段建家，王海躍，岳一石，黃福勇，由凱

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

電纜故障導(dǎo)致變電站多條出線跳閘原因分析

段建家1，王海躍2，岳一石1，黃福勇1，由凱1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

文中分析某220 kV變電站近區(qū)110 kV電纜終端運(yùn)行中擊穿接地故障和變電站3條220 kV出線跳閘事故，指出電纜終端應(yīng)力錐在安裝過(guò)程中損傷了主絕緣，絕緣材料在長(zhǎng)期局部放電作用下發(fā)生劣化是發(fā)生擊穿的原因。電纜故障后，因蓄電池組存在開(kāi)路導(dǎo)致直流Ⅰ段母線失壓，從而導(dǎo)致線路跳閘。最后針對(duì)跳閘原因提出了解決措施和建議。

近區(qū)；擊穿；故障；保護(hù)動(dòng)作；跳閘；分析

電力電纜線路是城市供電線路的主要方式，一般為負(fù)荷集中區(qū)或重要負(fù)荷，電纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到一個(gè)城市可靠供電。但電纜線路在運(yùn)行過(guò)程中受到多種因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行故障，想要有效避免故障的發(fā)生，就需要針對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行分析，并做好故障探尋管理工作，選擇切實(shí)可行的措施進(jìn)行處理，爭(zhēng)取不斷提高電纜線路運(yùn)行的可靠性〔1〕。文中針對(duì)一起某220 kV變電站近區(qū)110 kV電纜終端運(yùn)行中擊穿接地故障，導(dǎo)致變電站3條220 kV出線跳閘，進(jìn)行了深入分析。

1 事故簡(jiǎn)述

2015年6月16日9時(shí)36分，某220 kV變電站某110 kV出線電纜A相終端接地短路爆炸，短路電流14 kA，90 ms后516斷路器動(dòng)作成功切除故障，400 ms后直流電源短暫失電，期間變電站220 kV 602出線、608出線、614出線同時(shí)跳閘。

事故前運(yùn)行方式如圖1所示，2臺(tái)主變并列運(yùn)行，1號(hào)主變中性點(diǎn)接地，220 kVⅠ，Ⅱ母線各供3條220 kV線路運(yùn)行；1號(hào)站用變接于10 kVⅠ母帶全站站用負(fù)荷，2號(hào)站用變接于10 kVⅡ母熱備用，380V采用進(jìn)線備投的方式。

圖1 事故前一次設(shè)備運(yùn)行方式

2 電纜終端故障分析

2.1 故障電纜銘牌

故障電纜本體型號(hào)YJW02－1×630，長(zhǎng)度約188 m，2002年3月11日投運(yùn)，電纜生產(chǎn)廠家為江蘇寶勝電氣股份有限公司，電纜終端型號(hào)為TPE 1123/069，系某知名終端廠家2001年產(chǎn)品。

2.2 故障現(xiàn)場(chǎng)情況

110 kV 516出線001塔A相電纜終端爆炸，瓷套散落周圍，終端內(nèi)部硅油均勻散落在周圍20m2內(nèi)，應(yīng)力錐向上移位約60 cm，部分瓷套內(nèi)側(cè)有過(guò)熱跡象。應(yīng)力錐向上移位示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 應(yīng)力錐向上移位示意圖

經(jīng)檢查A相電纜終端發(fā)現(xiàn)，終端底座瓷套斷裂，但內(nèi)部包扎帶未見(jiàn)過(guò)熱灼傷痕跡，斷裂部位示意圖見(jiàn)圖3；電纜終端內(nèi)電纜主絕緣有3處擊穿，擊穿部位主絕緣表面粗糙，擊穿部位均位于應(yīng)力錐初始正常位置的兩端部，移位的應(yīng)力錐下部可見(jiàn)明顯開(kāi)裂，另一方面，應(yīng)力錐與電纜外護(hù)套尾管連接的銅網(wǎng)過(guò)渡帶有明顯燒蝕過(guò)流痕跡，應(yīng)力錐外表面有明顯放電通道痕跡，具體情況見(jiàn)圖4。

