一起35 kV開關柜電纜終端故障案例分析

張德文，張 朋，胡曉旭，魏新宇， 徐嘉明，張光中

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2.國網黑龍江省電力有限公司檢修公司，哈爾濱 150090；3.國網黑龍江省電力有限公司大興安嶺供電公司，黑龍江 加格達奇 165000；4.國網黑龍江省電力有限公司牡丹江供電公司，黑龍江 牡丹江 157000)

0 引 言

電力電纜運行故障率相對較低，具有占用輸電通道空間小、能適應多種復雜敷設環境等優點，是變電站及大容量電能輸入城市負荷中心最常用的輸電方式[1-2]。分析電力電纜運行故障原因和故障發展過程有助于改善和提升高壓電纜線路運維水平，可以在一定程度上有效杜絕類似事故再次發生。但由于部分安裝人員對高壓電纜及其附件安裝、使用要求認識不夠，導致發生很多工藝問題。該文選取一起典型電纜終端故障作為案例，深入分析故障成因及其發展過程，并對故障分析的方法和要點進行探討。

1 故障基本情況

2021年2月19日15時14分，某變電站后臺顯示35 kV 1號母線B相電壓降低，A、C相電壓升高。15時15分，318開關出現分閘變位，后臺顯示318開關共發生11次分、合閘變位，主控室內火災報警主機警鈴響起(35 kV高壓室火警)。15時18分，檢查發現35 kV高壓室318開關柜處有火光，室內充滿濃煙，可聽到開關分、合聲響。15時20分，將35 kV低容低抗無功控制方式軟壓板退出，值班人員依次拉開311、312及3501開關，切除故障設備電源。35 kV 1號母線運行情況如圖1所示。

圖1 35 kV 1號母線運行情況

1.1 現場檢查情況

現場檢查35 kV 1號電抗器318開關柜發現有損壞痕跡，后柜門外側有明顯燒傷發黑痕跡、柜體觀察窗破損。打開318開關柜后柜門，發現318開關柜內電抗器側B相外側電纜接頭絕緣擊穿，絕緣材料、屏蔽材料均已燒融；各電纜與避雷器間連線燒損斷裂，B相避雷器部分外絕緣燒損；柜內各電纜、避雷器、連接金具表面均有明顯熏黑燒灼痕跡；柜內所有絕緣罩均已燒熔脫落，詳見圖2。

圖2 318開關柜內部

1.2 保護動作情況分析

35 kV 1號電抗器保護不具有獨立故障錄波器，專業人員對綜合51B主變錄波器低壓側錄波圖形進行現場分析，發現15時14分36秒732毫秒時，51B主變錄波器啟動顯示B相電壓降低，A、C兩相電壓升高且低壓側三相電流平衡，判斷此時B相出現單相故障情況。

35 kV 1號電抗器保護首次跳閘為15時15分17秒850毫秒，最大電流“Imax為14.37 A”，滿足I段過流保護動作定值4.2 A。提取保護裝置內部錄波情況時，發現僅能保存最近8次動作波形及后8次保護動作情況顯示，投入時刻即發生兩相短路，約5～23 ms后發展為三相短路。提取15時18分57秒769毫秒動作波形，確認故障電流IA為13.12 A，IB為18.55 A，IC為13.81 A，均滿足過流保護動作要求，保護裝置線電壓UAB為47.6 V，UBC為3.8 V，UCA為45.8 V，經5 ms后電壓均降低為0。

2 故障原因分析

依據GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中規定：35 kV系統當單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式；當電流大于10 A且需在接地故障條件下運行時，宜采用中性點諧振接地方式。為了能夠估算弧光接地過電壓的幅值，對35 kV的系統電容電流進行了計算。該系統中的各支路均為電纜線路，計算過程如下。

根據《電力工程電氣設計手冊：一次部分》計算該35 kV系統電容電流，具體過程如下：

(1)

C=KL

(2)

式中：UC為電容兩端的電壓，V；ω為角頻率，rad/s；L為電纜長度,m。

通過參考廠家提供的數據，K取值為0.21。

考慮到變電所的增加部分后，電容電流為：

(3)

此外，在故障發生當日電能質量監測平臺采集到的諧波電流約為4.3 A。

所以，35 kV系統總的電容電流為

(4)

因此，得到總的電容電流為8.863 A。該數值接近規程中規定的10 A。通過參考間歇性弧光接地過電壓故障的相關文獻、工頻熄弧理論及故障實例，證明當電容電流在幾安至數百安的范圍內能產生間歇性弧光接地過電壓，電弧的燃弧狀況與恢復電壓、外界氣象條件以及電弧部位介質等多種因素有關，規程中給定值10 A是常態下的經驗值[3-4]。

結合上述情況分析，35 kV 1號電抗器保護首次動作前，已發生B相電壓降低，此時存在單相接地電容電流，產生弧光接地過電壓。發生間歇性弧光接地時，由于不穩定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會引起高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓幅值可達3.15～3.5倍相電壓，這種過電壓是由于系統對地電容上電荷多次不斷的積累和重新再分配形成的，是斷續的瞬間發生的且幅值較高的過電壓。如果接地電流在高頻過零點熄弧或在電壓接近最大值時發生擊穿，這一過電壓將會更高[5-7]。

3 電纜終端解剖分析

經查驗電纜試驗報告，該電纜交接交流耐壓試驗及絕緣電阻測試均符合要求。為準確判斷電纜終端故障情況，將全部三相9只電纜終端頭進行解體分析，認定發生電纜故障原因如下。

1)電纜現場解體C相電纜，發現半導電屏蔽層與護套搭接部位不緊密，存在縫隙，導致電場不均勻，極易發生局部放電，如圖5所示。

圖5 C相半導電屏蔽層搭接實拍圖

2)經現場解體后實測，B相電纜半導電屏蔽層長度為58 mm，C相電纜半導電屏蔽層長度為28 mm，均不符合電纜終端頭安裝工藝指導書15 mm的要求，如圖6所示。

圖6 B、C相半導電層測量實拍圖

3)現場解體發現，B相故障電纜半導電屏蔽層及銅帶屏蔽層表面存在較多碎屑，在解剖A相電纜時也發現相同碎屑，經萬用表測試為金屬材料，如圖7所示。

圖7 A、B相電纜終端碎屑實拍圖

此外，在318開關頻繁操作投切電抗器過程中，產生3倍左右的截流過電壓，電纜終端頭遭受多次截流過電壓及弧光過電壓雙重沖擊，直至電纜B相終端頭一側全部燒損。

通過以上分析，最終確認故障原因為電纜終端頭安裝工藝控制不良。

4 結 語

通過對一起35 kV開關柜電纜終端故障案例分析，得出故障原因為電纜終端頭安裝工藝控制不到位。建議適當增加電纜線路紅外測溫、局部放電檢測頻次，必要時可通過技術改造等手段安裝局部放電在線監測裝置，及時發現設備缺陷。

重新整定35 kV系統部分的繼電保護裝置，使其能在單相接地故障發生后迅速查找故障點并切除故障電路。

在進行高壓電纜故障分析時，應綜合考慮故障時刻電流、電壓錄波信息，電纜線路敷設情況，電纜和附件的配合尺寸、安裝要求，并依據電纜線路投運時以及現行的檢測標準對電纜及其附件的性能進行檢測分析，有助于及時發現故障成因。