀檢查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主絕緣及外護(hù)套絕緣電阻均滿足要求。電纜試驗(yàn)采用串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，每根電纜試驗(yàn)電壓為 2U0(52 kV)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng) 60 min，全部合格。

依據(jù)以上圖紙、試驗(yàn)報(bào)告等資料，排除了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量原因；若電纜本體存在重大質(zhì)量問題或者施工期間對(duì)電纜造成損傷，一般也會(huì)通過投產(chǎn)前試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察

為徹底弄清事故原因，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)再一次進(jìn)行詳細(xì)勘察。同時(shí)截取故障相電纜送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，以便能發(fā)現(xiàn)更深層次原因。

把排管內(nèi)電纜抽出后發(fā)現(xiàn)，35 kV風(fēng)電Ⅰ線A2相電纜位于拉管約中間位置處露出線芯，由于抽出時(shí)的拉力導(dǎo)致線芯外層銅線斷裂，可見放電燒熔痕跡，保護(hù)管燒毀；B2與A2相中間對(duì)應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)約1 cm2的擊穿孔，擊穿孔附近約20 cm外護(hù)套已燒毀，主絕緣熔化(見圖5)。其余幾根電纜排管內(nèi)部分未見燃燒痕跡。

翻模施工是傳統(tǒng)的高墩施工技術(shù)，其施工進(jìn)度較慢，施工成本投入較高。承臺(tái)頂面三層一套的模板上安裝校正，澆筑混凝土到最上層模板高度的一半位置，完成首次墩身澆筑。第三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到一定強(qiáng)度后，逐層拆除最下面的兩層模板，將拆下模板表面進(jìn)行清理，用吊車將其翻轉(zhuǎn)至最上面第三層模板按照校正，直到墩臺(tái)頂部為止。

圖5 電纜接地后擊穿絕緣孔

將抽出的電纜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)線路A2、B2相電纜在接頭井管口處電纜線芯存在燒熔痕跡(見圖6)，剝開銅屏蔽后，擊穿點(diǎn)電源側(cè)的電纜主絕緣已產(chǎn)生變形。

圖6 電纜芯線發(fā)生燒熔，主絕緣變形

對(duì)35 kV風(fēng)電Ⅰ線交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)7號(hào)接頭井A2相中間接頭接地線羊角處有爬電痕跡，11號(hào)接頭井B2相中間接頭接地線羊角處有爬電痕跡(見圖7)；交叉互聯(lián)箱內(nèi)同軸電纜端部有爬電痕跡；同軸電纜外銅絲留取太長(zhǎng)，半導(dǎo)層未進(jìn)行刮掉處理(見圖8)。

圖7 中間接頭接地線羊角處

圖8 交叉互聯(lián)箱里面的同軸電纜銅絲與半導(dǎo)體

同軸電纜半導(dǎo)體未進(jìn)行刮掉處理，不單單是一起施工工藝不規(guī)范的小問題，可能會(huì)帶來(lái)大事故。圖9所示為一個(gè)完整的交叉互聯(lián)單元[3]，正常運(yùn)行方式下，A1-B2-C3、B1-C2-A3、C1-A2-B3，其銅屏蔽通過同軸電纜、交叉互聯(lián)箱連接形成接地系統(tǒng)，中間接頭為絕緣接頭，接頭兩側(cè)接地系統(tǒng)互相不連通，銅屏蔽中的感應(yīng)電壓每段相位差為120°，相互抵消導(dǎo)致形成的接地電流很小。

圖9 交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)導(dǎo)通示意圖

如果未將同軸電纜內(nèi)外芯之間的半導(dǎo)電層剝除，外芯與內(nèi)芯通過半導(dǎo)電層形成放電通道[5]，7號(hào)接頭和11號(hào)接頭兩側(cè)直接連通，A1-A2-A3連通，3段電纜相位相同，感應(yīng)電壓疊加，銅帶屏蔽中通過的接地電流大大增加，可以達(dá)到負(fù)荷電流的50%～90%，甚至可以達(dá)到100 A以上，這是普通電纜銅帶屏蔽不能承受的。圖10為交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)導(dǎo)通示意圖(失效后)。

