电缆故障导致变电站多条出线跳闸原因分析

段建家，王海跃，岳一石，黄福勇，由凯

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410014)

电缆故障导致变电站多条出线跳闸原因分析

段建家1，王海跃2，岳一石1，黄福勇1，由凯1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410014)

文中分析某220 kV变电站近区110 kV电缆终端运行中击穿接地故障和变电站3条220 kV出线跳闸事故，指出电缆终端应力锥在安装过程中损伤了主绝缘，绝缘材料在长期局部放电作用下发生劣化是发生击穿的原因。电缆故障后，因蓄电池组存在开路导致直流Ⅰ段母线失压，从而导致线路跳闸。最后针对跳闸原因提出了解决措施和建议。

近区；击穿；故障；保护动作；跳闸；分析

电力电缆线路是城市供电线路的主要方式，一般为负荷集中区或重要负荷，电缆线路安全稳定运行直接影响到一个城市可靠供电。但电缆线路在运行过程中受到多种因素的影响，经常会出现运行故障，想要有效避免故障的发生，就需要针对故障发生的原因进行分析，并做好故障探寻管理工作，选择切实可行的措施进行处理，争取不断提高电缆线路运行的可靠性〔1〕。文中针对一起某220 kV变电站近区110 kV电缆终端运行中击穿接地故障，导致变电站3条220 kV出线跳闸，进行了深入分析。

1 事故简述

2015年6月16日9时36分，某220 kV变电站某110 kV出线电缆A相终端接地短路爆炸，短路电流14 kA，90 ms后516断路器动作成功切除故障，400 ms后直流电源短暂失电，期间变电站220 kV 602出线、608出线、614出线同时跳闸。

事故前运行方式如图1所示，2台主变并列运行，1号主变中性点接地，220 kVⅠ，Ⅱ母线各供3条220 kV线路运行；1号站用变接于10 kVⅠ母带全站站用负荷，2号站用变接于10 kVⅡ母热备用，380V采用进线备投的方式。

图1 事故前一次设备运行方式

2 电缆终端故障分析

2.1 故障电缆铭牌

故障电缆本体型号YJW02－1×630，长度约188 m，2002年3月11日投运，电缆生产厂家为江苏宝胜电气股份有限公司，电缆终端型号为TPE 1123/069，系某知名终端厂家2001年产品。

2.2 故障现场情况

110 kV 516出线001塔A相电缆终端爆炸，瓷套散落周围，终端内部硅油均匀散落在周围20m2内，应力锥向上移位约60 cm，部分瓷套内侧有过热迹象。应力锥向上移位示意图见图2。

图2 应力锥向上移位示意图

经检查A相电缆终端发现，终端底座瓷套断裂，但内部包扎带未见过热灼伤痕迹，断裂部位示意图见图3；电缆终端内电缆主绝缘有3处击穿，击穿部位主绝缘表面粗糙，击穿部位均位于应力锥初始正常位置的两端部，移位的应力锥下部可见明显开裂，另一方面，应力锥与电缆外护套尾管连接的铜网过渡带有明显烧蚀过流痕迹，应力锥外表面有明显放电通道痕迹，具体情况见图4。

图3 终端瓷套断裂示意图

图4 电缆终端主绝缘击穿情况

2.3 电缆终端密封情况

检查电缆终端头部密封情况，可以很明显看出，电缆终端上法兰是一整块盖板罩在瓷套上方，密封垫圈受压痕迹良好，通过外侧的均压帽、螺栓、密封垫圈，使得盖板与瓷套紧密联接，可以排除电缆终端密封不良导致电缆故障，电缆终端上法兰密封情况见图5。

图5 电缆端部上法兰密封情况

2.4 电缆故障分析

对A相电缆终端应力锥进行解体检查，如图6—7所示。1，2和3号击穿点一一对应图4中的击穿点1、击穿点2、击穿点3，可以发现3个击穿点分别对应于应力锥的上下两端，应力锥上端部和外表面有明显爬电痕迹；应力锥内表面下部在放电点2、放电点3处明显烧蚀熔融，内表面其他位置未见爬电痕迹；电缆主绝缘击穿位置绝缘存在大面积碳化现象。分析认为在应力锥上部位置主绝缘存在绝缘缺陷，推测是应力锥安装过程中损伤了主绝缘，运行过程中，在界面位置产生局部放电，而绝缘材料在长期局部放电作用下会逐步发生劣化，产生泄漏电流沿应力锥外表面流向地电位端；在长期运行过程中产生局部放电，在累积作用下，主绝缘不断劣化，直至不能耐受运行电压而发生击穿，因此推测首先发生击穿的位置为点1，在发生击穿后电流通过应力锥外表面流向地电位端，导致在点2，3位置电场过度集中，先后发生击穿，巨大的短路电流经与外护套相连接的铜网(地电位)短路接地，短路电流使得应力锥半导电部分材料熔化，融化物与硅油混合，形成黑色粘稠物，分解产物产生大量气体，最终导致电缆终端爆炸，同时巨大的压力使应力锥向上移位。

