10 kV單芯電纜屏蔽層兩端接地引發電纜故障分析

何偉

（廣東省電力學校，廣州 510520）

10 kV單芯電纜屏蔽層兩端接地引發電纜故障分析

何偉

（廣東省電力學校，廣州 510520）

10 kV單芯電纜兩端接地感應電壓與環流導致電纜故障問題，是配電電纜工作者多年困惑的問題。分析廣東陽春10 kV電纜故障，直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當，根本原因是設計規范中沒有具體對這些問題做出明確的指引和規定。

單芯電纜；環流；感應電壓；兩端接地

1 故障經過

2009年5月25日，廣東陽春110 kV東湖站10 kV東興乙線過流I段跳閘，經檢測東湖站10 kV東興乙線電纜有故障，A、B相對地絕緣電阻為零。

找到故障點后，沒有發現被外力破壞的痕跡，排除中間接頭放電和外力破壞引起故障原因。該段電纜屬直埋敷設，東興甲線與東興乙線均采用單芯電纜，6條電纜水平排列，間距很小且沒有相間隔板。東興乙線A相燒損嚴重，線芯外露、B相燒損較嚴重，從挖開的電纜溝來看，電纜溝沙很黑很臭，上面還有兩條排污管，現場還看到排污管還有滴漏現象，且電纜溝沒有采取防滲措施，使電纜長期受到污水侵蝕（圖1、圖2）。

2 故障原因分析

東興乙線運行才兩年多，而且最大運行電流記錄為420 A，未超過安全載流量725 A的范圍。電纜型號YJV-1×400，單相長約3.55 km。

判斷故障原因有兩種情況，第一種原因是東興乙線其中一相電纜應該存在一個“隱患點”，該點可能是制作過程中存在的一個氣泡或一個小孔，也有可能是運輸、施工等過程中造成的一點損傷（由于電纜毀壞嚴重，已無法判斷），導致電纜絕緣層受潮，電纜絕緣性能降低，長期受污水滲入電纜里面導致電纜放電。隨著該點電纜放電時間增加，最后把最近的東興乙線另一相電纜也放電擊傷，導致相間短路接地 （東湖站故障錄波記錄短路電流達5 800 A），引起線路跳閘。

圖1 東興乙線事故現場照片

還有一個導致電纜絕緣性能降低重要原因，就是該電纜金屬屏蔽層采用兩端接地方式（圖3）。屏蔽層上長期存在較大的工頻感應電壓，三相水平排列，使感應電壓進一步增大。出現較大環流，所產生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。在電纜絕緣的薄弱點出現放電，最終導致相間短路。

圖2 故障電纜線芯外露照片

圖3 電纜金屬屏蔽層兩端接地ED—終端

10 kV電纜金屬屏蔽層通常采用兩端接地方式。這是由于10 kV電纜多數是三芯電纜的緣故。三芯電纜帶平衡負荷時，三相電流向量和為零金屬屏蔽上的感應電勢疊加為零，采用兩端接地時，沒有環流。

近年來，由于負荷密度增大，環網柜等小型設備的應用，電纜開始采用較大截面單芯電纜。當單芯電纜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交鏈，使金屬屏蔽層產生感應電壓。單芯電纜每相之間存在一定的距離，感應電勢不能抵消。如果10 kV單芯電纜金屬屏蔽層還是按照10 kV三芯電纜采用兩端直接接地的方式，金屬屏蔽層通過兩個接地點與大地構成回路，產生較大的環流，所產生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。

下面針對三相水平排列與三相品字形排列這兩種常見排列方式具體分析10 kV東興乙線單芯電纜金屬屏蔽層上的感應電壓情況。

2.1 三相水平排列感應電壓計算

以YJV-1×400單芯電纜為例，電纜外徑41.2 mm，銅屏蔽外徑36.6 mm，，PVC護套厚度2.3 mm，電纜水平排列，間距很小，取10 mm。單相長約3.55 km，負荷電流取東興乙線最大運行電流420 A。

根據文獻1提供的水平排列計算公式

S為電纜中心軸間距離；Ds為金屬屏蔽層外徑；I為電纜工作電流；L為電纜單相長度。

計算得邊相電纜金屬屏蔽層正常運行時工頻感應電壓最大為140.58 V，中相電纜金屬屏蔽層正常運行時工頻感應電壓最大為96.2 V。

2.2 三相品字形排列感應電壓計算

根據文獻［1］提供的三相品字形排列計算公式

計算得電纜金屬屏蔽層正常運行時工頻感應電壓最大為96.2 V。

2.3 感應電壓與環流危害電纜絕緣分析

根據GB 50217－2007《電力工程電纜設計規范》的規定，當采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，電纜線路的正常感應電勢最大值不得大于300 V。否則，不得大于50 V。按采取安全措施考慮，上述計算的感應電壓140.58 V和96.2 V都屬正常。但此規定只考慮了感應電壓，并未考慮在此感應電壓的作用下，金屬屏蔽層兩端接地所造成的環流的危害。

