电力电缆接地系统缺陷引起环流异常的分析

于连坤，魏占朋，丁 彬，林国洲，陈云飞

（国网天津市电力公司电缆分公司，天津 300000）

0 引言

在城市电网建设中，电力电缆线路相比架空线路有占用空间小、供电可靠性高、运行维护简单等优点，因而得到了越来越广泛的应用。110 kV 及以上电压等级的高压电缆多采用单芯电缆结构，在线路正常运行时，线芯中通过的交变电流将产生交变磁场，进而在电缆金属护层上产生感应电压。为了降低金属护层感应电压，保护外护套绝缘，单芯电缆金属护层需要选用适当的接地系统［1-2］。如果金属护层接地方式发生错误，金属护层中将产生较大环流损耗，引起电缆发热，降低电缆载流量，长期运行将加速电缆绝缘老化，缩减电缆使用寿命，甚至导致绝缘薄弱处击穿。因此，保证电缆金属护层接地系统的正确有效，对于控制环流大小、维护高压电缆的安全稳定运行有着重要意义。生产实践中，应按照Q／GDW 1512—2014《电力电缆及通道运维规程》和Q／GDW 11223—2014《高压电缆状态检测技术规范》定期检测接地环流［3-4］，分析环流异常原因并针对性地提出处理措施。

1 电缆线路情况

1.1 线路运行情况

某220 kV 高压电缆线路于2011 年9 月投入运行，为纯电缆线路，电缆型号YJLW03-127／220 kV-1×1 200 mm2，全长6.77 km，包括2 个GIS 终端和11个中间接头，接地系统采用交叉互联的换位方式，如图1 所示。

该线路在2019 年1 月和4 月连续发生2 次击穿故障，分别是在10—11 号接头间的B 相电缆本体和9—10 号接头间的A 相电缆本体。由于电缆本体连续故障非常少见，故障原因不明，研究决定将9 号接头至G 变电站之间发生过故障的A 相电缆进行更换，将替换下来的电缆返厂进行耐压试验和解剖，以进一步查找故障原因。

图1 某220 kV 高压电缆线路接地系统

1.2 电缆更换前接地环流情况

在停电更换电缆前，运行人员对全线进行了一次护层接地环流测量，当时负荷电流为110.2 A。测量结果未发现异常，其中9 号箱至G 变电站环流数据如表1 所示。可以看到，9 号箱至G 变电站GIS 终端之间是一个完整的交叉互联段，三相单芯电缆金属护层经同轴电缆、交叉互联箱进行交叉换位连接。在正确换位的情况下，交叉互联方式可以将金属护层环流限制在较低水平［5-8］。

1.3 电缆更换后接地环流情况

在完成A 相电缆更换和接头制作，线路送电后，运行人员再次对此线路进行了接地环流测量，发现9 号箱至G 变电站之间数据异常，如表2 所示，当时线路负荷电流为108.6 A。

从测量结果看，单相接地电流最大值与最小值之比为87 A／4.3 A=20.23，且接地电流与负荷电流比值为96.1 A／108.6 A=88.49%。按照Q／GDW 1512—2014《电力电缆及通道运维规程》和Q／GDW 11223—2014《高压电缆状态检测技术规范》规定，单相接地电流最大值与最小值的比值超过5，或接地电流与负荷比值超过50%时，判定为缺陷，应停电检查处理［3-4］。

表1 电缆更换前接地环流 A

表2 电缆更换后接地环流 A

2 缺陷原因分析

2.1 接地系统模型分析

为分析缺陷产生的原因，将9 号箱至G 变电站GIS 终端之间接地系统的正确交叉互联接线模型如图2 所示，并标注环流检测数据。

图2 电缆交叉互联正确接线方式模型

截取现场环流检测结果明显偏大的线段，如图3 所示。

图3 电缆金属护层环流异常线段模型

由于线路送电前，外护套绝缘已测试合格，且10号和11 号接地箱内交叉互联接线方式统一，与更换电缆之前完全相同，所以A 相接头处的接地线连接错误可能性最大。结合环流异常线段分布情况，初步判断9—11 号接地箱的A 相接地同轴电缆的线芯、屏蔽方向接反，造成接地系统的实际接线方式如图4 所示。

图4 电缆金属护层实际接线模型

从图4 中可以看出，由于9 号和10 号箱之间A、C 两相护层两端短接，10 和11 号箱之间A、B 两相护层两端短接，分别并联构成了低阻回路，从而导致内部环流异常升高，最高达到96.1 A；而其他线段依次串联，并与大地形成回路，虽然也出现接线错误，但回路电阻较大，环流只比正常接线情况下略微增大，最高8.3 A。

2.2 现场实际验证

对上文分析进行验证，在未对设备停电处理前，采用带电选线仪在现场进行带电确认。分别在10 号箱C 相连接铜排、11 号箱A 相连接铜排上通过耦合方式输入信号，然后在9 号接地箱至G 变电站GIS终端之间的各段电缆本体上接收信号，如图5 所示。

图5 核相仪信号输入

现场测试结果如图6 所示。在10 号至11 号接地箱之间的电缆本体上无接收信号。证明9—11 号接地箱A 相同轴接地电缆接反的判断是正确的。

图6 现场测试结果

线路停电后，工作人员对9 号箱至G 变电站GIS 终端之间的整个交叉互联接地系统进行了相位核对，确认了A 相接地同轴电缆接反的推断是完全正确的。

2.3 原因分析及故障处理

通过模型理论分析与现场验证，可以得出结论：本次220 kV 电缆线路接地环流异常是由A 相接头的同轴电缆线芯、屏蔽接反造成的。

高压电缆接头内部接线如图7 所示，接地同轴缆的线芯、屏蔽要分别与接头两端的高压电缆屏蔽相连，整条线路的所有接头必须保持方向一致，如果某一相接反，则交叉互联系统接线出错，引起接地环流异常。

本次案例中，附件厂家人员在制作中间接头过程中方向判断错误，导致A 相接头的接地同轴缆线芯、屏蔽接线方向与B、C 相不一致。而且本次施工只涉及A 相电缆的更换，所以施工人员在检修完成之后虽然对A 相电缆进行了绝缘电阻测试，却没有对整个接地系统的相位进行核对，导致未能在送电前发现施工错误。

图7 高压电缆接头内部接线

最后对同轴电缆进行重新接线处理，恢复了正确的交叉互联连接方式，如图7 所示。线路检修完成送电后，再次测量接地环流，数据恢复正常。

图8 接地系统恢复效果

3 结语

高压电缆金属护层环流的大小能客观反映出金属护层接地系统的运行状况，由于外护套破损、同轴电缆接线错误等原因导致环流过大的情况时有发生，当环流超过负荷电流80%时，应重点考虑是否为接地系统接线错误导致。在本次案例中，通过建立接地系统模型，对护层环流数值进行分析推导，找出缺陷产生的可能原因，并使用带电核相仪进行了带电验证，可为下一步制定停电处理方案提供依据。

在附件安装过程中，一定要明确同轴电缆线芯、屏蔽方向，做好相应标记，避免接反。线路投运前，要按照交接试验规程对整个接地系统认真进行核对。一是要关注外护套绝缘电阻是否合格；二是要对接地系统尤其是交叉互联系统的接线方式进行逐段核对。线路检修完成送电后，要及时进行接地环流检测，验证接地系统的有效性。