一起10 kV 電力電纜群集中燒損典型故障分析

萬代，齊飛，周恒逸，趙邈，段緒金，黃耀旗

(1. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2. 國網湖南省電力有限公司張家界供電分公司，湖南張家界427000)

0 引言

隨著我國經濟與社會的發展, 以及城鎮化、工業化、信息化進程的推進, 電力網絡在廣度和深度上都在快速延伸[1-4]。電力電纜的安全可靠運行與人民的生產生活息息相關, 10 kV 配電電纜敷設數量的不斷增加、湖南地區高溫潮濕的惡劣氣候、電纜通道基礎臺賬不準確等問題, 對電纜運維提出了更高的要求和更大的挑戰[5-8]。

近年來, 電力電纜的火災事故頻發, 2018 年1月至8 月, 全國共發生火災1.42 萬起, 造成直接經濟損失1.25 億元, 電氣火災占比最大, 達到34.17%。此外, 2005―2014 年, 美國電氣火災占火災發生總數的26%[9]。電纜的廣泛使用, 也引發了一系列電纜過熱而導致的事故。近幾年的事故案例表明: 由電纜中間接頭、電纜終端等薄弱點受惡劣環境長期侵襲或施工工藝不良等主要因素導致的局部放電, 對電纜線路薄弱設備絕緣結構造成損失, 在操作過電壓等異常工況下引發的電纜局部過熱或外部熱源, 是電纜故障乃至火災發生的重要致因[10-12]。

電纜外層包含有外護套、阻水層和絕緣層等多層聚合物結構, 使得電纜的傳熱、形變與燃燒過程變得復雜。因此, 對于帶電電纜, 可抽象為一種外層聚合物包裹生熱金屬的物理結構。各種原因引發的局部過熱或外部熱源, 是電纜故障乃至火災發生的重要致因。例如存在絕緣損傷、局部放電缺陷的電纜遭遇操作過電壓等異常工況時, 極易發生相間擊穿短路, 從而在擊穿點急劇發熱燃燒。此外, 多回共溝電纜中, 一旦某一回線路發生故障燃燒, 極易引起共通道的其他電纜發生火災事故, 這兩點是目前電纜火災故障的主要原因[13-15]。

目前, 國家電網有限公司10 kV 電力電纜事故時有發生, 帶來了極大的經濟損失和惡劣的社會影響。根據分析, 引發此類故障的共同點大部分集中于電纜中間接頭, 本文選取一起典型的10 kV 電力電纜火燒連營事故進行深入剖析和探討, 分析設備與運維兩方面存在的重點問題, 并提出相應的解決方案, 為降低電纜故障率提供有效預控措施。

1 運行方式與故障簡述

1.1 故障簡述

2019 年 10 月 12 日上午 10 時 4 分左右,110 kV SDH 變電站10 kV Ⅱ (Ⅲ) 母接地, 隨后變電站值守人員報告SDH 變電站圍墻西側電纜井冒煙, 并伴有放電異響。10 時 10 分至 10 時 36分, 10 kV SYⅡ回等14 回線路依次跳閘, 至10 時37 分, 調度將同變電站的9 條線路緊急停運。本次事故造成21 回共溝電纜燒損 (2 條未共溝電纜無恙)。

1.2 故障前運行方式

110 kV SDH 變電站為雙主變運行, 由110 kV LSM 線供帶, 變電站 10 kV 側共設Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段在運母線, 其中Ⅰ母由Ⅰ號主變供電, 共掛接12條10 kV線路；Ⅱ段、Ⅲ段母線串聯由Ⅱ號主變供電, 共掛接11 條10 kV 線路。事發時變電站Ⅰ、Ⅱ (Ⅲ) 母線上配備有消弧線圈 (兩段母線為獨立分段運行), 參數見表1。2 臺消弧線圈容量分別為1 000 kVA (理論最大補償電流為165 A), Ⅰ母電容電流92.5 A, Ⅱ (Ⅲ) 母82.1 A, 均為自動調節方式。

