一起500 kV電纜外護套放電故障分析及防治措施研究

管毓瑤，劉守豹，宋佳駿，胡思宇，王曉蘭

(大唐水電科學技術研究院有限公司, 廣西 南寧 530007)

0 引 言

交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于其電氣性能、耐熱性能和機械性能優良、傳輸容量大、結構輕便等優勢被廣泛應用于高壓交直流電纜絕緣領域[1-3]。但是近年來因電纜故障導致的停電事件呈現出逐年增多的趨勢[4-7]，其中，據相關機構調查統計，由于電纜終端或中間接頭環境的安裝方式不合理導致了電力電纜運行中的大部分異常或故障[8-14]。因此，針對高電壓等級的電力電纜，需要根據電纜具體參數選擇合理的安裝方式。

下面，結合一起500 kV交聯聚乙烯電纜外護套放電的故障分析進行防治措施研究。首先，利用ATP-EMTP仿真軟件建立了全廠一次設備的仿真模型，分析了電纜鋁護套合閘過電壓現象以及電纜鋁護套過電壓的影響因素；然后，分析了放電故障的原因；最后，制定了處理方案并提出了預防措施。

1 故障簡介

某水電廠的500 kV電纜為XLPE電纜，導體截面積800 mm2，于2012年3月投入運行，用于連接主變壓器高壓側至500 kV 的氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear,GIS)，如圖1所示。

圖1 某水電廠一次接線及500 kV電纜位置

該水電廠的500 kV電纜采用平行敷設的敷設方式，電纜最大長度為795 m，電纜滿載電流為770 A，電纜敷設間距為400 mm。電纜的主變壓器側鋁護套通過電壓限制器接地。電壓限制器額定電壓為15 kV，1 mA參考電壓經試驗約為22.5 kV。500 kV電纜GIS側金屬護套采用直接接地方式。自設備投運以來，在進行主變壓器倒閘充電瞬間，存在夾具對電纜外護套放電現象，如圖2所示。

2 仿真模型建立

為了對故障原因及治理措施進行研究，采用ATP-EMTP軟件建立了該水電廠電磁暫態分析模型，對不同運行方式、電壓限制器和變壓器鐵芯非線性及剩磁情況下的電纜合閘過電壓進行了量化計算。

建立全廠一次設備模型如圖3所示，其中電纜被分為5等分，依次設置6個觀察點。觀察點1位于電纜與GIS的終端頭處，觀察點6位于電纜與變壓器高壓側相連的終端頭處，以便對合閘過程中鋁護套電壓情況進行觀察。GIS管道和500 kV電纜采用單芯管道模擬，主變壓器高壓側入口電容為117.5 pF，如圖4所示。遠端線路采用標準三相電壓源，線電壓幅值為500 kV，沖擊合閘時間設置為0.1 s。

圖3 一次設備電磁暫態仿真模型

圖4 基于ATP-EMTP的GIS和電纜模型

為了考察合閘過程中主變壓器高壓繞組鐵芯非線性和剩磁所導致的勵磁涌流對電纜鋁護套過電壓的影響，采用高壓繞組磁滯回線，如圖5所示。當對某臺變壓器進行沖擊合閘時，對應合閘前各繞組剩磁，按照A相為1430 Wb、B相為-1430 Wb、C相為-1430 Wb來設置，其中1430 Wb為變壓器繞組磁鏈穩態值。

圖5 主變壓器高壓繞組磁滯回線

3 電纜鋁護套合閘過電壓分析

全廠除了2號發變組及其2號主變壓器高壓電纜外，其余一次設備均帶電。在此運行方式下，通過GIS斷路器在0.1 ms時對2號電纜及2號主變壓器充電，得到電纜鋁護套觀察點的電壓波形，如圖6所示。圖中，藍色、紅色、綠色曲線分別代表A、B、C三相電壓波形(下同)。

(a) 觀察點1

(c) 觀察點3

(d) 觀察點4

(e) 觀察點5

(f) 觀察點8圖6 合閘過程中電纜鋁護套電壓波形

從圖6的波形可知，除了觀察點1因為接地點、觀察點6因為過電壓保護器使電壓得到限制外，其他觀察點的過電壓波形均處于較高幅值。觀察點2的A相過電壓峰值達270 kV，對應波形局部放大如圖7所示，其波頭時間約1.5 μs，波尾時間2 μs。

圖7 觀察點2 A相電壓局部放大

4 電纜鋁護套過電壓影響因素分析

對電纜鋁護套放電原因開展的研究，集中在電廠運行方式、電纜電壓限制器參數、主變壓器高壓繞組剩磁3個方面，下面對這3個可能因素進行定量分析。

4.1 電廠運行方式的影響

分別在全廠僅GIS帶電時對2號電纜及2號主變壓器充電，以及在GIS、1號和3號電纜主變壓器帶電時對2號電纜和2號主變壓器充電兩種情況進行分析。為了便于比較，以觀察點2的電壓作為比較標準，得到兩種情況下的電壓波形，如圖8所示。

將圖8與圖7比較可知，這3種運行方式下的過電壓峰值分別為228 kV、248 kV、270 kV。從整體上看，運行設備越多，對應合閘導致的電纜鋁護套過電壓幅值越大，但增加幅值并不明顯。

圖8 不同運行方式下電纜鋁護套過電壓波形

4.2 電纜電壓限制器參數的影響

以全廠除了2號發變組及其2號主變壓器高壓電纜外其余一次設備均帶電(第3章運行方式)時對2號電纜和主變壓器合閘充電作為分析對象。將電壓限制器從HC15型替換為HC5型，HC15的直流1 mA參考電壓比HC5大三倍，HC5的伏安特性曲線比HC15的伏安特性曲線低，如圖9所示。