图6 主绝缘击穿位置与应力锥对应图

图7 应力锥剖开图

3 220 kV线路跳闸分析

3.1 跳闸线路检查

检查3条220 kV跳闸线路及对应断路器，一次部分未见异常，线路本身无故障。

3.2 保护动作分析

跳闸线路602，608，614均接于220 kVⅡ母运行，并且均只有B保护动作，A保护没有动作；而另3条接于220 kVⅠ母运行的线路未跳闸。

通过220 kV故障录波图可见516故障发生后400 ms左右220 kVⅡ母TV三相电压消失，约4.3 s后Ⅱ母TV三相电压恢复，Ⅰ母TVA，B相二次电压也与Ⅱ母电压基本同时消失约4.3 s，但Ⅰ母C相电压只消失约280 ms。

在TV二次电压消失前，516线路户外电缆终端头处故障对220 kV线路保护属于反向区外故障，距离保护均可靠不动作，当TV二次电压消失后，测量阻抗接近阻抗平面原点，距离后备段保护动作。

接Ⅰ母运行的3条220 kV线路没有跳闸的原因:Ⅰ母C相二次电压消失时间280 ms较距离Ⅱ段和Ⅲ段动作时间短，不满足动作延时而未出口。

3.3 220 kV线路跳闸分析

根据之前保护电压消失现象推断第一段直流母线在此次事故发生400 ms左右开始失压约4.3 s，而直流Ⅱ段母线在此期间基本正常。事故前由1号站用变带全站站用负荷，2号站用变热备用。根据站内一次设备运行方式和基本参数进行故障仿真，在516线路故障时刻直流电源充电机的交流输入——站用380 V交流电源A相电压跌至38 V左右，而且此时充电机的两路380 V交流输入均由1号站用变供电，两路交流输入均出现异常。通过翻阅直流充电机说明书、咨询厂家及现场使用调压器和负载箱模拟故障情况进行试验验证:当充电机交流输入单相大幅降低时充电机会闭锁充电模块停止输出，待输入电压恢复正常后充电装置约4～5 s恢复正常输出。正常情况下充电机闭锁输出后应由直流蓄电池继续供电，事故发生后现场对蓄电池进行检测发现Ⅰ号蓄电池组单体49号和69号蓄电池已经开路，查阅此组蓄电池最近一次内阻测试数据(2015年1月)发现故障蓄电池组多只单体电池内阻值异常，特别是49号单体内阻值明显偏大，表明此蓄电池组存在“虚开”现象，因此直流Ⅰ段母线在Ⅰ号充电机闭锁后带上大负荷，“虚开”蓄电池中极柱下发已被腐蚀、老化开裂的汇流排在大电流的冲击下断裂造成开路而失压，最终导致挂220 kVⅡ母3条线路跳闸。

两组蓄电池的最近一次的核容和内阻测试报告显示，Ⅰ号蓄电池容量测试仅为50%，内阻测试值不平均且个别单体蓄电池内阻明显偏大，结果不满足要求。

4 结论与建议

4.1 结论

1)110 kV 516出线A相电缆终端应力锥安装工艺不良，对主绝缘造成损伤，运行时产生局部放电使得主绝缘逐年劣化，直至发生击穿；泄漏电流和短路电流沿着应力锥外表面，对与尾管相连的铜网带(地电位)放电，使得电缆头内硅油分解、气化、膨胀，最终导致电缆终端瓷套发生爆炸。

2)电缆接地故障后，引起站用380 V交流输入低电压，因Ⅰ号充电机的两路交流输入此时均由1号站用变供，充电机交流输入异常后引起输出闭锁，而Ⅰ号蓄电池组存在开路导致直流Ⅰ段母线失压。直流Ⅰ段失压后造成Ⅳ切换屏失电，保护用母线电压失压，从而满足了距离保护后备段的动作条件，保护正确动作，致使3条220 kV线路跳闸。

3)本次事故扩大的原因，一是事故时380 V站用电采用的是进线备投方式，负荷均由1号站用电供，导致充电机的两路交流输入电源同源，当同时出现异常，充电机的两路交流输入切换功能就失去了意义；二是直流蓄电池运行状况较差，存在虚开的现象，蓄电池切换到运行状态后在负荷电流的冲击下出现开路而引起直流电源系统失电。

4.2 建议

1)对110 kV 516出线电缆终端更换电缆终端及附件，交接试验合格后才能投运。

2)加强电缆全过程技术监督。深度介入电缆线路的设计、选型、招标、采购、安装、调试各个环节，对关键质量控制点进行监督把关；在运行中按要求开展红外测温、环流测试等工作。

3)强化电力电缆的管理与技术支持，建议在成立专业的电力电缆专业技术支持团队，对电力电缆存在问题及检测诊断技术进行研究，对电力电缆的运行状态进行诊断评估，对基层单位的运维管理队伍进行培训。

4)应对站用电的运行方式进行优化，保证正常情况下两台站用变分别由两台主变供电且分列运行，提供两路不同源的380V交流电源。

5)重视蓄电池核对性充放电试验。严格按照《国家电网生国家电网公司十八项电网重大反事故措施》(国家电网〔2012〕352号):“5.1.2.8新安装的阀控密封蓄电池组，应进行全核对性放电试验。以后每隔二年进行一次核对性放电试验。运行了4年以后的蓄电池组，每年做一次核对性放电试验。”的要求试验周期开展蓄电池核对性放电试验，进行100%的全容量核对性放电，以便及时发现蓄电池深层次的缺陷，同时可对落后蓄电池起到活化的作用。

〔1〕彭华，李屹.110 kV电缆故障分析及预防措施〔J〕.华东科技:学术版，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，硕士研究生，工程师，主要从事电缆试验技术及专业管理研究。

2016-03-01 改回日期:2016-04-07