表1 消弧線圈基本參數

2 故障設備參數與保護動作情況分析

此次起火點為110 kV SDH 變電站出線電纜溝內, 溝內共有電纜21 回, 其中10 kV SYⅡ回、SYⅠ回、JYⅠ回在事故溝內各有1 個中間接頭。

110 kV SDH 變電站共有14 回10 kV 線路因故障引起保護動作, 該14 回線路均配置電流三段式保護, 其中有8 回線路配置重合閘功能。

現場檢查10 kV 線路保護采用AC 相電流接線方式, B 相電流未接入保護裝置, 故保護報文不會顯示B 相故障電流。SDH 變電站保護裝置對時混亂, 存在與保護裝置不匹配的情況, 后臺SOE 動作時序僅能反映保護動作的先后順序。故調取220 kV LDH 變電站110 kV LSM 線故障錄波分析具體故障相別和時間, 并結合10 kV 保護和SOE 信號確定實際保護動作情況。

從保護動作情況來看, 最初為10 kV SYⅡ回跳閘, 先后發生AC 相間短路、過流Ⅰ段動作跳閘、一次重合閘。調取LDH 變電站110 kV 線路故障錄波, 10 月 12 日 110 kV LSM 線 508 于 10 時 12 分 22 秒發現首次故障電流, 故障時刻為10 時12 分22 秒。

通過錄波分析, 故障起始時刻高壓側AB 相同相, 與C 相反相, 折算到低壓側為 AC 相相間短路, 經過約2 s 后重合閘, 于是故障發生三相短路, 后加速跳開切除故障。結合保護信息和110 kV錄波, 故實際動作情況為: 10 kV SYⅡ回338 于10點12 分 22 秒, 發生 AC 相相間短路, 短路電流96.65 A (二次值, TA 變比600/5), 過流Ⅰ段動作 (過流Ⅰ段定值設置為45 A, 0 s), 2 s 后重合閘動作, 由于AC 相相間短路故障持續存在, 重合后過流Ⅰ段再次動作, 10 kV SYⅡ跳閘。

同理調取 10 月 12 日 110 kV LSM 線 508 最后一次故障的電流波形, 故障時刻為10 時36 分19秒。通過錄波分析, 故障起始時刻高壓側AB 相同相, 與C 相反相, 折算到低壓側為 AC 相相間短路, 經過約2 s 后重合, 于是故障發生三相短路,后加速跳開切除故障。結合SOE 動作信息, 判定此次故障線路為10 kV YX 線306。

檢查消弧線圈動作情況, 2 號消弧線圈 (SDH變電站10 kVⅡ母) 10 月12 日上午共發出6 次接地告警信息, 第一次發出接地告警時間為10 點3分47 秒, 最后一次發出接地告警時間為10 點25分 53 秒。其中發生 1、2、3、4、5 次接地時, 2號消弧線圈工作處于欠補償狀態, 見表2。

表2 SDH 變電站2 號消弧線圈接地信息(10 kV Ⅱ (Ⅲ) 母)

10 月 12 日上午, SDH 變電站 1 號消弧線圈(10 kV Ⅰ母) 故障期間共發9 次告警信息, 第一次發出接地告警時間為10 點16 分39 秒, 最后一次發出接地告警時間為10 點30 分28 秒。其中1、2、3、4、9 次接地時, 1 號消弧線圈工作處于欠補償狀態；5、6、7、8 次接地時, 1 號消弧線圈工作處于過補償狀態, 詳見表3。

表3 1 號消弧線圈接地信息 (SDH 變電站10 kVⅠ母)

可見, 在故障期間, 兩段母線均出現反復接地。該站單母線消弧線圈容量1 000 kVA, 接地過程中控制器顯示最大電容電流為188 A, 兩個消弧線圈均出現欠補償狀態, 反映出控制器在接地過程中調檔出現問題, 未及時補償到位。

3 故障電纜解體分析

2019 年10 月 12 日, 調查人員赴現場, 發現事故電纜溝內電纜存在堆壓現象, 電纜間無防火隔離措施。進一步核實, 共有電纜21 回, 所有電纜存在過火和不同程度受損, 其中10 kV SYⅡ回、SYⅠ回、JYⅠ回在事故溝井內各有1 個中間接頭,接頭未加裝防爆盒。電纜通道內存在季節性積水浸泡問題。

