某電廠220kV電力電纜的金屬護層產生過電壓原因分析

楊帥普 潘志強 吳森飚

（1.廣州珠江電力有限公司 廣東省廣州市 511400 2.廣州珠江天然氣發電有限公司 廣東省廣州市 511400）

隨著國家經濟的快速發展，科學技術的不斷進步，高壓動力電纜以其便于鋪設，占地面積小、維護簡單等優點，在城市區域供電網絡、工廠、發電企業中得到越來越多的應用。根據電力行業安全操作規程，電氣不帶電設備的外殼都必須接地，所以高壓電纜的金屬護層或者屏蔽層必須按照標準進行可靠的接地。通常110kV 以下的電力電纜通常是三芯結構，在正常運行時流過三相導體電流之和為零，故采用電纜兩端直接接地方式。110kV 及以上的電力電纜一般采用單芯結構，在正常運行時電纜金屬護層會產生感應電壓，采用兩端接地方式會通過接地網絡形成環流，長期運行電纜會造成發熱老化，甚至電纜絕緣擊穿，故單芯電纜一般采用一端接地方式[1]。電力電纜在運行中會經常遇到雷電過電壓和操作過電壓，在電纜護層中也會同時感應出很高的沖擊電壓，因此就需要在電力電纜不接地端裝設護層保護器[2]。護層保護器可以根據電力設施的布置形式選擇裝設在首端或者末端，但護層保護器的選型一定要經過準確定值計算和設計安裝，否則電力電纜長期承受過電壓，會加速電纜老化進而可能引起絕緣擊穿的嚴重事故。

1 電氣設備概況

某發電廠的主變與GIS 設備連接采用沈陽古河220kV YJLW03型電力電纜連接。根據電力設計規范[2]要求：電力電纜一端與變壓器連接，一端與GIS 設備連接，電力電纜護層的接地方式宜采用變壓側三相互聯直接接地，GIS 側采用裝設護層保護器連接，發電廠接線方式按照該要求進行安裝布置。GIS 設備的出線處三相分別裝設一臺Y10W5 型氧化鋅避雷器，通過單層架構跳線方式連接雙回線桿塔（自上而下分別為B 相、A 相、C 相），輸電線路全線裝設雙避雷線。廠內220kV 電纜安裝及相關電氣參數如圖1 和表1。

圖1：某發電廠220kV 電纜安裝布置圖

表1

2 設備問題情況

在機組計劃性檢修中發現，護層保護裝置的絕緣固定螺栓對保護裝置的金屬外殼有放電現象，其中B 相、A 相放電情況嚴重（C相正常），保護器外殼均出現嚴重燒蝕，部分固定絕緣螺栓燒蝕變形，查看三相護層保護器均未有動作情況（保護動作計數器），可見該保護器已無法起到保護作用。護層保護器現場情況如圖2所示。

圖2

3 原因分析

經過查找原始設計資料和查看原始設計參數，并現場護層接地點接地電阻測量確認正常，該電廠220kV電力電纜采用專用電纜溝水平鋪設，變壓器側三相互聯直接接地，GIS 側裝設護層保護器。可以得出該電廠的等值電路圖如圖3所示。

圖3：電廠電力電纜的等值電路圖

通常情況波阻抗Z1、Z2可以根據電纜的結構計算得出或者進行實測得出[1]，r1：為電纜主導體的半徑（mm），ra：為電纜護層的半徑（mm），ρ 為土壤的電阻率，一般可實測得出（該地區一般取50 ～100Ωm），f 為工頻頻率，一般的架空線導線波阻抗一般取500Ω[3]。經實測可知：Z1=27.5Ω，Z2=19.3Ω，U0為裝設避雷器線路的10KA 雷電沖擊電流下最大殘壓（520kV）。根據公式（1）、表1 和電纜輸電線路設計規范[1]可計算得出：受雷電波沖擊下的沖擊電壓UA=36.7kV。根據設計規范[4]，操作過電壓U0可以用220kV系統的相電壓（額定相電壓：127kV；峰值電壓為179.6kV）進行計算[5]，可以得出UA額定=8.96kV，UA峰值=12.7kV。依據表1 中原有護層保護器的保護參數來說，其動作電壓為17kV，而電纜的額定耐壓為10kV，出現操作過電壓時，護層保護器不會動作，所以原護層保護器無法起到保護作用。根據研究數據表明棒-板氣隙擊穿電壓為3.8kV（eff）/cm[3]，因此裝設的護層保護器連接件與金屬外殼或接地體的氣隙絕緣間距在操作過電壓下最小為2.4cm，雷電沖擊過電壓下最小氣隙絕緣間距為4.5cm。原護層保護器連接件至金屬外殼的氣隙絕緣距離為4cm 左右基本滿足操作過電壓的最小氣隙絕緣距離，因此在操作過電壓下，不會發生氣隙被擊穿而引起放電燒蝕現象。研究表明雷擊避雷線或者線路塔桿都會在線路導線上產生感應電壓，感應電壓大小與導線至地面的高度成正比關系，導線距離地面越低，感應過電壓越小[3]。該電廠的出線采用同塔雙回線設置，B 相、A 相、C 相以自上而下布置，而原護層保護器連接件至金屬外殼的氣隙距離在4cm 左右，因此在發生雷擊時很容被擊穿，B 相距離地面最高，因此產生過電壓最大，放電燒蝕現象最嚴重，A 相次之，而在C 相上產生雷擊過電壓偏小致使未能擊穿氣隙，因此沒有發生放電燒蝕現象。

4 整改措施

根據生產現場實際情況，將原220kV電力電纜護層保護器拆除報廢處理，重新進行護層保護器的選型。選型結果如表2所示。

表2

根據表2 選型結果，新型護層保護器動作電壓為5.8kV，殘壓不大于10kV（電纜護層額定電壓10kV），滿足220kV電力電纜的安全運行要求，后續還需加強對護層保護器的日常維護和定檢工作，確保護層保護器安全可靠工作。

5 結論

220kV電力電纜的應用已經較為普及，按電力運行規程要求加強日常安全維護和設計參數的校驗與定檢試驗，電纜護層保護器動作與運行情況是監測電纜是否正常重要手段，要引起足夠的重視。出現異常情況都要及時處理，避免因保護器無法釋放過電壓而引起絕緣老化，甚至發生絕緣擊穿的嚴重電力事故。