張運(yùn)迫劉蕾

（1. 西安交通大學(xué) 2. 西安石油大學(xué) ）

多回單相同軸電纜穿越環(huán)形鋼構(gòu)架的運(yùn)行缺陷

張運(yùn)迫1劉蕾2

（1. 西安交通大學(xué) 2. 西安石油大學(xué) ）

電力系統(tǒng)的供電運(yùn)行事關(guān)電力供電的可靠性、安全性，維護(hù)的簡單性，檢修的方便性。電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全是一個(gè)企業(yè)能否長周期運(yùn)行的決定性因素，其中供、輸、配、變電單元及電纜橋架等金屬電力結(jié)構(gòu)件均不可忽視，任一構(gòu)成單元都將影響電力系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致短路、火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。因此，電力設(shè)施的設(shè)計(jì)、建筑安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)都有其設(shè)計(jì)的規(guī)范要求、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)成原理。任何單位和個(gè)人都必須遵守它的科學(xué)法則，依據(jù)它的自然規(guī)律，反之將引起重大事故。

供、輸、配、變電單元；金屬電力結(jié)構(gòu)件

0 引言

眾所周知，電力系統(tǒng)線路運(yùn)行安全是至關(guān)重要的，但是其運(yùn)行環(huán)境必須是安全的，電力線路必須是少磁、無感性、無容性電流的環(huán)境。

當(dāng)高壓輸電線路上有電場存在時(shí)，自然高壓輸電線路上有電容存在，也有電感存在。當(dāng)高壓輸電線路上有電感存在時(shí)，線路就有感應(yīng)電勢，電力二次能源將會形成能量交換存在電磁場。同時(shí)，當(dāng)單相同軸電纜通過環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，必然形成互感器原理，同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，發(fā)生自感和互感現(xiàn)象。在自感和互感的線路中，其線路產(chǎn)生諧波電壓f0 ，當(dāng)諧波電壓達(dá)到干擾時(shí)，諧波電壓升為2f0，此時(shí)其中頻率F將在局域范圍內(nèi)發(fā)生變化，電壓瞬時(shí)升高，同時(shí)會導(dǎo)致制造質(zhì)量薄弱點(diǎn)的電纜放電打火，降低主絕緣強(qiáng)度，燒毀主絕緣，導(dǎo)致放電擊穿。

1 電力線路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖分析

圖1

圖1為一種安裝于某廠鋼結(jié)構(gòu)上的門狀環(huán)形金屬構(gòu)架設(shè)計(jì)圖。從圖1可以看出單相通流線纜穿越環(huán)形結(jié)構(gòu)架，自然形成互感器原理，形成感應(yīng)電場，然而，對于將近1～2km的35kV電力線路，全線路感性裝置多達(dá)幾百個(gè)門狀環(huán)形架，由此證明設(shè)計(jì)存在缺陷，單相同軸電纜不能混用三相交聯(lián)電纜設(shè)計(jì)思維，對某廠電力線路是不適應(yīng)的。

2 形成現(xiàn)象及試驗(yàn)、事故剖析

圖2是檢修試驗(yàn)過程中解剖照片圖，由于單相同軸電纜在運(yùn)行中有大量的感性裝置，運(yùn)行中形成諧波以后的打火放電現(xiàn)象。

圖2

圖2屬于某廠單相電纜故障后的均化電場照片，間隙和徑向放電。由于半導(dǎo)電層具有一定的電阻，當(dāng)金屬屏蔽層接地不良時(shí)，有間隙時(shí)，在電纜徑向由于電位分布不均勻而造成電纜沿面放電；或者金屬屏蔽層不連接而斷開，則有可能從金屬屏蔽層非接地端流向接地端的充電電流會在金屬屏蔽非連接處強(qiáng)行通過外半導(dǎo)電層流過，該處外半導(dǎo)電層發(fā)熱，溫度上升。此時(shí)溫度會很高，使金屬屏蔽層斷開處的外半導(dǎo)電層急劇老化。如果上述狀態(tài)持續(xù)發(fā)展，外半導(dǎo)電層的電阻進(jìn)一步增大，在金屬屏蔽層未連接處，金屬屏蔽層非接地端與接地端之間產(chǎn)生電位差的作用下，產(chǎn)生的放電現(xiàn)象進(jìn)一步加速電纜從絕緣體表層開始老化。因此，在金屬屏蔽層分?jǐn)嗪螅湮催B接處電纜絕緣會在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生老化，直至絕緣破壞，引起通流電纜短路事故。

