某电厂220kV电力电缆的金属护层产生过电压原因分析

2021-11-03杨帅普潘志强吴森飚

电子技术与软件工程 2021年16期

杨帅普潘志强吴森飚

（1.广州珠江电力有限公司广东省广州市 511400 2.广州珠江天然气发电有限公司广东省广州市 511400）

随着国家经济的快速发展，科学技术的不断进步，高压动力电缆以其便于铺设，占地面积小、维护简单等优点，在城市区域供电网络、工厂、发电企业中得到越来越多的应用。根据电力行业安全操作规程，电气不带电设备的外壳都必须接地，所以高压电缆的金属护层或者屏蔽层必须按照标准进行可靠的接地。通常110kV 以下的电力电缆通常是三芯结构，在正常运行时流过三相导体电流之和为零，故采用电缆两端直接接地方式。110kV 及以上的电力电缆一般采用单芯结构，在正常运行时电缆金属护层会产生感应电压，采用两端接地方式会通过接地网络形成环流，长期运行电缆会造成发热老化，甚至电缆绝缘击穿，故单芯电缆一般采用一端接地方式[1]。电力电缆在运行中会经常遇到雷电过电压和操作过电压，在电缆护层中也会同时感应出很高的冲击电压，因此就需要在电力电缆不接地端装设护层保护器[2]。护层保护器可以根据电力设施的布置形式选择装设在首端或者末端，但护层保护器的选型一定要经过准确定值计算和设计安装，否则电力电缆长期承受过电压，会加速电缆老化进而可能引起绝缘击穿的严重事故。

1 电气设备概况

某发电厂的主变与GIS 设备连接采用沈阳古河220kV YJLW03型电力电缆连接。根据电力设计规范[2]要求：电力电缆一端与变压器连接，一端与GIS 设备连接，电力电缆护层的接地方式宜采用变压侧三相互联直接接地，GIS 侧采用装设护层保护器连接，发电厂接线方式按照该要求进行安装布置。GIS 设备的出线处三相分别装设一台Y10W5 型氧化锌避雷器，通过单层架构跳线方式连接双回线杆塔（自上而下分别为B 相、A 相、C 相），输电线路全线装设双避雷线。厂内220kV 电缆安装及相关电气参数如图1 和表1。

图1：某发电厂220kV 电缆安装布置图

表1

2 设备问题情况

在机组计划性检修中发现，护层保护装置的绝缘固定螺栓对保护装置的金属外壳有放电现象，其中B 相、A 相放电情况严重（C相正常），保护器外壳均出现严重烧蚀，部分固定绝缘螺栓烧蚀变形，查看三相护层保护器均未有动作情况（保护动作计数器），可见该保护器已无法起到保护作用。护层保护器现场情况如图2所示。

图2

3 原因分析

经过查找原始设计资料和查看原始设计参数，并现场护层接地点接地电阻测量确认正常，该电厂220kV电力电缆采用专用电缆沟水平铺设，变压器侧三相互联直接接地，GIS 侧装设护层保护器。可以得出该电厂的等值电路图如图3所示。

图3：电厂电力电缆的等值电路图

通常情况波阻抗Z1、Z2可以根据电缆的结构计算得出或者进行实测得出[1]，r1：为电缆主导体的半径（mm），ra：为电缆护层的半径（mm），ρ 为土壤的电阻率，一般可实测得出（该地区一般取50 ～100Ωm），f 为工频频率，一般的架空线导线波阻抗一般取500Ω[3]。经实测可知：Z1=27.5Ω，Z2=19.3Ω，U0为装设避雷器线路的10KA 雷电冲击电流下最大残压（520kV）。根据公式（1）、表1 和电缆输电线路设计规范[1]可计算得出：受雷电波冲击下的冲击电压UA=36.7kV。根据设计规范[4]，操作过电压U0可以用220kV系统的相电压（额定相电压：127kV；峰值电压为179.6kV）进行计算[5]，可以得出UA额定=8.96kV，UA峰值=12.7kV。依据表1 中原有护层保护器的保护参数来说，其动作电压为17kV，而电缆的额定耐压为10kV，出现操作过电压时，护层保护器不会动作，所以原护层保护器无法起到保护作用。根据研究数据表明棒-板气隙击穿电压为3.8kV（eff）/cm[3]，因此装设的护层保护器连接件与金属外壳或接地体的气隙绝缘间距在操作过电压下最小为2.4cm，雷电冲击过电压下最小气隙绝缘间距为4.5cm。原护层保护器连接件至金属外壳的气隙绝缘距离为4cm 左右基本满足操作过电压的最小气隙绝缘距离，因此在操作过电压下，不会发生气隙被击穿而引起放电烧蚀现象。研究表明雷击避雷线或者线路塔杆都会在线路导线上产生感应电压，感应电压大小与导线至地面的高度成正比关系，导线距离地面越低，感应过电压越小[3]。该电厂的出线采用同塔双回线设置，B 相、A 相、C 相以自上而下布置，而原护层保护器连接件至金属外壳的气隙距离在4cm 左右，因此在发生雷击时很容被击穿，B 相距离地面最高，因此产生过电压最大，放电烧蚀现象最严重，A 相次之，而在C 相上产生雷击过电压偏小致使未能击穿气隙，因此没有发生放电烧蚀现象。