多回单相同轴电缆穿越环形钢构架的运行缺陷

张运迫刘蕾

（1. 西安交通大学 2. 西安石油大学 ）

多回单相同轴电缆穿越环形钢构架的运行缺陷

张运迫1刘蕾2

（1. 西安交通大学 2. 西安石油大学 ）

电力系统的供电运行事关电力供电的可靠性、安全性，维护的简单性，检修的方便性。电力系统的运行安全是一个企业能否长周期运行的决定性因素，其中供、输、配、变电单元及电缆桥架等金属电力结构件均不可忽视，任一构成单元都将影响电力系统的高可靠运行，严重时会导致短路、火灾、爆炸事故的发生。因此，电力设施的设计、建筑安装、调试、运行、维护各个环节都有其设计的规范要求、行业标准和构成原理。任何单位和个人都必须遵守它的科学法则，依据它的自然规律，反之将引起重大事故。

供、输、配、变电单元；金属电力结构件

0 引言

众所周知，电力系统线路运行安全是至关重要的，但是其运行环境必须是安全的，电力线路必须是少磁、无感性、无容性电流的环境。

当高压输电线路上有电场存在时，自然高压输电线路上有电容存在，也有电感存在。当高压输电线路上有电感存在时，线路就有感应电势，电力二次能源将会形成能量交换存在电磁场。同时，当单相同轴电缆通过环形钢结构时，必然形成互感器原理，同时产生感应电势，发生自感和互感现象。在自感和互感的线路中，其线路产生谐波电压f0 ，当谐波电压达到干扰时，谐波电压升为2f0，此时其中频率F将在局域范围内发生变化，电压瞬时升高，同时会导致制造质量薄弱点的电缆放电打火，降低主绝缘强度，烧毁主绝缘，导致放电击穿。

1 电力线路的结构设计图分析

图1

图1为一种安装于某厂钢结构上的门状环形金属构架设计图。从图1可以看出单相通流线缆穿越环形结构架，自然形成互感器原理，形成感应电场，然而，对于将近1～2km的35kV电力线路，全线路感性装置多达几百个门状环形架，由此证明设计存在缺陷，单相同轴电缆不能混用三相交联电缆设计思维，对某厂电力线路是不适应的。

2 形成现象及试验、事故剖析

图2是检修试验过程中解剖照片图，由于单相同轴电缆在运行中有大量的感性装置，运行中形成谐波以后的打火放电现象。

图2

图2属于某厂单相电缆故障后的均化电场照片，间隙和径向放电。由于半导电层具有一定的电阻，当金属屏蔽层接地不良时，有间隙时，在电缆径向由于电位分布不均匀而造成电缆沿面放电；或者金属屏蔽层不连接而断开，则有可能从金属屏蔽层非接地端流向接地端的充电电流会在金属屏蔽非连接处强行通过外半导电层流过，该处外半导电层发热，温度上升。此时温度会很高，使金属屏蔽层断开处的外半导电层急剧老化。如果上述状态持续发展，外半导电层的电阻进一步增大，在金属屏蔽层未连接处，金属屏蔽层非接地端与接地端之间产生电位差的作用下，产生的放电现象进一步加速电缆从绝缘体表层开始老化。因此，在金属屏蔽层分断后，其未连接处电缆绝缘会在较短时间内产生老化，直至绝缘破坏，引起通流电缆短路事故。

图3是电缆屏护层感应电压沿面放电烧伤电缆半导体及主绝缘，破坏的情况。

图3

图4是一金属构件相贴在被破坏的电缆外护层的屏护层上，放电打火照片，充分说明电缆屏护层的感应电压和感应电流能源效应的情况。

图4

穿越环形构件的电缆屏护层谐波电压升高到一定的范围，由于屏护层的感应电压能量的大量聚集，且电压是脉冲电压，不规侧的电源造成打火放电，导致主绝缘失水，溶解干裂，绝缘强度降低，严重的地方可以引起放电短路，这些事实说明电缆感应电场能效巨大的变化。

通流导体的高次谐波主要原因是感应电场的存在，其次也离不开通流电缆运行通路的负面因素，运行通路不合格，有小于电缆的弯曲半径的20D时，认为线路易形成电流回流现象，而震荡电源的形成是基于电流的回流和电力系统的波动所引起，其电力总和是RLC 为三者乘积的总和（R 为全线路的电阻，L 为全线路的总长，C为全线路电容）。从以上基本情况可以看出此电力线路有震荡加上谐波电压，二者的叠加，也就是瞬时高次谐波。固然，间歇打火放电成为事实，引起电缆主绝缘烧毁，击穿放电，图5为最严重的事故照片，是某厂单相多回路同轴电缆穿越环形钢构的事故图。

图5

从图5可以直接看到电力桥架穿越环形架，而且通流电缆是多回单相高压电缆，而且每次放电着火事故都是环形桥架支架内电缆着火短路，为钢构衡梁上的一、二层，属于环形金属结构内。第三层在最上边，电缆桥架的电缆处开路环境敷设，无感性磁场，未有放电着火事故，下层电缆有强大电场，所以多次下边电缆着火后烧掉上部电缆，以至于火烧连营，着火线路每次事故损失巨大。