圖3 終端瓷套斷裂示意圖

圖4 電纜終端主絕緣擊穿情況

2.3 電纜終端密封情況

檢查電纜終端頭部密封情況，可以很明顯看出，電纜終端上法蘭是一整塊蓋板罩在瓷套上方，密封墊圈受壓痕跡良好，通過(guò)外側(cè)的均壓帽、螺栓、密封墊圈，使得蓋板與瓷套緊密聯(lián)接，可以排除電纜終端密封不良導(dǎo)致電纜故障，電纜終端上法蘭密封情況見(jiàn)圖5。

圖5 電纜端部上法蘭密封情況

2.4 電纜故障分析

對(duì)A相電纜終端應(yīng)力錐進(jìn)行解體檢查，如圖6—7所示。1，2和3號(hào)擊穿點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)圖4中的擊穿點(diǎn)1、擊穿點(diǎn)2、擊穿點(diǎn)3，可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)擊穿點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于應(yīng)力錐的上下兩端，應(yīng)力錐上端部和外表面有明顯爬電痕跡；應(yīng)力錐內(nèi)表面下部在放電點(diǎn)2、放電點(diǎn)3處明顯燒蝕熔融，內(nèi)表面其他位置未見(jiàn)爬電痕跡；電纜主絕緣擊穿位置絕緣存在大面積碳化現(xiàn)象。分析認(rèn)為在應(yīng)力錐上部位置主絕緣存在絕緣缺陷，推測(cè)是應(yīng)力錐安裝過(guò)程中損傷了主絕緣，運(yùn)行過(guò)程中，在界面位置產(chǎn)生局部放電，而絕緣材料在長(zhǎng)期局部放電作用下會(huì)逐步發(fā)生劣化，產(chǎn)生泄漏電流沿應(yīng)力錐外表面流向地電位端；在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生局部放電，在累積作用下，主絕緣不斷劣化，直至不能耐受運(yùn)行電壓而發(fā)生擊穿，因此推測(cè)首先發(fā)生擊穿的位置為點(diǎn)1，在發(fā)生擊穿后電流通過(guò)應(yīng)力錐外表面流向地電位端，導(dǎo)致在點(diǎn)2，3位置電場(chǎng)過(guò)度集中，先后發(fā)生擊穿，巨大的短路電流經(jīng)與外護(hù)套相連接的銅網(wǎng)(地電位)短路接地，短路電流使得應(yīng)力錐半導(dǎo)電部分材料熔化，融化物與硅油混合，形成黑色粘稠物，分解產(chǎn)物產(chǎn)生大量氣體，最終導(dǎo)致電纜終端爆炸，同時(shí)巨大的壓力使應(yīng)力錐向上移位。

圖6 主絕緣擊穿位置與應(yīng)力錐對(duì)應(yīng)圖

圖7 應(yīng)力錐剖開(kāi)圖

3 220 kV線路跳閘分析

3.1 跳閘線路檢查

檢查3條220 kV跳閘線路及對(duì)應(yīng)斷路器，一次部分未見(jiàn)異常，線路本身無(wú)故障。

3.2 保護(hù)動(dòng)作分析

跳閘線路602，608，614均接于220 kVⅡ母運(yùn)行，并且均只有B保護(hù)動(dòng)作，A保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作；而另3條接于220 kVⅠ母運(yùn)行的線路未跳閘。

通過(guò)220 kV故障錄波圖可見(jiàn)516故障發(fā)生后400 ms左右220 kVⅡ母TV三相電壓消失，約4.3 s后Ⅱ母TV三相電壓恢復(fù)，Ⅰ母TVA，B相二次電壓也與Ⅱ母電壓基本同時(shí)消失約4.3 s，但Ⅰ母C相電壓只消失約280 ms。

