姚舜禹

（國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，鄭州 450000）

0 引 言

隨著城市發(fā)展進(jìn)程的加快，110 kV 及以上高壓電纜回?cái)?shù)越來(lái)越多，單回電纜線路也越來(lái)越長(zhǎng)。 目前，鄭州110 kV 及以上電纜均采用單芯電纜，對(duì)于其中較長(zhǎng)的電纜線路，大都采用金屬護(hù)層交叉互聯(lián)的接地方式［1］。

單芯電纜的線芯和金屬護(hù)層相當(dāng)于變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。 當(dāng)線芯通過(guò)電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與金屬護(hù)層交鏈，使護(hù)層產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 如果金屬護(hù)層兩點(diǎn)接地，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)流。 由于金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓與負(fù)荷大小和電纜長(zhǎng)度成正比，因此采用分段交叉互聯(lián)的方式即1 個(gè)交叉互聯(lián)單元中3 個(gè)交叉互聯(lián)段，以實(shí)現(xiàn)護(hù)層感應(yīng)電壓的相互削弱。 在高壓電纜運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，接地環(huán)流檢測(cè)是必不可少的一項(xiàng)工作，長(zhǎng)期實(shí)踐證明，接地環(huán)流檢測(cè)不僅設(shè)備便攜，操作簡(jiǎn)單，而且能夠有效檢出接地系統(tǒng)缺陷，是一種公認(rèn)的高“性價(jià)比”檢測(cè)手段。 接地環(huán)流異常的診斷標(biāo)準(zhǔn)可參考Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》。

導(dǎo)致接地環(huán)流異常的原因很多，如外護(hù)套破損、接地系統(tǒng)接地電阻過(guò)大、同軸電纜斷裂、交叉互聯(lián)換位失敗等。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高壓電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。 文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］針對(duì)交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)建立了等效電路模型，并采用編程手段計(jì)算出環(huán)流值，但沒有進(jìn)一步應(yīng)用電路模型和計(jì)算方法去預(yù)判缺陷。 文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］分別針對(duì)一起缺陷進(jìn)行了原因分析，但沒有應(yīng)用等效電路模型進(jìn)行定量計(jì)算分析。 文獻(xiàn)［6］針對(duì)交叉互聯(lián)系統(tǒng)的典型缺陷進(jìn)行分析，并應(yīng)用等效電路模型進(jìn)行定量計(jì)算分析，但沒有針對(duì)各種缺陷下的環(huán)流特征進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)缺陷原因的預(yù)判。

實(shí)際工作中，即使接地環(huán)流數(shù)據(jù)根據(jù)Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》判斷為異常，傳統(tǒng)的計(jì)劃停電檢修手段，如進(jìn)行分段電纜外護(hù)套耐壓試驗(yàn)、連接金具，及金屬搭接點(diǎn)檢查，均無(wú)法快速確認(rèn)缺陷原因及位置，反而造成大量人力、物力浪費(fèi)，延長(zhǎng)停電時(shí)間，甚至造成缺陷原因誤判。 若在出現(xiàn)隱患時(shí)，可通過(guò)帶電狀態(tài)下的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合科學(xué)有效的理論計(jì)算，完成對(duì)缺陷原因及位置的預(yù)判，則能夠?qū)崿F(xiàn)有的放矢的停電檢修，極大地縮短停電時(shí)間，提高供電可靠性。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)環(huán)流的研究還不夠［7］，針對(duì)基于環(huán)流特征的缺陷原因和位置的預(yù)判，缺乏科學(xué)可靠的思路和方法。 本工作將以220 kV某線路的接地環(huán)流缺陷分析處理過(guò)程為例，為該類問(wèn)題的檢修提供一種新的處理思路與方法。

1 案例概況

220 kV 某電纜線路，2020 年11 月6 日投運(yùn)，全長(zhǎng)7.63 km，采用隧道敷設(shè)方式，三相呈品字形排列方式，起點(diǎn)為站內(nèi)1＃GIS 終端，終點(diǎn)為2＃戶外終端。全線共14 組中間接頭、1 組GIS 終端和1 組戶外終端，接地方式示意圖見圖1。

