劉云龍，邵 愚，周大明，黃會賢2，袁子超，王 聰，謝 弦，張麗萍

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司江北供電分公司，重慶 401147;2.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400100)

0 引 言

隨著城市化的不斷推進，城區(qū)地面資源越來越緊缺，地下高壓電纜在城市輸電網(wǎng)中應(yīng)用規(guī)模也快速增大[1]，各學(xué)者對電纜開展了廣泛的研究[1-10]。高壓電纜多回同通道敷設(shè)的情況較為普遍，電纜通道一旦起火，容易導(dǎo)致同斷面多回電纜全停，進而對城市核心區(qū)域安全供電帶來極大安全隱患。近年來，針對電纜通道火災(zāi)嚴峻形勢，各供電公司從上至下，均高度重視電纜通道防火，開展隱患整治[11-13]。電纜及通道防火，除被動地增加滅火、阻燃、隔離措施外，更為關(guān)鍵的是杜絕火源起點。然而，對于部分電纜及通道火源起點、電纜燒損的原因分析，仍存在不少爭議或不清楚的情況，對于切實提升電纜及通道防火能力，造成不利的影響[4,13]。

為加強電纜及通道火源起點和燒損原因判別，下面對一起110 kV高壓交流電纜本體外護套燒損案例進行了深入分析，得出電纜接地系統(tǒng)異常引發(fā)外護套燒損的可能性和依據(jù)。電纜接地系統(tǒng)異常后，按照電纜石墨層的接地與否，深入討論電纜外部石墨層上產(chǎn)生懸浮電位的不同情況。對懸浮電位高頻放電引起外護套燒損，進而可能導(dǎo)致火災(zāi)事故進行了分析，用以幫助對類似缺陷或事故分析，便于加強高壓電纜防火管理。

1 電纜故障概況

1.1 故障現(xiàn)象

運行人員巡視發(fā)現(xiàn)，某110 kV變電站電纜夾層內(nèi)出現(xiàn)電纜燒損情況，現(xiàn)場超細干粉滅火彈已經(jīng)動作并成功滅火，隨即緊急對受損電纜申請停電檢查?，F(xiàn)場核實，故障斷面涉及4回110 kV電纜，其中2回為110 kV變電站進線、2回為GIS至主變壓器聯(lián)絡(luò)電纜。

電纜燒損故障發(fā)生在最上層電纜與其保護接地箱接地電纜交叉的部位，該回電纜屬于110 kV變電站進線，現(xiàn)場檢查起火點為B相電纜，且從起火點一直到GIS電纜終端防火封堵處，約2.0 m區(qū)段的外護套均出現(xiàn)燒損，鋁護套裸露。起火點處，保護箱接地電纜發(fā)生燒損且只剩銅芯，B相電纜外護套熔融滴落物造成附近其他多根電纜外護套不同程度的燒損，現(xiàn)場照片如圖1、圖2所示。

圖1 電纜燒損故障現(xiàn)場

圖2 電纜燒損故障火源起點

進一步巡視電纜全線，發(fā)現(xiàn)在該110 kV故障電纜線路終端塔側(cè)，塔上直接接地箱B相接地電纜連接端子斷裂，如圖3所示。該110 kV線路B相電纜直接接地斷開，只通過站內(nèi)的保護器接地，鋁護套處于電位懸浮狀態(tài)。

圖3 終端塔上接地端子脫落

1.2 電纜參數(shù)

燒損故障電纜全長0.13 km，起于電纜終端塔，止于變電站GIS終端。電纜型號為ZR-YJLW03-64/110 kV-1000 mm2，線路投運時間為2015年12月。由于進站電纜較短，電纜接地采用塔上直接接地、站內(nèi)保護接地的單端接地方式，如圖4所示。電纜隧道及夾層運行環(huán)境良好。通道斷面如圖5所示，電纜的詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖4 110 kV某電纜線路接地系統(tǒng)接線原理

表1 故障電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 110 kV某電纜線路所在通道斷面

1.3 故障處理與恢復(fù)

在現(xiàn)場對電纜燒傷處，通過鋁護套開窗進行了受損程度鑒定。該110 kV燒損電纜在外護套部位燒傷嚴重，電纜阻水層外層表面有輕微碳化痕跡，內(nèi)層阻水帶仍可呈現(xiàn)纖維絲狀，如圖6所示，電纜本體外屏蔽層無受損痕跡，可判斷內(nèi)部主絕緣并無損傷。

圖6 電纜鋁護套開窗檢查

根據(jù)上述情況，擬定了處理方案：僅對變電站電纜夾層內(nèi)的110 kV受損電纜外護套、聯(lián)絡(luò)電纜外護套進行修復(fù)更換；電纜不做更換。對本次受損的110 kV電纜線路同軸接地電纜全部進行更換，終端塔上接地線接線端子需全部更換。修復(fù)完成后，對該段電纜全線重新涂刷防火涂料，恢復(fù)防火措施，如圖7所示。該事件未對外停電。