在TV二次電壓消失前，516線路戶外電纜終端頭處故障對(duì)220 kV線路保護(hù)屬于反向區(qū)外故障，距離保護(hù)均可靠不動(dòng)作，當(dāng)TV二次電壓消失后，測(cè)量阻抗接近阻抗平面原點(diǎn)，距離后備段保護(hù)動(dòng)作。

接Ⅰ母運(yùn)行的3條220 kV線路沒(méi)有跳閘的原因:Ⅰ母C相二次電壓消失時(shí)間280 ms較距離Ⅱ段和Ⅲ段動(dòng)作時(shí)間短，不滿足動(dòng)作延時(shí)而未出口。

3.3 220 kV線路跳閘分析

根據(jù)之前保護(hù)電壓消失現(xiàn)象推斷第一段直流母線在此次事故發(fā)生400 ms左右開(kāi)始失壓約4.3 s，而直流Ⅱ段母線在此期間基本正常。事故前由1號(hào)站用變帶全站站用負(fù)荷，2號(hào)站用變熱備用。根據(jù)站內(nèi)一次設(shè)備運(yùn)行方式和基本參數(shù)進(jìn)行故障仿真，在516線路故障時(shí)刻直流電源充電機(jī)的交流輸入——站用380 V交流電源A相電壓跌至38 V左右，而且此時(shí)充電機(jī)的兩路380 V交流輸入均由1號(hào)站用變供電，兩路交流輸入均出現(xiàn)異常。通過(guò)翻閱直流充電機(jī)說(shuō)明書(shū)、咨詢廠家及現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)壓器和負(fù)載箱模擬故障情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證:當(dāng)充電機(jī)交流輸入單相大幅降低時(shí)充電機(jī)會(huì)閉鎖充電模塊停止輸出，待輸入電壓恢復(fù)正常后充電裝置約4～5 s恢復(fù)正常輸出。正常情況下充電機(jī)閉鎖輸出后應(yīng)由直流蓄電池繼續(xù)供電，事故發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)蓄電池進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅰ號(hào)蓄電池組單體49號(hào)和69號(hào)蓄電池已經(jīng)開(kāi)路，查閱此組蓄電池最近一次內(nèi)阻測(cè)試數(shù)據(jù)(2015年1月)發(fā)現(xiàn)故障蓄電池組多只單體電池內(nèi)阻值異常，特別是49號(hào)單體內(nèi)阻值明顯偏大，表明此蓄電池組存在“虛開(kāi)”現(xiàn)象，因此直流Ⅰ段母線在Ⅰ號(hào)充電機(jī)閉鎖后帶上大負(fù)荷，“虛開(kāi)”蓄電池中極柱下發(fā)已被腐蝕、老化開(kāi)裂的匯流排在大電流的沖擊下斷裂造成開(kāi)路而失壓，最終導(dǎo)致掛220 kVⅡ母3條線路跳閘。

兩組蓄電池的最近一次的核容和內(nèi)阻測(cè)試報(bào)告顯示，Ⅰ號(hào)蓄電池容量測(cè)試僅為50%，內(nèi)阻測(cè)試值不平均且個(gè)別單體蓄電池內(nèi)阻明顯偏大，結(jié)果不滿足要求。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)110 kV 516出線A相電纜終端應(yīng)力錐安裝工藝不良，對(duì)主絕緣造成損傷，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生局部放電使得主絕緣逐年劣化，直至發(fā)生擊穿；泄漏電流和短路電流沿著應(yīng)力錐外表面，對(duì)與尾管相連的銅網(wǎng)帶(地電位)放電，使得電纜頭內(nèi)硅油分解、氣化、膨脹，最終導(dǎo)致電纜終端瓷套發(fā)生爆炸。

