全電纜線路故障定位及GIS變電站優化方法

廣東電網有限責任公司東莞供電局 曾遠方 李名科

1 引言

隨著電網的發展，城市電網110kV 及220kV線路的電纜化率越來越高。電纜具有可靠性高、節約土地資源、故障率低等優點。但是電纜故障情況下，故障檢測和消除的時間相對于架空較長，往往需要停電后切除故障段再駁接新電力，而制作電纜頭駁接需要時間較長。目前東莞地區110kV 及220kV 整體電纜化率約在22%。近年在城市電網設計中，全線電纜線路逐步增加，隨著城市開發程度增加，未來增加的線路主要以電纜為主，尤其是110kV 新建設線路主要以電纜為主，預計至“十四五”新建110kV 線路80%以上為電纜線路，“十四五”末期110kV 電纜化率進一步提升至40%左右。

另一方面，為了城市美觀和融入周邊環境，在中心城區變電站主要采用戶內GIS 設備，有些區域甚至需建設全站包括主變壓器戶內的變電站，所以未來將建設更多全電纜線路兩端變電站GIS 進線的結構。為快速復電，在電纜故障情況下需要快速定位故障進行消缺，由于該結構下無裸露的金屬導線，電纜故障定位測試裝置無法快速接入，電纜故障的定位和查找需要耗費較長時間，對生產運維造成了一定的困難。需要從電纜故障定位技術和變電站設備布置等方面開展研究。

目前對電纜故障檢測的算法和檢測設備的研究居多。文獻[1]研究了GIS 出線的110kV 及35kV變壓器不拆頭試驗方法，文獻[2-3]對于故障定位檢測方法進行了研究，文獻[4-5]對于故障定位裝置進行了改進研究。但是目前，結合現有已建設變電站和線路，沒有從結構上提出較好的適應性。

2 現狀問題

在電纜線路全線為純電纜，兩端110kV 或220kV 變電站的站內一次設備均為GIS 設備，全電纜線路兩側為GIS 設備進線，這類結構給電纜設備故障定位和檢修恢復造成較大困難。由于導體全線封閉，當電纜發生故障時，電纜故障定位測試儀無法接入分相導體進行試驗（試驗電壓可達單相額定電壓或以上），需解體一側電纜接頭GIS 氣室再接入故障定位測試裝置，現狀技術一般情況下需GIS 廠家到現場技術支持，故障查找無法在48h 內完成，故障檢測和消缺時間較長，可能導致電力生產安全南方電網丁奕的三級事件風險（220kV 輸電線路非計劃停電達48h 以上、110kV 輸電線路非計劃停電達72h 以上）。故障定位后的GIS 設備恢復及故障隔離也需要耗費較多的時間。全電纜線路GIS 進線如圖1所示，電纜設備到變電站后直接進入變電站了GIS 套筒內。

圖1 全電纜線路GIS 進線

現在的變電站布置和設備難以滿足電纜檢測要求，所以需要研究在全電纜線路GIS 進線情況下，對于電纜線路故障定位及變電站設備布置優化方法。

3 電纜故障快速定位試驗方法

當電纜發生故障時，尤其是當發生高阻接地故障或者間歇接地故障，需要通過對電纜線路接入測試裝置檢測故障，試驗電壓可達單相額定電壓或以上。對于現狀已投運的全電纜線路GIS 進線，難以改變已有變電站和線路的結構，而通過解體一側電纜接頭GIS 氣室接入測試裝置需要時間過長。針對110kV 線路，研究在現有設備情況下通過GIS 主變側高壓套管接線接入測試裝置檢測故障的方法。在東莞地區110kV 電網結構主要以T 接為主，110kV 變電站主要以線變組為主。在全電纜的電氣結構回路中，能夠有架空或者金屬導線裸露的位置為主變壓器的高壓側套管接線，可以通過在停電狀態下主變側高壓套管接線接入測試裝置來實現電纜故障快速定位

該方法在東莞地區某一新投運110kV 變電站及線路中試驗，通過在新建電纜某一處設置故障間隙，在110kV 變電站主變壓器的高壓側套管接線上接入測試裝置，裝置發出電壓66kV 的故障定位信號，成功定位已設定故障，且未對現有電氣設備造成硬性。電纜故障快速定位試驗方法如圖2所示。所以，此方法可以用于現有全電纜兩側GIS 進線電纜的故障快速定位試驗，在試驗前應開展GIS 設備承載試驗電壓能力評估，避免老舊GIS 設備被試驗電壓擊穿。故障定位測試裝置接線位置如圖3所示。

圖2 電纜故障快速定位試驗方法

圖3 接線位置

4 110kV 變電站布置優化方案

對于新建設的110kV GIS 變電站，為了增加電纜故障快速監測裝置接入點，考慮通過對電纜進線方式優化來實現，方案為電纜從戶外進線，在變電站增加飄臺，增加絕緣子支柱、導引線、穿墻套管設置于戶外飄臺上，電纜線路經過飄臺后進去GIG 戶內設備。對于對外觀要求較高的區域，考慮提高圍墻設計高度或在圍墻上加裝格柵的方式，遮擋戶外的設備。此方法則形成了裸露導引線一段，在電纜故障有需要時可以提供檢測點。此方法在110kV 變電站可以實現每個間隔形成1個“電纜-架空引線-GIS 設備”的結構。目前已在實際建設110kV 變電站中完善該設計方案并通過可行性研究審查，在未來東莞地區的變電站建設中采用該方案。110kV 變電站布置優化方案。如圖4所示。

圖4 110kV 變電站布置優化方案

5 220kV 變電站布置優化方案

規劃新建220kV 變電站，涉及220kV 全電纜進線，220kV GIS 設備布置的情況下，優化電纜從戶外飄臺進線，通過電纜終端頭轉架空線，經過避雷器后，接至GIS 戶外進線接頭。此設計方法每回電纜進線均有試驗接入點，不需增加配電裝置樓面積，與現有南方電網典型設計差異較小。目前已在實際建設220kV 變電站中采用該方案。220kV 變電站布置優化方案側面截面結構如圖5所示。

圖5 220kV 變電站布置優化方案側面截面結構

6 結語

110kV 及220kV 全電纜線路兩端變電站GIS進線結構，在電纜故障情況下無裸露金屬設備接入電纜故障定位測試儀，給電纜設備故障定位和檢修恢復造成較大困難。為解決這一問題，從故障快速定位方法及規劃變電站設備布置優化方法兩方面解決。對于現狀已建成的110kV 變電站和線路，可通過主變側高壓套管接線接入故障定位測試裝置實現快速檢測故障，通過已投運設備進行試驗，驗證了該方法的可行性。對于規劃建設的變電站，通過變電站設備布置優化方法滿足故障定位測試裝置的接入。對于110kV 及220kV 變電站典型設計中電纜直接GIS 進線的方案進行優化，優化電纜從戶外飄臺進線，通過電纜終端頭轉架空線，經過避雷器后，接至GIS 戶外進線接頭，實現故障定位測試裝置可快速接入。