某特高壓換流站接地極入地饋線電纜故障分析及處理

劉天作，馬加夫，趙文詩

(1.國網河南電力直流運檢分公司，河南 鄭州 450000；2.國網內蒙古東部電力檢修分公司，內蒙古 通遼 028000)

特高壓直流輸電技術具有輸送容量大、輸電距離遠、控制性能強等優點，在電能遠距離傳輸及區域電網互聯中發揮了重要作用[1-3]。接地極是特高壓直流輸電系統的重要組成部分，主要起到提供大地回流通路、建立系統電壓參考點等作用，其在單極大地返回運行時擔負著鉗制中性點電位以及為入地電流提供返回通路的任務，因此直流接地極及其引線運行狀態與直流輸電運行可靠性密切相關[4-8]。

1 接地極入地電纜概述

某特高壓換流站為直流輸電工程的整流站，設計額定電壓±800 kV、額定電流6250 A、額定功率為10 000 MW，雙極4個閥組，接地極址距離換流站約40 km，采用站外水平環形接地極[9]，即通過架空線送到接地極的系統電流由導流線將電流分成若干支路導入接地極極環，極環布置采用同心雙圓環水平敷設，內環半徑為330 m，外環半徑為435 m，導流電纜采用直埋方式與極環的多個長度為1.5 m的入地饋電棒通過放熱焊接連接，將系統電流泄入大地。接地極電纜編號為1-36，如圖1所示。

圖1 極環導流電纜編號

從接地極匯流管母上連接至內環的電纜共12根，分別為圖2中編號1、2、5、6、13、18、19、20、23、24、31、36的電纜。6號與24號電纜為2根并聯接地電纜，18號與36號為2根并聯接地電纜。18號與24號電纜可以看作1根電纜的兩端，6號與36號電纜可以看作1根電纜的兩端。連接內環的每根電纜長度基本相同，均在1500 m左右，其一端連接在管母上，編號分別為1、2、5、6、13、18；另一端也連接在管母上，編號分別為31、23、20、36、19、24。6號與24號電纜并聯入地，走向相同，經過1/3圓弧后，返回地面，與18號與36號電纜形成并行電纜，這2根并聯電纜本體在地下時彼此靠近并進行多次短接，即將2根并聯電纜在相同的位置剖皮，對2處裸露銅芯進行放熱焊接，焊接點再連接至內環饋電棒，這2根電纜互為備用。其他4根電纜的處理方式類似，分別形成2個1/3圓弧。內環饋線電纜配對的情況如表1所示。

圖2 饋線電纜編號對應圖

表1 內環饋線電纜配對情況

2 電纜故障情況

在某日進行大負荷試驗時，該換流站運行方式為極Ⅰ低端單閥組大地回線方式，最低輸送功率600 MW，最高輸送功率為2625 MW，當日直流系統輸送負荷曲線如圖3所示。

圖3 大負荷期間功率曲線

在大負荷試驗期間對接地極內設備分3個時間段進行紅外測溫及入地饋線電纜電流測量時，發現接地極24號入地饋線電纜存在分流偏小，約為其他相同工況電纜電流值的1/10，而溫升存在偏大現象。經過對36根饋線電纜檢查和測溫數據橫向對比，確認24號饋線電纜存在故障現象。具體檢查結果如表2所示，紅外測溫圖譜如圖4所示。

表2 饋線電纜3次檢查情況

圖4 24號饋線電纜紅外測溫圖譜

3 故障電纜檢查及處理

檢修人員首先對24號饋線電纜的接頭進行力矩檢查與接觸電阻測量，結果均正常，初步判斷為24號電纜本體出現斷裂或中間段接觸不良；為進一步分析，現場對24號電纜開展回路電阻檢查，使用的試驗儀器及設備為HLY型回路電阻測試儀、萬用表和鉗形表。

3.1 回路電阻檢查

分析入地饋線電纜的連接方式后，檢修人員通過對匯流管母與連接內環的電纜接頭進行改接線，將測量電流偏小的電纜，與1條測量正常的電纜，形成測量回路，通過測量這2條電纜形成的回路電阻，并與另2條正常電纜的回路電阻進行對比，來判斷測量電流偏小的電纜是否存在異常。通過測試儀對回路進行注流，使用鉗形表核對測試儀的電流，使用萬用表測量回路電壓，電壓/電流測量回路電阻結果如表3所示。

結合回路電阻試驗數據分析結果如下。

a.第1組、2組數據為24號電纜分別與18號、36號電纜的組合；第3組、4組數據為6號電纜分別與18號、36號電纜的組合。因為18號電纜與24號電纜是共同入地的電纜兩端組合，在24號電纜出現故障而6號電纜無故障時，這2條電纜的電阻對比有可能直接反映出問題。第1組、2組、3組、4組的電阻數據十分接近，均為0.095 Ω左右，說明24號電纜與6號電纜的地下部分無差別，而電纜長度為1500 m左右，測量的電阻結果與電纜長度較為符合，可以初步判斷24號、6號、18號、36號電纜未出現斷裂或接觸不良等故障。

b.第5組數據的回路電阻為0.061 Ω，與地下電纜的長度符合。作為對比測量另一弧段上相同接線方式的2個電纜組合，即第6組數據0.06 Ω(5號和23號電纜)，可見在不同弧段的2種接線方式下，24號、6號的回路電阻與5號、23號回路電阻十分接近，同樣可以判斷24號與6號電纜未出現斷裂或接觸不良等故障。

c.第7組、8組數據，是24號電纜與其他弧段上電纜回路電阻測量結果；第9組、10組數據是6號電纜與其他弧段上電纜回路電阻測量結果。第7組、8組電阻數據為0.088 Ω，說明24號電纜與另一個弧段的不同電纜之間電阻差別不大；第9組、10組數據為0.087 Ω，說明6號電纜與該弧段的不同電纜之間電阻差別不大，說明24號電纜與6號電纜未出現斷裂或接觸不良等故障。