圖1 220 kV 某線路接地方式示意圖

2 缺陷情況

2020 年11 月9 日，運(yùn)行維護(hù)人員在接地環(huán)流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)該線路接地環(huán)流異常。 環(huán)流數(shù)據(jù)見表1（1＃、2＃終端接地箱以及1＃、2＃、14＃中間接頭接地箱未安裝接地環(huán)流在線監(jiān)測(cè)裝置，因此只包含3?！?3＃中間接頭接地箱的環(huán)流數(shù)據(jù)），此時(shí)負(fù)荷電流約為350 A。

表1 接地環(huán)流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) A

根據(jù)Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中的診斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)表1 中的接地環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體見表2。

表2 接地環(huán)流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

由表2 分析可知，6＃-7＃-8＃-9＃和9＃-10＃-11＃-12＃兩個(gè)交叉互聯(lián)單元接地環(huán)流異常。 經(jīng)分析，該線路交叉互聯(lián)箱處的接地環(huán)流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳感器（CT）安裝在交叉互聯(lián)箱的接地同軸電纜上，因此測(cè)得數(shù)據(jù)為流經(jīng)接頭連接的兩段金屬護(hù)層電流的矢量和，而非流經(jīng)單段護(hù)層的電流，無(wú)法與規(guī)程規(guī)定的診斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)。 為了獲取流經(jīng)每個(gè)交叉互聯(lián)段的金屬護(hù)層的電流數(shù)據(jù)，11 月10 日，運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)該線路進(jìn)行了接地環(huán)流檢測(cè)。 由于打開接地箱繁瑣且危險(xiǎn)，故沒有在交叉互聯(lián)箱中的銅排處測(cè)量，而是分別檢測(cè)絕緣接頭銅殼的兩個(gè)接地柱與同軸電纜的連接處。 圖2 為絕緣接頭銅殼實(shí)物圖，圖中方框框出的位置就是兩個(gè)接地柱的位置。

圖2 絕緣接頭銅殼實(shí)物圖

為了區(qū)分兩個(gè)接地柱，靠近隧道人行通道側(cè)的記為M 柱，靠近隧道墻壁側(cè)的記為N 柱。 相應(yīng)地，A、B、C 三相接地柱分別為AM、AN、BM、BN、CM和CN，6＃、7＃、8＃、9＃中間接頭的環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3 ～表6，此時(shí)的負(fù)荷電流約為346 A。

表3 6＃中間接頭直接接地箱環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù) A

表4 7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù) A

表5 8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù) A

表6 9＃中間接頭直接接地箱環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù) A

此次測(cè)出的9＃-10＃-11＃-12＃交叉互聯(lián)單元的環(huán)流數(shù)據(jù)經(jīng)分析已不存在異常，因此不提供9＃-10＃-11＃-12＃交叉互聯(lián)單元的檢測(cè)數(shù)據(jù)。 僅對(duì)6＃-7＃-8＃-9＃交叉互聯(lián)單元進(jìn)行分析，異常段環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù)分析見表7。

表7 異常段環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Q／GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》的診斷標(biāo)準(zhǔn)，6＃-7＃-8＃-9＃交叉互聯(lián)單元環(huán)流情況可判斷為缺陷，需要停電檢查。 在停電之前，對(duì)缺陷原因進(jìn)行分析。

3 缺陷原因

運(yùn)行維護(hù)人員在進(jìn)行環(huán)流檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相同軸電纜內(nèi)外芯與銅殼接地柱的連接方式與其他接頭不一樣，其他接頭均為內(nèi)芯接M 柱、外芯接N 柱，而8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處正相反。 對(duì)這種錯(cuò)誤的連接方式進(jìn)行分析，判斷其是否為造成環(huán)流異常的主要原因。

