110 kV电缆终端与GIS壳体放电分析与处理

2021-03-25曹育硕沈珉峰茅伟杰曹扣成

电力与能源 2021年1期

陈涛，姜雯，陈俊，曹育硕，胥杰，岳亮，沈珉峰，茅伟杰，曹扣成

(国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

电缆终端和电缆接头统称为电缆附件，电力电缆附件是电缆线路不可或缺的构成。完成输电任务的是由电缆及附件组成的电缆线路整体，可以说电缆附件是电缆功能的延续。电缆终端是安装在电缆线路两端，具有一定绝缘和密封性能，使电缆与其他电气设备连接的装置。电缆接头是安装在电缆与电缆之间，使两根及以上电缆导体联通，使之形成连续电路并具有一定绝缘和密封性能的装置。按照安装方式和使用材料分类，可分为绕包式、模塑式、热缩式、预制式、冷缩式等。对电缆线路来说，不仅电缆外护套应有良好的绝缘性能，电缆金属屏蔽层还应采取可靠合理的接地方式[1]。

1 故障经过

上海市松江某110 kV变电站GIS设备生产厂家为上海西电高压开关有限公司，电缆终端生产厂家为江苏中天科技电缆附件有限公司。2020年10月28日该站A串自愈启动,合闸送电瞬间德蒸1K067线路三相110 kV电缆终端发生瞬时放电现象，现象消失后线路可正常运行，之后多次分合闸瞬间均有放电现象。经讨论后决定修改启动方案，将该线路改为开关线路检修，并通知相关设备厂家进行调查。后经视频回放和现场检查确认为GIS设备壳体与电缆终端之间放电。放电瞬间以及放电点照片如图1至图4所示。

图1 德蒸1K067线路分合闸瞬间放电监控照片

图2 德蒸1K067线路A相放电灼伤点

图3 德蒸1K067线路B相放电灼伤点

图4 德蒸1K067线路C相放电灼伤点

2 故障分析

对放电的线路进行GIS电缆仓内气体检测，判断是否属于GIS电缆仓内发生短路故障，检测结果如表1所示(仪器型号为STP1000PRO，环境温度25℃，环境湿度50%)。

表1 GIS电缆仓内气体检测结果

对相关线路的断路器进行了断路器特性分析，判断是否为断路器故障导致的过电压。检测结果如表2所示(仪器型号为DY/DB1128)。

表2 断路器分合闸时间

两项检测结果均未发现异常，非设备故障。

同时电缆附件厂家对放电的三相电缆附件进行了追溯调查，证实相关电缆终端出厂时为合格产品，安装完成后也通过竣工试验，并进行了退仓后单相耐压试验，排除电缆终端与GIS壳体放电现象是由于附件厂家本身或安装质量原因造成。

后经过多方故障诊断会议，分析放电现象产生的根本原因是由于电缆终端与GIS壳体之间存在电位差，分合闸瞬间产生的操作过电压导致电缆终端与GIS壳体之间部位空气击穿。

3 故障原因

单芯电缆的导线与金属屏蔽(或护套)的关系，可看作一个变压器的初级绕组。当电缆的导线通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与金属屏蔽层铰链，使金属屏蔽层产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过的电流成正比。在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，金属屏蔽层上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。

因此，在分合闸瞬间产生高频暂态操作过电压的作用下，电缆终端以及GIS壳体两处直接接地的交流阻抗会有很大不同，频率越高，交流阻抗的差值也越大，两者之间的电位差也越大。另外，合闸相角有随机性，合闸时相位角处于操作过电压较大位置，则两者之间产生电位差也越大。当两个因素综合作用时，导致的电位差大于空气的击穿电压，电缆终端与GIS壳体之间会发生放电现象。等价电路如图6所示。

GIS设备壳体与直连的电缆之间的连接形态如图5所示。

图5 连接形态

图6 等价电路

电缆直连GIS终端的绝缘筒，因断路器切合时产生操作过电压，具有20 MHz高频衰减震荡波和波头长0.1 μs陡度的特征。该行波沿电缆导体浸入，在金属层感生暂态过电压。单芯电缆的外护层等部位，在运行中承受可能的暂态过电压，若作用幅值超过这些部位的耐压标准时，则可能出现空气击穿放电。

电缆终端与GIS壳体之间(即绝缘筒间)过电压(Uab)、电缆金属对地过电压(Us)的表达式为

(1)

(2)

(3)

式中E1——GIS的断路器切合过电压沿电缆导体进行波幅值，kV；Zcb——气体绝缘母线的导体与护层间波阻抗，Ω；Zcs——气体绝缘母线的护层与大地间波阻抗，Ω；L1，L2——气体绝缘母线和电缆的各自接地线感抗，Ω；C——两护层间的杂散电容，F。

然而实际中较难测定具体参数。目前已有的测试结果，主要为日本报道过66 kV及以上电压等级单芯电缆线路的系列实际测试，现摘要部分结果如下。

(1)对于66～275 kV电缆未设置护层电压限制器情况，自20世纪80年代起先后进行过10次及以上测试，在额定电压等级为66，154，275 kV时，电缆线路金属套对地暂态过电压(Us)测试结果如表3所示。

表3 电缆线路金属套对地暂态过电压 kV

由表3可知，试验结果显示均已超过电缆外护层绝缘耐压水平。

(2)66～275 kV电缆直连GIS终端的绝缘筒，在额定电压等级为66，154，275 kV时，绝缘筒间过电压(Uab)测试结果如表4所示。

表4 绝缘筒间过电压 kV

由表4可知，试验结果显示均超过耐压值，若在电缆终端与GIS壳体之间并联0.03 μF电容或护层电压限制器，则测得不超过6～14 kV。

4 故障处理

根据GB/T 50217—2018《电力工程电缆设计规范》4.1.13中规定：“35 kV及以上GIS终端的绝缘筒上，宜跨接护层电压限制器或电容器”。因此，在电缆终端与GIS壳体间(即规定中“绝缘筒”部位)加装护层保护器(绝缘法兰保护器)，消除电缆终端与GIS壳体间的放电现象。护层保护器由氧化锌非线性电阻片、外覆耐高温的硅橡胶外套制成，能够有效限制过电压，安全防爆。护层保护器安装示意图如图7所示。