通過以上回路電阻測量數據分析，可以排除24號電纜出現斷裂或接觸不良等故障。而大負荷試驗期間，在大電流注流時，24號電纜電流為26.5 A，6號電纜電流為171 A，6號電纜電流為24號的6.5倍，在正常情況下這2根導流電纜電流應無明顯較大差別。

3.2 注流試驗檢查

在24號電纜與導流管母的接頭接觸良好、電纜本身又未發生斷裂或接觸不良的情況下，檢修人員對36根電纜進行注流試驗，注入電流26 A。

檢修人員將36根電纜全部接回管母，將設備電源的正極連接在管母上，負極連接在接地極設備區地網。試驗時電流從管母流向36根電纜，然后流至接地極內環，通過土壤流向設備區地網，最后回到電源。檢查時用鉗形表對24號電纜進行電流測量，在該電纜護套部分測到7.5 A電流，而其他電纜電流為0.1～3 A。對24號導流電纜的電纜本體與電纜接頭引出的銅接地帶分別進行測量，發現接地帶上流過26 A電流，而本體上流過-18.5 A電流，兩者相加為7.5 A電流。

導流電纜的熱縮護套包裹了電纜本體與接地線，護套上方連接管母，下方分成本體與接地線2部分，接地線延伸1 m左右，連接到構架上，構架與地網連接。結合第1次注流試驗情況，檢修人員將該電纜的接地線與構架分離并絕緣，再次進行注流試驗，發現設備無法進行注流，回路中無電流。將接地線接回構架，又可檢測到電流，注流設備功率為700 W，正常情況下無法對管母注流再通過地網回流。

通過以上2次注流試驗，初步判斷24號電纜的銅接地線(或金屬鎧裝)與電纜線芯發生短接，導致電流從管母流經24號電纜線芯、短路點、24號電纜金屬鎧裝、24號電纜銅接地帶、構架、地網，直接回到了設備負極，構成1個金屬回路，形成環流。當斷開銅接地線與構架的連接，設備無法將電流從電纜本體注入到極環再通過大地回到地網上，因此無法測到電流。

3.3 故障處理

該換流站接地極導流電纜為交聯聚乙烯絕緣聚乙烯護套粗鋼絲鎧裝電力電纜，最高耐受電壓6 kV(大負荷試驗期間每根導流電纜耐受電壓理論上不大于3 kV)。電纜結構如圖5、圖6所示。

圖5 電纜結構平面圖

圖6 電纜結構剖面圖

現場對24號電纜路面以上電纜段進行解剖，發現24號電纜接頭處線芯與接地帶連接處無擊穿點，從而分析在電纜其他段的線芯與接地帶連接處發生擊穿短路，于是繼續對24號電纜出線段至第1處放熱焊點段(路面深埋段)進行挖掘，最終在電纜放熱焊點第1處發現電纜存在明顯的放電點，故障點如圖7所示。

圖7 入地電纜故障點情況

檢修人員在處理放熱焊點短路放電故障前，測試24號電纜線芯與接地連接，結果為導通短路狀態。經過對故障點電纜解剖，重新放熱焊接并灌環氧樹脂漿液，進行細致絕緣包扎后，再次測試24號電纜線芯與接地連接，結果為不導通。恢復銅接地帶和電纜接頭線夾力矩，測量接觸直阻為8 μΩ，符合標準要求，消除了電纜線芯接地短路故障。

4 故障原因分析

檢修人員對入地電纜的回路電阻試驗、注流試驗的測量結果分析，判斷24號電纜的銅接地線(或金屬鎧裝)與電纜線芯發生短路。由于24號電纜短路，從接地極線路中流入管母的總電流有2條流通路徑。

路徑1：通過導流電纜流向接地極極環的正常流通線路，即匯流管母-36根電纜芯線-接地極極環饋電棒-土壤-返回系統。

路徑2：通過24號電纜短路點及銅接地線(或金屬鎧裝)流向設備區接地網的故障流通路徑，即匯流管母-24號電纜接頭-24號電纜短路點-金屬鎧裝-24號電纜銅接地帶-中心設備區金屬構架-中心設備區地網-土壤-返回系統。具體流通路徑如圖8所示。

圖8 電流流通路徑

24號電纜的銅接地線(或金屬鎧裝)與電纜線芯發生了短接，導致電流從管母流經24號電纜線芯、短路點、24號電纜金屬鎧裝、24號電纜銅接地帶、構架、地網，直接回到了設備負極，構成1個金屬回路形成環流，因此導致其溫升較快。銅接地帶的電阻比電纜線芯的電阻大，返回電流產生熱效應，因此24號電纜溫升高于其他電纜。用鉗形電流表測試24號電纜的電流為其線芯電流和銅接地帶電流的向量疊加，而兩者方向相反，因此數值為兩者之差，導致24號電纜測試電流要遠小于其他電纜。

以上情況導致大負荷試驗運行時，24號電纜的電流和溫度出現異常。

5 結語

在大負荷試驗期間，運維人員通過紅外測溫及電流測量及時發現接地極24號入地饋線電纜溫升較大、電流較小的重大缺陷，通過相關試驗檢測數據與分析，準確判斷了該入地饋線電纜故障原因，并及時有效處理了該缺陷，保障了直流換流站安全穩定運行，避免了重大設備故障及可能引發的電網事件，為電力企業減少了可能引起的重大經濟損失。