3.1 判斷絕緣接頭的接地柱的方向

正常情況下，線路的全部絕緣接頭接地柱均應(yīng)方向一致，即M 柱均連接小序號(hào)側(cè)接地箱或N 柱均連接小序號(hào)側(cè)接地箱。 常規(guī)的判斷方法是，在停電狀態(tài)下，通過(guò)導(dǎo)通試驗(yàn)判斷接地柱的方向。 實(shí)際上，在帶電狀態(tài)下，也可以通過(guò)分析環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷出接地柱的方向。

假設(shè)是M 柱連接小序號(hào)側(cè)接地箱，暫不考慮8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相接錯(cuò)的問(wèn)題，則7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AN、BN和CN處的電流值應(yīng)分別與8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AM、BM、CM處的電流值接近。 再將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相同軸電纜內(nèi)外芯與銅殼接地柱的連接方式接反的問(wèn)題考慮在內(nèi)，則7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AN、BN和CN處的電流值應(yīng)分別與8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱的AN、BM、CM處的電流值接近，實(shí)測(cè)結(jié)果與上述推斷相符。 同理，也可以假設(shè)是N 柱連接小序號(hào)側(cè)接地箱，進(jìn)行上述推斷，發(fā)現(xiàn)推斷結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果不符。因此，可以判斷M 柱連接小序號(hào)側(cè)接地箱，N 柱連接大序號(hào)側(cè)接地箱。 鑒于直接接地箱接地纜處測(cè)得的電流實(shí)際是相鄰兩個(gè)交叉互聯(lián)單元接地電流的矢量和，與實(shí)際單段接地電流差異較大，因此不建議用6＃中間接頭直接接地箱的測(cè)量值與7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱M 柱測(cè)量值對(duì)比，也不建議用9＃中間接頭直接接地箱測(cè)量值與8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱N 柱測(cè)量值對(duì)比。

3.2 判斷交叉互聯(lián)箱中銅排的連接方式

交叉互聯(lián)箱中銅排的連接方式有兩種，見圖3。

圖3 交叉互聯(lián)箱中銅排的兩種連接方式

在8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的情況下，兩種連接方式的實(shí)際連接情況如圖4 所示。

圖4 8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反時(shí)兩種連接方式的實(shí)際連接情況

常規(guī)的判斷手段是，打開交叉互聯(lián)箱查看銅排的連接方式，但是在帶電狀態(tài)下打開交叉互聯(lián)箱有感應(yīng)電壓傷人的風(fēng)險(xiǎn)。 實(shí)際上，銅排的連接方式也可以通過(guò)分析環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷。

在圖4（a）中，A1-C2-B3 回路實(shí)現(xiàn)了正常換位，則在6＃中間接頭直接接地箱測(cè)得的A 相電流、在7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測(cè)得的AM和CN處電流、8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測(cè)得的CM和BN處電流、在9＃中間接頭直接接地箱測(cè)得的B 相電流均應(yīng)正常，第一種連接方式與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果不符。

在圖4（b）中，A1-B2-C3 回路實(shí)現(xiàn)了正常換位，則在6＃中間接頭直接接地箱測(cè)得的A 相電流、在7＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測(cè)得的AM和BN處電流、8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱測(cè)得的BM和CN處電流、在9＃中間接頭直接接地箱測(cè)得的C 相電流均應(yīng)正常，第二種連接方式與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果相符。

由此可得出，銅排的實(shí)際連接方式為第二種。6＃-9＃交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)實(shí)際可分為3 個(gè)回路：第一回路：A1-B2-C3；第二回路：B1-C2-A2-C1；第三回路：A3-B3。

4 接地環(huán)流計(jì)算

220 kV 某線路環(huán)流異常等效電路如圖5所示［2］。

圖5 220 kV 某線路環(huán)流異常段等效電路圖

各交叉互聯(lián)段金屬護(hù)層感應(yīng)電壓UAi、UBi、UCi（i ＝1，2，3） 由兩部分組成［8-11］，即正常工況下，UAi＝EAi+E′Ai，UBi＝EBi+E′Bi，UCi＝ECi+E′Ci［12］。 ZS為金屬護(hù)層自阻抗，Ω；Re大地泄漏電阻，Ω； EAi、EBi、ECi（i ＝1，2，3）為每段線芯電流引起的感應(yīng)電壓，V；E′Ai、E′Bi、E′Ci（i ＝1，2，3） 為每段金屬護(hù)層除自身以外其他相鄰兩相金屬護(hù)層中電流和大地回流電流在該護(hù)層上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，V。 則圖5 可進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體見圖6。