對10 kV SYⅡ回338 故障中間接頭進行解體,發現接頭端部均未纏密封膠進行防潮, 銅芯上有大量銅綠。剖開內層熱縮絕緣, 發現內部有大量水珠溢出, 溝內接頭明顯受潮。

SYⅡ回接頭外半導電層明顯受潮, 電纜主絕緣層泛黃, 最內層熱縮管內壁放電變色, 且有異物。該接頭在制作時僅熱縮了2 層絕緣管 (制作工藝要求不少于3 層熱縮管)。在半導電層上有環形勒痕, 核查發現銅屏蔽編織網連接時, 未應用恒力彈簧固定, 而采取鋼絲綁扎, 導致半導電和主絕緣損傷。沿半導電層勒傷處、熱縮套內壁至銅壓接管, 有放電痕跡。勒痕右側半導電放電碳化、銅芯裸露, 為本次故障擊穿點。

根據以上解體結果, SYⅡ回中間接頭因制作過程中密封不良、制作時未按熱縮工藝要求加裝3層以上絕緣管, 且半導電和主絕緣層存在明顯傷痕等工藝問題, 最終導致中間接頭在端部密封處發生故障擊穿。

4 故障過程解析

根據現場檢查及保護動作情況, 可知故障過程如圖1 所示。

圖1 故障時序圖

1) 110 kV SDH 變電站10 kV SYⅡ線電纜中間接頭A、C 相對地擊穿。主要是因為電纜中間接頭密封不良、熱縮絕緣層數不夠、制作工藝不合格等問題, 導致絕緣性能下降, 在運行中發生擊穿, 引起接地。

2) 110 kV SDH 變母線接地, 過流Ⅰ段保護跳閘。

3) 2s 后10 kV SYⅡ線重合閘。

4) 10 kV SYⅡ線電纜中間接頭燃弧、起火。主要原因是電纜主絕緣交聯聚乙烯為固體絕緣材料, 其擊穿后絕緣性能無法自行恢復。而重合閘再次通過大電流時, 變電站消弧線圈配置錯誤未起到消弧作用, 導致中間接頭重燃。

5) 共溝 21 回電纜相繼燃燒、損毀。因為電纜中間接頭絕緣復合材料為易燃物質, 所以10 kV SYⅡ線電纜中間接頭火勢不斷發展, 逐漸影響到共通道的相鄰電纜。由于此電纜通道內無有效的防火措施, 造成火勢進一步延伸擴大, 同通道內21回電纜全部燒損。

5 結語

從本次典型故障可以發現, 目前大量10 kV 電力電纜中間接頭存在密封不良、絕緣層不夠、半導電和主絕緣層損傷等制作工藝不合格問題, 加之運行環境惡劣、長期受潮, 導致絕緣劣化, 在運行中發生故障接地, 并引發間歇性起弧, 是引起電纜線路故障擊穿的普遍原因。此外, 大量共溝電纜通道內部各電纜隨意堆壓, 未實現物理隔離, 無有效防火阻燃、接頭防爆措施, 極易導致擊穿故障擴大,引發電力電纜集中燒損事故。

針對這類嚴重問題, 提出如下技術措施:

1) 充分結合電力電纜線路局部放電定位和分布式阻抗譜定位技術, 發現電纜存在的缺陷和劣化位置。

2) 采用熱熔結工藝對缺陷電纜中間接頭進行消缺, 確保電纜導體、主絕緣、半導電層接續良好。

3) 充分靈活運用FACTS 接地故障定位及防治技術, 彌補消弧線圈補償不到位的問題。

4) 對于純電纜線路、變電站為電纜出線且出線段200 m 內有中間接頭的混合線路、10 回及以上配電電纜共通道、輸配電電纜共通道、特級(一級) 用戶電纜和公用電纜共通道五種情況, 全面退出重合閘功能, 避免對電纜缺陷產生二次沖擊。