圖9 HC15型、HC5型電壓限制器伏安特性曲線

采用HC5過電壓限制器情況下，觀察點2、觀察點5和觀察點6的電壓波形如圖10所示。

(a) 觀察點2

(b) 觀察點5

(c) 觀察點6圖10 采用 HC5過電壓限制器時的電壓波形

通過對比圖6和圖9可知，在降低過電壓限制器的伏安特性曲線之后(動作電壓和殘壓降低)，觀察點6(過電壓限制器安裝點)的電壓明顯降低，觀察點2的電壓幾乎沒有變化，觀察點5的電壓反而有所上升。

4.3 主變壓器高壓繞組剩磁

第3章中的過電壓分析結果是在2號主變壓器鐵芯最大剩磁情況下得到的。對變壓器高壓繞組零剩磁情況進行計算，得到觀察點2電壓波形如圖11所示。

圖11 2號主變壓器鐵芯剩磁為0時觀察點2電壓波形

對比圖6(b)和圖11可知，變壓器鐵芯是否有剩磁對電纜鋁護套過電壓基本無影響。這是因為合閘過程中電纜鋁護套過電壓和變壓器繞組勵磁涌流的時間為兩個不同的數量級。以最大剩磁情況下的合閘過程(第3章運行方式)為例，對應的勵磁涌流電壓波形和觀察點2 A相電壓波形如圖12所示。

(b) 觀察點2

(b) 觀察點2 A相電壓波形圖12 勵磁涌流波形和觀察點2 A相電壓波形

從圖12可知：勵磁涌流是一個緩慢的過程，它是由電感決定的，由于電感具有阻礙電流變化的特性，因此其過渡過程是以基波為時間尺度的；電纜的過電壓是由分布電容決定的，電容對瞬態電壓具有導通作用，所以其過渡過程是以微秒為時間尺度的。

4.4 小 結

就電廠運行方式、電纜電壓限制器參數、變壓器高壓繞組剩磁3種因素對電纜鋁護套合閘過電壓的影響分析得出如下結論：

1)電纜鋁護套合閘過電壓主要受系統參數，尤其是其自身分布電容參數的影響，運行方式對其影響不大；

2)過電壓限制器對電纜鋁護套合閘過電壓的影響集中在安裝點附近，對于其他部分基本起不到限制過電壓的功效；

3)勵磁涌流和過電壓是兩個時間尺度的變化量，變壓器是否存在剩磁對電纜鋁護套過電壓沒有影響。

5 放電原因分析及處理措施

5.1 放電原因分析

該水電廠500 kV電纜夾具實際安裝形式如圖13所示，其內部橡膠墊不是全包裹形式，采用的是兩個不能緊密配合的不完整半圓組合而成，導致電纜外護套表皮與金屬夾件之間存在空氣間隙。在系統側給電纜沖擊合閘的過程，實際上是電荷在系統-電纜-變壓器中重新分布的過程，在合閘的瞬間電荷分布是動態波動到逐步平衡的。在合閘瞬間，通過電容分壓電纜芯線-屏蔽層-外套均能夠感應電荷，這些電荷無法在合閘瞬間被接地線疏導進入大地，將產生過電壓，其中屏蔽層過電壓峰值達270 kV。半導體層電位受屏蔽層影響也將達到270 kV的幅值，最終導致夾件空氣間隙擊穿。

圖13 該水電廠500 kV電纜金屬夾具安裝情況

電纜鋁護套在合閘沖擊時刻的最大過電壓可到達270 kV，對于夾具和電纜外護套之間的空氣間隙(約1 cm)被擊穿是必然的。就放電過程而言，其本質上是一種電容分壓導致的感應放電，由于能量較低，不會對電纜外護套造成明顯破壞。

5.2 處理措施

參考某水電廠500 kV電纜金屬夾具安裝方式，如圖14所示，可知其外護套與金屬夾具之間采用直接接觸方式。由于外護套外皮采用的是導電層，因此沖擊合閘過程中電纜外護套表面的感應放電直接以緊密接觸傳導的方式釋放，不會出現可見火花。

圖14 某水電廠500 kV電纜金屬夾具安裝情況

參考其他電廠500 kV電纜金屬夾具安裝形式，結合該水電廠實際情況，為了消除沖擊合閘過程中存在的火花放電現象，在不對現有安裝方式進行大改變的前提下，可通過在夾件空氣間隙處填充軟質導電橡膠或塞入鋁箔紙的方式，實現夾具與電纜外護套的緊密電氣連接，將沖擊合閘過程中產生的感應電荷及時釋放。

6 結 論

1)對于單端接地的高壓短距離電纜，空載沖擊合閘過程中在鋁護套上產生較高的過電壓是由于電纜自身結構固有的分布電容決定的。采取改善接地或改變電壓限制器難以降低鋁護套上最大過電壓幅值。

2)該水電廠電纜外護套放電的原因在于采用了不合適的金屬夾具安裝方式，其橡膠墊片未能對電纜外護套進行全包裹，使得外護套與金屬夾具之間的空氣間隙在合閘過程中承受了過電壓而發生空氣擊穿。

3)建議在高壓電纜安裝過程中，采用導電橡膠作為金屬夾具墊片，在柔性固定電纜的同時起到釋放感應電荷的作用。