第一回路接地環(huán)流：

圖6 220 kV 某線路環(huán)流異常段簡(jiǎn)化等效電路圖

在同時(shí)具備品字形敷設(shè)、3 個(gè)交叉互聯(lián)段段長(zhǎng)相等和三相負(fù)荷平衡等理想條件下， UA1＝UA2＝UA3，UB1＝UB2＝UB3，UC1＝UC2＝UC3，且UAi、UBi和UCi大小相等，UBi相位比UAi滯后120°，而UCi相位比UBi滯后120°。 設(shè)UA＝UA1＝UA2＝UA3，UB＝UB1＝UB2＝UB3，UC＝UC1＝UC2＝UC3。

3 個(gè)回路感應(yīng)電壓相量圖見圖7。

圖7 三個(gè)回路感應(yīng)電壓相量圖

理想條件下，對(duì)于第一回路，總感應(yīng)電壓：

對(duì)于第二回路，總感應(yīng)電壓：

對(duì)于第三回路，總感應(yīng)電壓：

根據(jù)式（9）和式（10）可得： I3＝- 2I2，即第三回路的電流大小是第二回路的2 倍。

將實(shí)測(cè)值標(biāo)在示意圖上，220 kV 某線路環(huán)流異常段實(shí)際接地方式示意圖見圖8。

由圖8 可知，第一回路電流檢測(cè)值正常，第二回路電流檢測(cè)值約100 A，第三回路電流檢測(cè)值約200 A，與計(jì)算結(jié)果大致相符。 因此，推斷8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱處A 相同軸電纜內(nèi)外芯與銅殼接地柱連接方式錯(cuò)誤是導(dǎo)致該線路環(huán)流異常的原因。 消缺方式為停電后將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的連接線調(diào)整過(guò)來(lái)。

但實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相比有所偏差：一方面，第一回路環(huán)流計(jì)算值為0，但整個(gè)回路的6 個(gè)實(shí)測(cè)值均大于0；另一方面，第三回路與第二回路的環(huán)流實(shí)測(cè)值之比也并非等于2，而是與2 接近。 具體原因如下：

（1）接地環(huán)流計(jì)算是在假定的理想條件下進(jìn)行的，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況無(wú)法達(dá)到理想條件。 如：該線路三相采用品字形敷設(shè)，但在接頭附近區(qū)域按一字型排列；整個(gè)交叉互聯(lián)單元中3 個(gè)交叉互聯(lián)段的長(zhǎng)度并非完全相等；三相線芯負(fù)荷電流并非完全平衡；等等，這些都是造成計(jì)算環(huán)流值與實(shí)測(cè)環(huán)流值相比有偏差的原因。

（2）直接接地箱接地纜處測(cè)得的電流實(shí)際是相鄰兩個(gè)交叉互聯(lián)單元接地電流的矢量和，因此也會(huì)造成計(jì)算環(huán)流值與實(shí)測(cè)環(huán)流值的偏差。

（3）在6＃、7＃、8＃、9＃中間接頭接地箱處測(cè)量環(huán)流的時(shí)刻不同，而負(fù)荷電流不斷變化，這也會(huì)造成計(jì)算環(huán)流值與實(shí)測(cè)環(huán)流值的偏差。

5 消缺處理及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

運(yùn)維檢修人員對(duì)該線路進(jìn)行了停電消缺。 消缺方式為將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的連接線調(diào)整過(guò)來(lái)。 消缺后當(dāng)天恢復(fù)送電。 次日，運(yùn)維檢修人員再次對(duì)該線路進(jìn)行接地環(huán)流檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)已恢復(fù)正常。