圖3是電纜屏護(hù)層感應(yīng)電壓沿面放電燒傷電纜半導(dǎo)體及主絕緣，破壞的情況。

圖3

圖4是一金屬構(gòu)件相貼在被破壞的電纜外護(hù)層的屏護(hù)層上，放電打火照片，充分說明電纜屏護(hù)層的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流能源效應(yīng)的情況。

圖4

穿越環(huán)形構(gòu)件的電纜屏護(hù)層諧波電壓升高到一定的范圍，由于屏護(hù)層的感應(yīng)電壓能量的大量聚集，且電壓是脈沖電壓，不規(guī)側(cè)的電源造成打火放電，導(dǎo)致主絕緣失水，溶解干裂，絕緣強(qiáng)度降低，嚴(yán)重的地方可以引起放電短路，這些事實(shí)說明電纜感應(yīng)電場能效巨大的變化。

通流導(dǎo)體的高次諧波主要原因是感應(yīng)電場的存在，其次也離不開通流電纜運(yùn)行通路的負(fù)面因素，運(yùn)行通路不合格，有小于電纜的彎曲半徑的20D時(shí)，認(rèn)為線路易形成電流回流現(xiàn)象，而震蕩電源的形成是基于電流的回流和電力系統(tǒng)的波動(dòng)所引起，其電力總和是RLC 為三者乘積的總和（R 為全線路的電阻，L 為全線路的總長，C為全線路電容）。從以上基本情況可以看出此電力線路有震蕩加上諧波電壓，二者的疊加，也就是瞬時(shí)高次諧波。固然，間歇打火放電成為事實(shí)，引起電纜主絕緣燒毀，擊穿放電，圖5為最嚴(yán)重的事故照片，是某廠單相多回路同軸電纜穿越環(huán)形鋼構(gòu)的事故圖。

圖5

從圖5可以直接看到電力橋架穿越環(huán)形架，而且通流電纜是多回單相高壓電纜，而且每次放電著火事故都是環(huán)形橋架支架內(nèi)電纜著火短路，為鋼構(gòu)衡梁上的一、二層，屬于環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)。第三層在最上邊，電纜橋架的電纜處開路環(huán)境敷設(shè)，無感性磁場，未有放電著火事故，下層電纜有強(qiáng)大電場，所以多次下邊電纜著火后燒掉上部電纜，以至于火燒連營，著火線路每次事故損失巨大。

在2016年6月15日之前，35kV電纜線路橋架梯架的電場電流最大時(shí)測量位11A、7A左右不等，電磁場能量之大，后經(jīng)設(shè)計(jì)技術(shù)改造，電纜回路分流，將原先的環(huán)形架換成L形、F形和T形架后，感應(yīng)電流明顯降低。但是，電纜橋架沿用舊的設(shè)施環(huán)境，單相通流線路已然穿越鋼結(jié)構(gòu)件，線路繼續(xù)存在電場，場強(qiáng)變小，電場電流在合理的范圍均在3A以下。

電力回線改造后，線路工作人員對單個(gè)電力饋線回路橋架梯架分支2.5mm2鐵絲環(huán)流測試結(jié)果，電場電流分別為1.3A和1.7A等。

根據(jù)圖5可看出，電纜橋架10#槽鋼是截面積是2.5mm2鐵絲的20多倍，可以計(jì)算出感應(yīng)電流是2.5mm2鐵絲的20～40倍之間，也就是說一般電纜橋架槽鋼感應(yīng)電場電流在30A左右，感應(yīng)電場場強(qiáng)如此厲害，然而，全線路這樣的感性裝置上百個(gè)，這樣的能源消耗效應(yīng)又是多少？在大量的感性裝置中的諧波分量又很大，暫態(tài)的諧波電壓，加上暫態(tài)的感應(yīng)電流，足夠引起電纜屏護(hù)層多次放電，引起事故。

技術(shù)改造后，在環(huán)形架的鐵絲上測量電場電流2.08A，橋架梯架測得感應(yīng)電流0.72A；系統(tǒng)橋架接地線引流電流多次測試2.08A，幾乎在接地點(diǎn)形成穩(wěn)態(tài)中和電流。

由以上測試結(jié)果可以看出，單相同軸電纜在穿越若干個(gè)感應(yīng)電場后，其感應(yīng)電壓和諧波電壓、振蕩電壓的疊加，其感應(yīng)電壓分量之大，并且電壓分量是個(gè)瞬時(shí)的脈沖變量，即UN是個(gè)可變值，屬暫態(tài)的不屬于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，它隨著電場電容的增大而增大，所以不恒定，一般為10V左右（異常泄漏時(shí)電壓可以為上百伏或者上千伏）當(dāng)達(dá)到一定幅值時(shí)，形成干擾，將會放電打火，引起短路。