文獻［2］中的感應電壓只有6.8V，遠小于300V的規定值。但其環流實測值已經接近負荷電流的10%，金屬屏蔽層接地線處溫度已達110℃，出現過熱冒煙事故。而且電纜長度、工作電流越大，感應電壓就越大。東興乙線最大運行電流已達420 A，大于文獻［2］中電纜的工作電流，其長度3.5 km也大于文獻［2］的50 m。其感應電壓在敷設條件相近條件下也應大于文獻［2］電纜的感應電壓。因此，東興乙線金屬屏蔽層環流不容忽視，環流的因素，造成電纜絕緣性能降低。經過兩年的運行，再加上本身缺陷，最終出現事故。遺憾的是，由于開關柜“五防”設計原因，無法進行實測環流數值。

3 改進措施分析

東興乙線故障修復后，現在仍采用金屬屏蔽層兩端接地，金屬屏蔽層仍然有環流，對電纜絕緣來說，隱患仍然存在。為了降低電纜金屬屏蔽層感應電壓，進而降低環流對電纜絕緣的損害。應采取以下措施：

1）電纜采用品字形排列；

2）采用金屬屏蔽層一端接地；3）采用金屬屏蔽層中點接地。

從理論上講，采用金屬屏蔽層交叉互聯接地也很好，但如果采用一端接地或中點接地可以符合設計規范的要求時，一般就可以不用考慮復雜的交叉互聯接地，畢竟，經濟性也是一個重要的因素。

3.1 電纜采用品字形排列

前面計算可知，水平排列正常運行時工頻感應電壓最大值出現在邊相，為140.58 V；三相品字形排列正常運行時工頻感應電壓三相均為96.2 V。采用品字形排列有利于降低正常運行時工頻感應電壓和環流。

3.2 金屬屏蔽層一端接地

金屬屏蔽層采用一端接地時（圖4），如也采用三相品字形排列，正常運行時另一端工頻感應電壓三相均為96.2 V，滿足設計規范中采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時小于300 V的要求。一端接地沒有構成回路，可以消除環流，有利于提高電纜的傳輸容量不會造成電纜附加的熱損耗，有利于絕緣。

如果未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，96.2 V大于50 V，不符合要求，則不能采用一端接地方式。

為防止短路時另一端出現的工頻過電壓，以及防止另一端的沖擊過電壓。當電纜外護層不能承受這種過電壓的作用而損壞時，就會造成金屬護層的多點接地，因此另一端必須通過保護器接地。

當考慮減小接地短路的工頻感應電壓值或減小對通信干擾等問題時，需同步敷設事故回流線。

3.3 金屬屏蔽層中點接地

三相品字形排列，一端接地，正常運行時另一端工頻感應電壓三相均為96.2 V，如果未采取安全措施，96.2 V大于50 V，不滿足要求，可采用中點接地（圖5），Nj為直通接頭。

圖4 電纜金屬屏蔽層一端接地

圖5 電纜金屬屏蔽層中點接地

這種接地方式相當于兩個一端接地方式串聯。接地點兩端金屬屏蔽層正常運行時工頻感應電壓最大為96.2 V的一半，即48.1 V，滿足50 V的要求。

4 對設計規范的建議

GB 50217－2007《電力工程電纜設計規范》對GB20217-1994《電力工程電纜設計規范》做出了很多有針對性的修訂，該規范適用于新建、擴建的電力工程中500 kV及以下電力電纜和控制電纜的選擇與敷設設計。電纜金屬屏蔽層接地方式中300 V與50 V的規定，用于配電電纜與輸電電纜時按規程規定標準是一樣的。但實際中發現，用此標準套用配電網絡10 kV單芯電纜兩端接地時，經常出現感應電壓較高、環流太大導致出現電纜故障。電力企業配電電纜與輸電電纜也是分開設計的。配電電纜設計時，按規程設計10 kV單芯電纜兩端接地是感應電壓是滿足要求的，但實際工作中又老是擔心環流會不會對電纜絕緣不利。

對《電力工程電纜設計規范》建議：對配電電纜與輸電電纜金屬屏蔽層接地方式與工頻感應電壓做出不同的規定；對環流數值做出規定。

5 小結

10 kV單芯電纜兩端接地感應電壓與環流導致電纜故障問題，是配電電纜工作者多年困惑的問題。本文通過對東興乙線故障的感應電壓計算和分析，目的在于揭示導致這起事故的直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當，不應選用兩端接地，而應根據需要選擇一端接地或中點接地。而根本原因是設計規范中沒有具體對這些問題做出明確的指引和規定。

［1］江日洪.交聯聚乙烯電力電纜線路［M］.北京：中國電力出版社，1997.

［2］10 kV單相電力電纜屏蔽層的感應電壓和環流［J］.高電壓技術，2002.

［3］胡其秀.電力電纜線路手冊（設計、施工安裝、運行維護）.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］史傳卿.電力電纜安裝技術問答［M］.中國電力出版社，2002.

何偉（1970-），講師，工學學士，從事電力電纜運行研究工作。

Analysis of 10 kV Single Cable Shield Fault Caused Both Ends Grounding

10 kV single cable fault of both ends of grounding induced voltage and circulating current，which confused the distribution cable workers for years.This paper analyzes the fault of 10 kV cable of Yangchun is improper choice of metal shield grounding manner;as a result，the main reason is not specifically make these issues clear guidelines and regulations. Key words:single cable；circulating current；induced voltage；both ends of the grounding

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1007－9904（2010）04－27－04

2010－06－10