圖8 220 kV 某線路環(huán)流異常段實(shí)際接地方式示意圖（標(biāo)注環(huán)流檢測(cè)值）

此次缺陷的發(fā)現(xiàn)、分析和處理過(guò)程中有一些經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，也有一些問(wèn)題需要反思：

（1） 目前交叉互聯(lián)箱處的接地環(huán)流檢測(cè)CT 均安裝在同軸電纜上，因此對(duì)于環(huán)流檢測(cè)數(shù)據(jù)異常的電纜，需要人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，不在同軸電纜處進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)分別檢測(cè)絕緣接頭銅殼的兩個(gè)接地柱與同軸電纜的連接處，檢測(cè)出的是單段護(hù)層環(huán)流，方便分析判斷。

（2） 應(yīng)提高對(duì)接地環(huán)流實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)分析能力。 在停電前缺陷分析過(guò)程中，無(wú)須打開接地箱檢查，也無(wú)須停電后做導(dǎo)通試驗(yàn)，只須通過(guò)環(huán)流檢測(cè)值分析即可確定銅排連接方式和接地柱方向，這樣既節(jié)省了人力和時(shí)間，也避免了帶電打開接地箱感應(yīng)電壓傷人的危險(xiǎn)。

（3） 整個(gè)過(guò)程中，前期帶電狀態(tài)下的檢測(cè)分析起到了至關(guān)重要的作用，不僅準(zhǔn)確定位了缺陷位置，還通過(guò)建立等效電路和計(jì)算理論環(huán)流值，科學(xué)地推斷出了缺陷原因，為后期快速消缺奠定了基礎(chǔ)，降低了停電后消缺處理的難度，縮短了停電時(shí)間，提高了供電可靠性。 這是由計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。

（4） 驗(yàn)收過(guò)程中，應(yīng)逐一通過(guò)導(dǎo)通試驗(yàn)核對(duì)絕緣接頭內(nèi)外芯方向，避免因內(nèi)外芯接反造成接地環(huán)流異常，給后續(xù)的運(yùn)維檢修工作增加難度。

（5） 目前交叉互聯(lián)箱處的接地環(huán)流檢測(cè)CT 均安裝在同軸電纜上，檢測(cè)出的環(huán)流數(shù)據(jù)無(wú)法與規(guī)程規(guī)定的診斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)，且不利于接地系統(tǒng)缺陷的分析與定位。 建議調(diào)整接地環(huán)流檢測(cè)CT 的安裝位置，改為安裝在中間接頭的接地柱或者交叉互聯(lián)箱內(nèi)的銅牌上。

6 結(jié)束語(yǔ)

該線路因8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相同軸電纜與銅殼接地柱接反，從而導(dǎo)致6＃-7＃-8＃-9＃交叉互聯(lián)單元接地環(huán)流異常，整個(gè)交叉互聯(lián)單元的金屬護(hù)層構(gòu)成了3 個(gè)回路，這3 個(gè)回路的接地環(huán)流呈現(xiàn)如下特征：A1-B2-C3 回路環(huán)流正常，A3-B3 回路的環(huán)流值約為B1-C2-A2-C1 回路環(huán)流值的2 倍。在將8＃中間接頭交叉互聯(lián)箱A 相接反的連接線調(diào)整過(guò)來(lái)之后，該線路環(huán)流恢復(fù)了正常。 這次消缺是通過(guò)前期的帶電檢測(cè)和分析計(jì)算快速定位缺陷，并推斷出缺陷產(chǎn)生的原因，制訂出消缺方案，因此實(shí)現(xiàn)了快速消缺，是計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變的典型案例。

本工作以220 kV 某電纜線路的交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷為例，提供出一種消缺的新思路，即停電消缺前通過(guò)分析計(jì)算定位缺陷，推斷缺陷原因，以便停電后快速消缺。 事實(shí)上，還可以對(duì)交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)的其他缺陷類型分別建模計(jì)算，建立典型缺陷庫(kù)，也可以進(jìn)一步通過(guò)軟件編程自動(dòng)窮舉計(jì)算的方式，在未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)故障起因的預(yù)判。 這將大大降低消缺難度，縮短停電時(shí)間，提高供電可靠性。