2 故障原因分析

經(jīng)檢查，110 kV電纜受損區(qū)段無中間接頭，通道內(nèi)的輸電電纜交叉互聯(lián)箱和接地箱等附屬設(shè)施完好，排除電纜本體和電纜中間接頭故障。同時變電站夾層內(nèi)無破壞和外部火種進入的可能。

經(jīng)現(xiàn)場巡查，故障段電纜中某110 kV電纜線路B相電纜及保護接地同軸電纜損壞最嚴重，同時終端塔上受損電纜線路B相接地電纜脫落，初步確定為該110 kV電纜線路因接地線脫落，電纜存在懸浮電壓，懸浮電壓高頻充放電情況下導(dǎo)致電纜外護套燒損，下面進行詳細理論分析。

圖7 燒損電纜故障恢復(fù)

2.1 電纜電容模型

不考慮電流引起的感應(yīng)電壓(短電纜線路感應(yīng)電壓較小)，單芯交流電纜的電路模型如圖8所示。其中，C0、C1、C2分別是導(dǎo)體與鋁護套之間電容、鋁護套與石墨(半導(dǎo)電)層之間電容、石墨(半導(dǎo)電)層與接地體之間單位長度的等效電容；UC0、UC1、UC2分別是C0、C1、C2各電容兩端的電壓；U0為電纜相電壓。

圓柱形電容計算式為[14]

(1)

式中：r、R分別為內(nèi)外電極的半徑；l為電纜長度(同一段電纜，三相電纜可認為l相同)；εr為兩電極間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。表1中給出故障電纜單位長度的相關(guān)參數(shù)與對應(yīng)等效電容值。

圖8 電纜的多級電容結(jié)構(gòu)

2.2 鋁護套未接地工況分析

1)電纜石墨(半導(dǎo)電)層可靠接地

圖8中A1點產(chǎn)生懸浮電位，A2點的電位為0，C2、UC2均為0，電纜為兩級電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時有[15]

I=UC0jωlC0=UC1jωlC1

(2)

U0=UC0+UC1

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)可得，各電容電壓為：

(4)

(5)

由式(2)至式(5)可知，當(dāng)鋁護套未接地且石墨(半導(dǎo)電)層接地時，U0由C0、C1串聯(lián)承載，耐壓的絕緣介質(zhì)分別為XLPE和外護套，且按照電容值的反比進行分壓，即電容值越小，分壓越大。

2)電纜石墨層未接地

圖8中A1、A2點均產(chǎn)生懸浮電位，在多層電容串聯(lián)條件下，有：

I=UC0jωlC0=UC1jωlC1=UC2jωlC2

(6)

U0=UC0+UC1+UC2

(7)

根據(jù)式(6)、式(7)可得，各電容電壓為：

(8)

(9)

(10)

由式(6)至式(10)可知，當(dāng)鋁護套、石墨(半導(dǎo)電)層均未接地時，U0由C0、C1、C2串聯(lián)承載，耐壓的絕緣介質(zhì)分別為XLPE、外護套、雜散介質(zhì)，且按照電容值的反比進行分壓，電容值越小，分壓反而越大。

2.3 懸浮電位危害分析

按照電纜的多級電容模型，單端接地系統(tǒng)的電路模型如圖9所示，其中ZA、ZB、ZC代表保護接地箱中各相的保護器。該故障線路B相接地線脫落，等同于圖9中接線B1O接線斷開，此時A、C兩相接地狀態(tài)良好，而B相電纜線路，鋁護套未接地，B相電纜線路的電路模型如圖10所示。

圖9 單端接地電路模型

圖10 故障電纜線路接地電路模型

1)石墨層有效接地

根據(jù)式(2)至式(5)的分析，對于故障電纜B相直接接地斷開后，當(dāng)石墨層有效接地時，電纜線路為兩級電容串聯(lián)，鋁護套A1點產(chǎn)生懸浮電位。由表1可知，外護套電容C1大小約為1.449 μF/km，XLPE電容C0約為0.23 μF/km。由式(4)、式(5)可得，B相XLPE、外護套兩端的電壓UC0、UC1分別為：

(11)

(12)

對于110 kV電纜線路，此時相電壓UB為64 kV，則對應(yīng)的鋁護套上的懸浮電壓為8.768 kV。根據(jù)規(guī)程要求，電纜外護套的交接試驗?zāi)褪茈妷菏?0 kV，電纜外護套的耐壓水平在長期運行中會逐漸降低，但應(yīng)能耐受5 kV、1 min直流耐壓[16]。因此，當(dāng)石墨層可靠接地、B相電纜線路接地斷開，鋁護套會產(chǎn)生懸浮電位。該電壓是否會擊穿外護套，是否引起故障起火，取決于電纜外護套的耐壓水平下降程度。當(dāng)電纜投運較久且運行條件不良，外護套耐壓水品下降較多時，會造成外護套擊穿，引起起火。