在2016年6月15日之前，35kV电缆线路桥架梯架的电场电流最大时测量位11A、7A左右不等，电磁场能量之大，后经设计技术改造，电缆回路分流，将原先的环形架换成L形、F形和T形架后，感应电流明显降低。但是，电缆桥架沿用旧的设施环境，单相通流线路已然穿越钢结构件，线路继续存在电场，场强变小，电场电流在合理的范围均在3A以下。

电力回线改造后，线路工作人员对单个电力馈线回路桥架梯架分支2.5mm2铁丝环流测试结果，电场电流分别为1.3A和1.7A等。

根据图5可看出，电缆桥架10#槽钢是截面积是2.5mm2铁丝的20多倍，可以计算出感应电流是2.5mm2铁丝的20～40倍之间，也就是说一般电缆桥架槽钢感应电场电流在30A左右，感应电场场强如此厉害，然而，全线路这样的感性装置上百个，这样的能源消耗效应又是多少？在大量的感性装置中的谐波分量又很大，暂态的谐波电压，加上暂态的感应电流，足够引起电缆屏护层多次放电，引起事故。

技术改造后，在环形架的铁丝上测量电场电流2.08A，桥架梯架测得感应电流0.72A；系统桥架接地线引流电流多次测试2.08A，几乎在接地点形成稳态中和电流。

由以上测试结果可以看出，单相同轴电缆在穿越若干个感应电场后，其感应电压和谐波电压、振荡电压的叠加，其感应电压分量之大，并且电压分量是个瞬时的脉冲变量，即UN是个可变值，属暂态的不属于稳态现象，它随着电场电容的增大而增大，所以不恒定，一般为10V左右（异常泄漏时电压可以为上百伏或者上千伏）当达到一定幅值时，形成干扰，将会放电打火，引起短路。

以下为某厂电力线路历年故障频发段（空分307C变电所旁管廊），其为电缆桥架穿越大量电磁聚能环路段，也属于线路谐波最高路段。此段也是电力导线两个爬坡处，且通流导体中的弯曲半径偏小，固定不牢靠，运行中电流形成回流，这种现象也叫电流震荡，已形成高次谐波。在高次谐波的屏蔽回路中，由于电缆的屏护防护等级低，受热胀冷缩影响，形成间隙，加上屏护层的感应谐波分量积聚，最终引起电缆多次打火着火事故。

2013年的9月20日PP1挤压机回路空分段事故如图6所示，检修历时5天左右。

图6

2014年11月18日总变至热动力35kV联络四空分段，由于电缆屏护层感应电压高，加之施工时电缆外护层绝缘受损，在运行中放电打火，引起线路短路着火，光纤传输电缆也同时烧断，保护失效，造成全厂35kV电压波动，导致所有装置停车，检修历时一个星期，如图7所示。

图7

2015年3月11日总变至热动力35kV联络四电缆中间接头绝缘击穿短路空分段，造成与之垂直安装的三条联络线、通信光缆、低压电缆、电缆桥架全部着火烧毁失电，导致全厂停车，事故恢复极其困难，检修历时10天，具体如图8所示。

图8

2015年6月15日总变至PP1装置35kV（2#变）电缆发生单相接地空分段，绝缘击穿、短路着火，同时烧毁临近桥架PP1三条馈线回路、PP2三条馈线回路、热动力四条联络线以及通信光缆全部烧毁，保护失效，造成全厂停电，事故恢复工期时间长，恢复困难历时近一个月，如图9所示。

图9

纵观以上既成事实，造成电力线路着火事故的主要原因是电力线路环形架存在缺陷，环形架是单相同轴电力线路的感应电磁环，是形成电场的主要原因，也是形成火灾的罪魁祸首。故此，我们要分清设施设备运行工况，力求设计准确，绝对不能将单相同轴电缆的运行环境和三相同轴电缆的运行环境工况混淆。

3 改进单相同轴电缆的运行措施

1）解除单相同轴电缆的电磁环运行工况，避免单相同轴电缆携带大量感应能量，降低电缆屏蔽层电压谐波分量，避免放电事故，也同时避免电缆带负荷输电，提高有效输电，保障通流导体良好的运行工况，有效出力，不会减少输出容量。

2）提高电缆的防护等级，实行双屏蔽的保护层，加强电缆运行过程中的感应电压能量释放，保障电缆屏护层沿面放电，不打火不破坏主电缆，不引起短路着火。

3）解除大量单相电缆高压输电，变单相同轴回路输电为多回三相同轴回路输电，扩大配电装置，减轻输电线路负担，克服供电困难，保障供电系统安全。

4 结束语

本人通过长期的数据分析及事故故障综合判断，加之以上实验测试，依据电能原理得出结论，感性单相同轴高压输电线路不可设计为矩形截面环形金属构架，以防形成大量感性电场，使电力输电线路携带高次谐波电压，引起线路放电着火，造成事故。

（2016-06-27）