10kV电缆屏蔽层接地不当导致的故障分析

2012-08-16梁俊熙汪万伟张永康

科技视界 2012年30期

梁俊熙汪万伟张永康

（广东电网公司东莞供电局广东东莞 523008）

0 引言

随着我国电网改造的深入，大量的架空线被电力电缆取代。电力电缆跟架空线不同，它被埋在地下，运行维护较困难，正确使用电缆，是降低工程投资，保证安全可靠供电的重要条件[1]。在城市配电网络中，应用最广的是交联聚乙烯三芯绝缘电缆[2]，且多采用零序保护，如电缆屏蔽层接地线安装方式出现错误，在电缆出现对地故障时，将会影响零序保护的动作，可能导致事故的扩大。作者参与了一起110kV变电站因10kV 电缆屏蔽层接地线安装不当导致越级跳闸的技术分析，认为该类故障具有一定的代表性，以下通过对这次故障原因的深入调查，全面分析了三芯电缆屏蔽层可能出现的错误接地方式，给出了合理的接地方式的建议。

1 事件经过

东莞某110kV 变电站与此次故障相关的电气接线如图1 所示。2012年9 月8 日15：47，变电站值班员监盘时发现：10kVF20 线路720 开关跳闸，重合闸动作；同时，#2 主变10kV 侧502 甲、502 乙开关分闸，#2站用变压器变兼接地变压器524 开关分闸，10kV2 甲M、2 乙M 同时失压。

变电站迅速将跳闸和保护动作情况上报，并安排值班员到现场检查相关设备情况，通知相关人员对F20 线路进行巡视。值班员检查后确认10kVF20 线路720 开关、#2 站变兼接地变524 开关、#2 主变10kV 侧502 甲、502 乙开关、2 甲M、2 乙M 母线一次设备均无异常。

最终检查结果发现，15：47 时，F20 线路的C 相发生接地故障，F20 过流一段保护动作，跳开720 开关，重合闸后接地故障仍存在，故障本应由F20 零序保护切除，但由于F20 电缆屏蔽层接地线安装错误，导致F20 零序保护不能动作。因线路接地故障未能及时切除，10kV #2 接地变高压零序电流保护动作，跳开502 甲、502 乙开关和524 开关，造成10kV 2 甲M、2 乙M 母线失压。

图1 某110kV 变电站与故障相关的电气接线图

2 原因分析

常用的三芯电缆结构如图2 所示[3]。与单芯电缆不同的是，三芯电缆多采用两端直接接地方式，这是因为正常运行情况下，流过三个线芯的电流总和为零，金属屏蔽层外基本上没有磁链，因此金属屏蔽层两端就基本没有感应电压，所以两端接地后不会有感应电流流过金属屏蔽层[4-6]。

图1 所示，发生C 相接地故障的F20 三芯电缆的屏蔽层接地点一端在变电站侧，即零序CT 附近，另一端在远方负荷侧。由于720 开关下方的零序CT 测得的零序电流值是720 开关零序保护动作的依据，如零序CT 测得的零序电流有误，将会直接影响720 开关的零序保护动作，造成越级保护动作，使事故扩大。

图2 常用的三芯电缆结构图

下面将详细分析此例事故中零序CT 不能正确测量零序电流的原因。发生该事故的变电站为小电阻接地系统，一旦三芯电缆某相发生对地故障，就有可能使部分对地电流通过电缆屏蔽层、电缆屏蔽层的接地线流入大地，如与零序CT 相邻的电缆屏蔽层接地线安装错误，将直接影响零序CT 对零序电流的测量。

上述事故中电缆屏蔽层接地线的安装方式如图3 所示，为了方便说明问题，这里只画出了发生接地故障的C 相。如图3 所示，电缆屏蔽层的接地点位于零序CT 下方的B 点位置，其接地线向上穿过零序CT 后接地。

图3 事故中的电缆屏蔽层接地线安装方式示意图

当电缆发生导体绝缘层破坏时，导体一般会先和金属屏蔽层短接，构成接地故障，并有可能在导体绝缘层破坏处击穿电缆外护套。正常运行情况下，零序CT 测得的三相电流和为0，当C 相发生接地故障时，零序CT 只需准确测量出C 相对地电流即可，所以以下分析只针对C 相接地故障的接地电流，将不再考虑负荷电流。

当C 相发生对地故障时，对地电流流向如图4 所示。设A 点为发生接地故障点，导体中流过的对地电流为I1，如A 点电缆外护套被击穿，则通过击穿处流入大地的电流为I2（如外护套没被击穿，则I2=0），通过变电站侧电缆屏蔽层接地线流入大地的电流为I3，通过负荷侧电缆屏蔽层接地线流入大地的电流为I4，由KCL 有：

由图4 可知，零序CT 测得的对地电流为：

即

图4 发生接地故障时的对地电流流向图

图5 其他几种屏蔽层接地线安装方式图

如零序CT 测量正确无误，则ICT=I1，但由式(1)、(2)、 (3)可知，由于I3在零序CT 里穿过了两次，且方向相反，故零序CT 测量不到I3，从而使测得的ICT小于实际流入大地的电流。

值得特别指出的是，当A 点外护套未被击穿（I2=0），同时A 点靠近电站侧远离负荷侧屏蔽层接地点时（此时I3>I4），根据式(3)可知：测得的ICT将远小于实际流入大地的电流，ICT的大小达不到零序保护的整定值时，就会出现上述事故中发生的现象：即使发生了接地故障，但由于零序CT 测得的对地电流过小，使得零序保护没能起到应有的作用，从而导致越级跳闸，造成事故扩大。

3 几种可能出现的屏蔽层接地线的安装方式

上文中分析了该例事故中出现的一种错误的电缆屏蔽层接地方式，下面将介绍其他几种可能出现的屏蔽层接地线的安装方式。

图5 所示为其他几种电缆屏蔽层接地线的安装方式图，其中A点为对地故障发生点，B 点为电缆屏蔽层的接地线安装点。

如图5(1)所示，B 点在零序CT 上方，且接地线不穿过零序CT，显然，这种接地线安装方式与图4 所示的安装方式类似，I3将在零序CT里穿过两次，且方向相反，故零序CT 测量不到I3，使测得的ICT小于实际流入大地的电流。因此，这种电缆屏蔽层的地线安装方式是错误的。

如图5(2)所示，B 点在零序CT 上方，但接地线穿过零序CT 后接地。采用这种接地线安装方式，I3将在零序CT 里穿过三次，其中有两次穿过CT 的方向相反，互相抵消，另外一次穿过零序CT 时，I3的流向与I1同向，故不影响零序CT 对实际流入大地电流的测量。虽然这种接地线安装方式不影响对零序电流的测量，但部分对地电流在零序CT 里穿过多次，不合乎规范，故不建议采用[7]。

如图5(3)所示，B 点在零序CT 下方，且接地线不穿过零序CT。采用这种接地线安装方式，所有的对地电流将只在零序CT 里穿过一次，使得零序CT 的测量准确无误，也符合规范，建议采用这种接地线的安装方式。