2)電纜接地故障后，引起站用380 V交流輸入低電壓，因Ⅰ號(hào)充電機(jī)的兩路交流輸入此時(shí)均由1號(hào)站用變供，充電機(jī)交流輸入異常后引起輸出閉鎖，而Ⅰ號(hào)蓄電池組存在開(kāi)路導(dǎo)致直流Ⅰ段母線失壓。直流Ⅰ段失壓后造成Ⅳ切換屏失電，保護(hù)用母線電壓失壓，從而滿足了距離保護(hù)后備段的動(dòng)作條件，保護(hù)正確動(dòng)作，致使3條220 kV線路跳閘。

3)本次事故擴(kuò)大的原因，一是事故時(shí)380 V站用電采用的是進(jìn)線備投方式，負(fù)荷均由1號(hào)站用電供，導(dǎo)致充電機(jī)的兩路交流輸入電源同源，當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)異常，充電機(jī)的兩路交流輸入切換功能就失去了意義；二是直流蓄電池運(yùn)行狀況較差，存在虛開(kāi)的現(xiàn)象，蓄電池切換到運(yùn)行狀態(tài)后在負(fù)荷電流的沖擊下出現(xiàn)開(kāi)路而引起直流電源系統(tǒng)失電。

4.2 建議

1)對(duì)110 kV 516出線電纜終端更換電纜終端及附件，交接試驗(yàn)合格后才能投運(yùn)。

2)加強(qiáng)電纜全過(guò)程技術(shù)監(jiān)督。深度介入電纜線路的設(shè)計(jì)、選型、招標(biāo)、采購(gòu)、安裝、調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督把關(guān)；在運(yùn)行中按要求開(kāi)展紅外測(cè)溫、環(huán)流測(cè)試等工作。

3)強(qiáng)化電力電纜的管理與技術(shù)支持，建議在成立專業(yè)的電力電纜專業(yè)技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，對(duì)電力電纜存在問(wèn)題及檢測(cè)診斷技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷評(píng)估，對(duì)基層單位的運(yùn)維管理隊(duì)伍進(jìn)行培訓(xùn)。

4)應(yīng)對(duì)站用電的運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，保證正常情況下兩臺(tái)站用變分別由兩臺(tái)主變供電且分列運(yùn)行，提供兩路不同源的380V交流電源。

5)重視蓄電池核對(duì)性充放電試驗(yàn)。嚴(yán)格按照《國(guó)家電網(wǎng)生國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》(國(guó)家電網(wǎng)〔2012〕352號(hào)):“5.1.2.8新安裝的閥控密封蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性放電試驗(yàn)。以后每隔二年進(jìn)行一次核對(duì)性放電試驗(yàn)。運(yùn)行了4年以后的蓄電池組，每年做一次核對(duì)性放電試驗(yàn)?！钡囊笤囼?yàn)周期開(kāi)展蓄電池核對(duì)性放電試驗(yàn)，進(jìn)行100%的全容量核對(duì)性放電，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池深層次的缺陷，同時(shí)可對(duì)落后蓄電池起到活化的作用。

〔1〕彭華，李屹.110 kV電纜故障分析及預(yù)防措施〔J〕.華東科技:學(xué)術(shù)版，2015(5):270.

Analysis on multiple outgoing lines trip of the substation caused by cable failure

DUAN Jianjia1，WANG Haiyue2，YUE Yishi1，HUANG Fuyong1，YOU Kai1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410014，China)

The paper analyzes an 110 kV cable terminal breakdown grounding fault near a 220 kV substation，and trip fault of three outgoing transmission lines of 220 kV substation，point out that the main insulation of the cable is damaged by the installing of the able terminal stress cone using the disintegration check and the insulating materials deteriorates caused by the partial discharge，and after the cable failure，the DC section I bus voltage failure caused by the battery group open circuit results in transmission lines trip.Finally the paper puts forward the counter measure and suggestion.

near field；breakdown；failure；protection action；trip；analysis

TM726

B

1008-0198(2016)05-0061-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.016

段建家(1985)，男，碩士研究生，工程師，主要從事電纜試驗(yàn)技術(shù)及專業(yè)管理研究。

2016-03-01 改回日期:2016-04-07