電力電纜接地系統缺陷引起環流異常的分析

于連坤，魏占朋，丁 彬，林國洲，陳云飛

（國網天津市電力公司電纜分公司，天津 300000）

0 引言

在城市電網建設中，電力電纜線路相比架空線路有占用空間小、供電可靠性高、運行維護簡單等優點，因而得到了越來越廣泛的應用。110 kV 及以上電壓等級的高壓電纜多采用單芯電纜結構，在線路正常運行時，線芯中通過的交變電流將產生交變磁場，進而在電纜金屬護層上產生感應電壓。為了降低金屬護層感應電壓，保護外護套絕緣，單芯電纜金屬護層需要選用適當的接地系統［1-2］。如果金屬護層接地方式發生錯誤，金屬護層中將產生較大環流損耗，引起電纜發熱，降低電纜載流量，長期運行將加速電纜絕緣老化，縮減電纜使用壽命，甚至導致絕緣薄弱處擊穿。因此，保證電纜金屬護層接地系統的正確有效，對于控制環流大小、維護高壓電纜的安全穩定運行有著重要意義。生產實踐中，應按照Q／GDW 1512—2014《電力電纜及通道運維規程》和Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態檢測技術規范》定期檢測接地環流［3-4］，分析環流異常原因并針對性地提出處理措施。

1 電纜線路情況

1.1 線路運行情況

某220 kV 高壓電纜線路于2011 年9 月投入運行，為純電纜線路，電纜型號YJLW03-127／220 kV-1×1 200 mm2，全長6.77 km，包括2 個GIS 終端和11個中間接頭，接地系統采用交叉互聯的換位方式，如圖1 所示。

該線路在2019 年1 月和4 月連續發生2 次擊穿故障，分別是在10—11 號接頭間的B 相電纜本體和9—10 號接頭間的A 相電纜本體。由于電纜本體連續故障非常少見，故障原因不明，研究決定將9 號接頭至G 變電站之間發生過故障的A 相電纜進行更換，將替換下來的電纜返廠進行耐壓試驗和解剖，以進一步查找故障原因。

圖1 某220 kV 高壓電纜線路接地系統

1.2 電纜更換前接地環流情況

在停電更換電纜前，運行人員對全線進行了一次護層接地環流測量，當時負荷電流為110.2 A。測量結果未發現異常，其中9 號箱至G 變電站環流數據如表1 所示。可以看到，9 號箱至G 變電站GIS 終端之間是一個完整的交叉互聯段，三相單芯電纜金屬護層經同軸電纜、交叉互聯箱進行交叉換位連接。在正確換位的情況下，交叉互聯方式可以將金屬護層環流限制在較低水平［5-8］。

1.3 電纜更換后接地環流情況

在完成A 相電纜更換和接頭制作，線路送電后，運行人員再次對此線路進行了接地環流測量，發現9 號箱至G 變電站之間數據異常，如表2 所示，當時線路負荷電流為108.6 A。

從測量結果看，單相接地電流最大值與最小值之比為87 A／4.3 A=20.23，且接地電流與負荷電流比值為96.1 A／108.6 A=88.49%。按照Q／GDW 1512—2014《電力電纜及通道運維規程》和Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態檢測技術規范》規定，單相接地電流最大值與最小值的比值超過5，或接地電流與負荷比值超過50%時，判定為缺陷，應停電檢查處理［3-4］。

表1 電纜更換前接地環流 A

表2 電纜更換后接地環流 A

2 缺陷原因分析

2.1 接地系統模型分析

為分析缺陷產生的原因，將9 號箱至G 變電站GIS 終端之間接地系統的正確交叉互聯接線模型如圖2 所示，并標注環流檢測數據。

圖2 電纜交叉互聯正確接線方式模型

截取現場環流檢測結果明顯偏大的線段，如圖3 所示。

圖3 電纜金屬護層環流異常線段模型

由于線路送電前，外護套絕緣已測試合格，且10號和11 號接地箱內交叉互聯接線方式統一，與更換電纜之前完全相同，所以A 相接頭處的接地線連接錯誤可能性最大。結合環流異常線段分布情況，初步判斷9—11 號接地箱的A 相接地同軸電纜的線芯、屏蔽方向接反，造成接地系統的實際接線方式如圖4 所示。

圖4 電纜金屬護層實際接線模型

從圖4 中可以看出，由于9 號和10 號箱之間A、C 兩相護層兩端短接，10 和11 號箱之間A、B 兩相護層兩端短接，分別并聯構成了低阻回路，從而導致內部環流異常升高，最高達到96.1 A；而其他線段依次串聯，并與大地形成回路，雖然也出現接線錯誤，但回路電阻較大，環流只比正常接線情況下略微增大，最高8.3 A。

2.2 現場實際驗證

對上文分析進行驗證，在未對設備停電處理前，采用帶電選線儀在現場進行帶電確認。分別在10 號箱C 相連接銅排、11 號箱A 相連接銅排上通過耦合方式輸入信號，然后在9 號接地箱至G 變電站GIS終端之間的各段電纜本體上接收信號，如圖5 所示。

圖5 核相儀信號輸入

現場測試結果如圖6 所示。在10 號至11 號接地箱之間的電纜本體上無接收信號。證明9—11 號接地箱A 相同軸接地電纜接反的判斷是正確的。

圖6 現場測試結果

線路停電后，工作人員對9 號箱至G 變電站GIS 終端之間的整個交叉互聯接地系統進行了相位核對，確認了A 相接地同軸電纜接反的推斷是完全正確的。

2.3 原因分析及故障處理

通過模型理論分析與現場驗證，可以得出結論：本次220 kV 電纜線路接地環流異常是由A 相接頭的同軸電纜線芯、屏蔽接反造成的。

高壓電纜接頭內部接線如圖7 所示，接地同軸纜的線芯、屏蔽要分別與接頭兩端的高壓電纜屏蔽相連，整條線路的所有接頭必須保持方向一致，如果某一相接反，則交叉互聯系統接線出錯，引起接地環流異常。

本次案例中，附件廠家人員在制作中間接頭過程中方向判斷錯誤，導致A 相接頭的接地同軸纜線芯、屏蔽接線方向與B、C 相不一致。而且本次施工只涉及A 相電纜的更換，所以施工人員在檢修完成之后雖然對A 相電纜進行了絕緣電阻測試，卻沒有對整個接地系統的相位進行核對，導致未能在送電前發現施工錯誤。

圖7 高壓電纜接頭內部接線

最后對同軸電纜進行重新接線處理，恢復了正確的交叉互聯連接方式，如圖7 所示。線路檢修完成送電后，再次測量接地環流，數據恢復正常。

圖8 接地系統恢復效果

3 結語

高壓電纜金屬護層環流的大小能客觀反映出金屬護層接地系統的運行狀況，由于外護套破損、同軸電纜接線錯誤等原因導致環流過大的情況時有發生，當環流超過負荷電流80%時，應重點考慮是否為接地系統接線錯誤導致。在本次案例中，通過建立接地系統模型，對護層環流數值進行分析推導，找出缺陷產生的可能原因，并使用帶電核相儀進行了帶電驗證，可為下一步制定停電處理方案提供依據。

在附件安裝過程中，一定要明確同軸電纜線芯、屏蔽方向，做好相應標記，避免接反。線路投運前，要按照交接試驗規程對整個接地系統認真進行核對。一是要關注外護套絕緣電阻是否合格；二是要對接地系統尤其是交叉互聯系統的接線方式進行逐段核對。線路檢修完成送電后，要及時進行接地環流檢測，驗證接地系統的有效性。