以下為某廠電力線路歷年故障頻發(fā)段（空分307C變電所旁管廊），其為電纜橋架穿越大量電磁聚能環(huán)路段，也屬于線路諧波最高路段。此段也是電力導(dǎo)線兩個(gè)爬坡處，且通流導(dǎo)體中的彎曲半徑偏小，固定不牢靠，運(yùn)行中電流形成回流，這種現(xiàn)象也叫電流震蕩，已形成高次諧波。在高次諧波的屏蔽回路中，由于電纜的屏護(hù)防護(hù)等級低，受熱脹冷縮影響，形成間隙，加上屏護(hù)層的感應(yīng)諧波分量積聚，最終引起電纜多次打火著火事故。

2013年的9月20日PP1擠壓機(jī)回路空分段事故如圖6所示，檢修歷時(shí)5天左右。

圖6

2014年11月18日總變至熱動(dòng)力35kV聯(lián)絡(luò)四空分段，由于電纜屏護(hù)層感應(yīng)電壓高，加之施工時(shí)電纜外護(hù)層絕緣受損，在運(yùn)行中放電打火，引起線路短路著火，光纖傳輸電纜也同時(shí)燒斷，保護(hù)失效，造成全廠35kV電壓波動(dòng)，導(dǎo)致所有裝置停車，檢修歷時(shí)一個(gè)星期，如圖7所示。

圖7

2015年3月11日總變至熱動(dòng)力35kV聯(lián)絡(luò)四電纜中間接頭絕緣擊穿短路空分段，造成與之垂直安裝的三條聯(lián)絡(luò)線、通信光纜、低壓電纜、電纜橋架全部著火燒毀失電，導(dǎo)致全廠停車，事故恢復(fù)極其困難，檢修歷時(shí)10天，具體如圖8所示。

圖8

2015年6月15日總變至PP1裝置35kV（2#變）電纜發(fā)生單相接地空分段，絕緣擊穿、短路著火，同時(shí)燒毀臨近橋架PP1三條饋線回路、PP2三條饋線回路、熱動(dòng)力四條聯(lián)絡(luò)線以及通信光纜全部燒毀，保護(hù)失效，造成全廠停電，事故恢復(fù)工期時(shí)間長，恢復(fù)困難歷時(shí)近一個(gè)月，如圖9所示。

圖9

縱觀以上既成事實(shí)，造成電力線路著火事故的主要原因是電力線路環(huán)形架存在缺陷，環(huán)形架是單相同軸電力線路的感應(yīng)電磁環(huán)，是形成電場的主要原因，也是形成火災(zāi)的罪魁禍?zhǔn)?。故此，我們要分清設(shè)施設(shè)備運(yùn)行工況，力求設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，絕對不能將單相同軸電纜的運(yùn)行環(huán)境和三相同軸電纜的運(yùn)行環(huán)境工況混淆。

3 改進(jìn)單相同軸電纜的運(yùn)行措施

1）解除單相同軸電纜的電磁環(huán)運(yùn)行工況，避免單相同軸電纜攜帶大量感應(yīng)能量，降低電纜屏蔽層電壓諧波分量，避免放電事故，也同時(shí)避免電纜帶負(fù)荷輸電，提高有效輸電，保障通流導(dǎo)體良好的運(yùn)行工況，有效出力，不會減少輸出容量。

2）提高電纜的防護(hù)等級，實(shí)行雙屏蔽的保護(hù)層，加強(qiáng)電纜運(yùn)行過程中的感應(yīng)電壓能量釋放，保障電纜屏護(hù)層沿面放電，不打火不破壞主電纜，不引起短路著火。

3）解除大量單相電纜高壓輸電，變單相同軸回路輸電為多回三相同軸回路輸電，擴(kuò)大配電裝置，減輕輸電線路負(fù)擔(dān)，克服供電困難，保障供電系統(tǒng)安全。

4 結(jié)束語

本人通過長期的數(shù)據(jù)分析及事故故障綜合判斷，加之以上實(shí)驗(yàn)測試，依據(jù)電能原理得出結(jié)論，感性單相同軸高壓輸電線路不可設(shè)計(jì)為矩形截面環(huán)形金屬構(gòu)架，以防形成大量感性電場，使電力輸電線路攜帶高次諧波電壓，引起線路放電著火，造成事故。

（2016-06-27）