圖10 交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)導(dǎo)通示意圖(失效后)

1.4 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

截取35 kV風(fēng)電Ⅰ線A2相擊穿點(diǎn)附近電纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，故障電纜截面為500 mm2，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12706.3—2008)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/GDW 13239.1—2018)要求，金屬屏蔽應(yīng)采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，故障電纜采用銅帶屏蔽，不符合要求。電纜外護(hù)層平均、最小厚度分別為2.29 mm、2.17 mm，不符合標(biāo)稱厚度2.8 mm、最小厚度2.52 mm要求；銅帶屏蔽平均、最小厚度分別為0.09 mm、0.09 mm，不符合標(biāo)稱厚度≥0.12 mm、最小厚度≥0.108 mm要求；銅帶屏蔽平均、最小搭蓋率分別為14%、4%，不符合平均搭蓋率15%、最小搭蓋率≥5%要求。

2 故障原因分析

通過以上數(shù)據(jù)綜合匯總，此次35 kV風(fēng)電Ⅰ線電纜線路跳閘故障，是由于35 kV風(fēng)電線A2相絕緣擊穿單相接地引發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查和電纜解剖、檢測(cè)情況，故障原因分析如下。

b.35 kV風(fēng)電Ⅰ線單相接地故障為A2相電纜本體擊穿，是本次故障的起點(diǎn)，電纜主絕緣雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但銅屏蔽較薄、搭蓋率不夠且未采用銅絲屏蔽，擊穿點(diǎn)處銅帶接觸不良，接地電流長(zhǎng)期較大引起持續(xù)發(fā)熱，造成此處絕緣過熱老化擊穿。

c.35 kV風(fēng)電Ⅰ線A2相電纜單相接地產(chǎn)生的高溫氣流使B2相和A2相之間的MPP保護(hù)管燒穿，B2相同時(shí)開始燃燒，15 min后B2相絕緣擊穿，與A2形成相間短路，線路跳閘。

d.排管兩端出口處(10、11號(hào)井之間)電纜的燃燒是由于35 kV風(fēng)電Ⅰ線A2、B2相間短路產(chǎn)生的高溫等離子氣體沿著排管向兩端噴射而出，在進(jìn)入電纜井氧氣充足后，引起管口處的電纜燃燒，同時(shí)噴出的氣體遇到工井中稍大的密閉空間后迅速釋放，將井蓋推出并使周圍地磚震松。

3 暴露的問題

a.電纜質(zhì)量與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不符[4]，這也是電纜質(zhì)量檢測(cè)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的問題。故障電纜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，500 mm2截面電纜金屬屏蔽選用銅帶屏蔽未選用銅絲屏蔽不符合GB/T 12706.3—2008、Q/GDW 13239.1—2018要求；銅帶屏蔽的截面一般為10～15 mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅絲屏蔽標(biāo)稱截面35 mm2。電纜外護(hù)套標(biāo)稱厚度、最小厚度、銅屏蔽標(biāo)稱厚度、厚度允許最小測(cè)量值、銅屏蔽搭蓋率不合格。

b.施工工藝程序與施工質(zhì)量需要進(jìn)一步加強(qiáng)，同軸電纜處置不規(guī)范。交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)同軸電纜接地施工質(zhì)量及工藝不達(dá)標(biāo)，同軸電纜外銅絲留取太長(zhǎng)，半導(dǎo)層未進(jìn)行刮掉處理(見圖11)，存在內(nèi)外線芯短接放電可能，為后期運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 交叉互聯(lián)箱內(nèi)同軸電纜半導(dǎo)體未剝除

c.運(yùn)行維護(hù)不到位。該線路工程已經(jīng)投運(yùn)近半年，如果能做到定期進(jìn)行線路維護(hù)，測(cè)量電纜屏蔽層接地電流，對(duì)電纜中間接頭進(jìn)行定期測(cè)溫，很大可能提前發(fā)現(xiàn)事故缺陷，盡早進(jìn)行消缺處理，也許最終會(huì)避免釀成線路接地短路的惡性事故發(fā)生。