2)石墨層未有效接地

部分文獻[4]認為，石墨層放置在金屬支架上，在正常狀態(tài)下石墨層不會出現(xiàn)接地不良。而實際工況如圖11所示，絕大部分的電纜放置在支架上通過抱箍固定時，接觸部位都墊了絕緣膠皮，此時石墨層實際上處于未接地狀態(tài)。特別是在短電纜線路中，石墨層未有效接地的狀態(tài)更為普遍。

圖11 一般電纜與支架間的絕緣膠墊

圖12 故障電纜與支架間的絕緣膠墊

經(jīng)檢查，故障電纜也與金屬支架、抱箍之間全部設(shè)置了絕緣膠墊，即電纜的石墨層并未接地，如圖12所示。根據(jù)式(6)至式(10)的分析，此時電纜屬于三級電容串聯(lián)，相電壓UB由XLPE、外護套、絕緣膠墊或其他雜散介質(zhì)來承載，且按照電容值的反比進行分壓。單位長度的雜散電容一般取20 pF/m[4]，由表1、式(8)至式(10)可知，B相XLPE兩端、外護套兩端、石墨層與地之間的電壓UC0、UC1、UC2分別為：

(13)

(14)

(15)

可知，此時90%以上的相電壓UB由石墨層與接地體之間的介質(zhì)來承載，具有絕緣耐受能力的XLPE只承載相電壓電壓的10%左右。對應(yīng)相電壓64 kV，石墨層懸浮電位高達58.1 kV，此時必然會在石墨層與接地體之間絕緣最薄弱處發(fā)生擊穿放電。

3)電纜燒損原因

從圖1、圖2故障現(xiàn)場照片可知，故障電纜三相鋁護套的保護接地電纜全部搭在B相電纜石墨層上。當(dāng)B相電纜石墨層出現(xiàn)高懸浮電位時，A、C兩相的保護接地電纜可近似為0電位(直接接地正常)。此時高懸浮電位必然會在B相電纜石墨層與絕緣薄弱處放電。通過放電通道，B相電纜石墨層實現(xiàn)假接地，由于石墨層與接地體之間的電容量很小，C2儲存的電荷快速釋放后又會重復(fù)充電，進而在故障點處形成高頻的持續(xù)充放電。持續(xù)放電產(chǎn)生的熱量會不斷燒蝕外護套，進而造成外護套起火，導(dǎo)致最終的電纜燒損故障。

該次電纜燒損故障，是由于戶外終端塔接地線斷開產(chǎn)生的懸浮電壓高頻放電導(dǎo)致，直接原因是塔上直接接地箱B相接地電纜銅鋁過渡連接端子存在質(zhì)量問題，在銅鋁過渡處斷裂。而高懸浮電位產(chǎn)生的本質(zhì)原因除直接接地線斷開外，更與電纜石墨層未有效接地有關(guān)。為防止出現(xiàn)上述安全問題，電纜石墨層必須可靠接地，即110 kV以上高壓單芯交流電纜，應(yīng)采用可靠接地的金屬支架，且電纜與支架、抱箍之間不應(yīng)增加絕緣膠墊。

3 結(jié) 語

一起110 kV電纜外護套燒損故障案例分析的基礎(chǔ)上，對單芯高壓電纜由于接地系統(tǒng)異常引起的懸浮電位進行了討論，并得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)鋁護套的可靠接地消失后，電纜鋁護套上會出現(xiàn)懸浮電位。懸浮電位的大小與線路電壓等級成正比，與電纜石墨層的接地狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)石墨層可靠接地時，電纜可等效為兩級電容結(jié)構(gòu)；石墨(半導(dǎo)電)層未接地時，電纜可等效為三級電容結(jié)構(gòu)。

2)單端接地電纜線路，出現(xiàn)直接接地線脫落時，會造成鋁護套未有效接地。石墨層未有效接地時，石墨層上會產(chǎn)生很高的懸浮電壓，進而導(dǎo)致石墨層對絕緣薄弱處高頻充放電，并不斷燒蝕外護套，引發(fā)火災(zāi)等嚴重后果。

3)當(dāng)電纜線路通過絕緣膠墊放置在金屬支架時，石墨層未有效接地。為防止出現(xiàn)上述安全問題，電纜石墨層必須可靠接地，即110 kV以上高壓單芯交流電纜，應(yīng)采用可靠接地的金屬支架，且電纜與支架、抱箍之間不應(yīng)增加絕緣膠墊。