一起35 kV开关柜电缆终端故障案例分析

张德文，张 朋，胡晓旭，魏新宇， 徐嘉明，张光中

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030；2.国网黑龙江省电力有限公司检修公司，哈尔滨 150090；3.国网黑龙江省电力有限公司大兴安岭供电公司，黑龙江 加格达奇 165000；4.国网黑龙江省电力有限公司牡丹江供电公司，黑龙江 牡丹江 157000)

0 引 言

电力电缆运行故障率相对较低，具有占用输电通道空间小、能适应多种复杂敷设环境等优点，是变电站及大容量电能输入城市负荷中心最常用的输电方式[1-2]。分析电力电缆运行故障原因和故障发展过程有助于改善和提升高压电缆线路运维水平，可以在一定程度上有效杜绝类似事故再次发生。但由于部分安装人员对高压电缆及其附件安装、使用要求认识不够，导致发生很多工艺问题。该文选取一起典型电缆终端故障作为案例，深入分析故障成因及其发展过程，并对故障分析的方法和要点进行探讨。

1 故障基本情况

2021年2月19日15时14分，某变电站后台显示35 kV 1号母线B相电压降低，A、C相电压升高。15时15分，318开关出现分闸变位，后台显示318开关共发生11次分、合闸变位，主控室内火灾报警主机警铃响起(35 kV高压室火警)。15时18分，检查发现35 kV高压室318开关柜处有火光，室内充满浓烟，可听到开关分、合声响。15时20分，将35 kV低容低抗无功控制方式软压板退出，值班人员依次拉开311、312及3501开关，切除故障设备电源。35 kV 1号母线运行情况如图1所示。

图1 35 kV 1号母线运行情况

1.1 现场检查情况

现场检查35 kV 1号电抗器318开关柜发现有损坏痕迹，后柜门外侧有明显烧伤发黑痕迹、柜体观察窗破损。打开318开关柜后柜门，发现318开关柜内电抗器侧B相外侧电缆接头绝缘击穿，绝缘材料、屏蔽材料均已烧融；各电缆与避雷器间连线烧损断裂，B相避雷器部分外绝缘烧损；柜内各电缆、避雷器、连接金具表面均有明显熏黑烧灼痕迹；柜内所有绝缘罩均已烧熔脱落，详见图2。

图2 318开关柜内部

1.2 保护动作情况分析

35 kV 1号电抗器保护不具有独立故障录波器，专业人员对综合51B主变录波器低压侧录波图形进行现场分析，发现15时14分36秒732毫秒时，51B主变录波器启动显示B相电压降低，A、C两相电压升高且低压侧三相电流平衡，判断此时B相出现单相故障情况。

35 kV 1号电抗器保护首次跳闸为15时15分17秒850毫秒，最大电流“Imax为14.37 A”，满足I段过流保护动作定值4.2 A。提取保护装置内部录波情况时，发现仅能保存最近8次动作波形及后8次保护动作情况显示，投入时刻即发生两相短路，约5～23 ms后发展为三相短路。提取15时18分57秒769毫秒动作波形，确认故障电流IA为13.12 A，IB为18.55 A，IC为13.81 A，均满足过流保护动作要求，保护装置线电压UAB为47.6 V，UBC为3.8 V，UCA为45.8 V，经5 ms后电压均降低为0。

2 故障原因分析

依据GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中规定：35 kV系统当单相接地故障电容电流不大于10 A时，可采用中性点不接地方式；当电流大于10 A且需在接地故障条件下运行时，宜采用中性点谐振接地方式。为了能够估算弧光接地过电压的幅值，对35 kV的系统电容电流进行了计算。该系统中的各支路均为电缆线路，计算过程如下。

根据《电力工程电气设计手册：一次部分》计算该35 kV系统电容电流，具体过程如下：

(1)

C=KL

(2)

式中：UC为电容两端的电压，V；ω为角频率，rad/s；L为电缆长度,m。

通过参考厂家提供的数据，K取值为0.21。

考虑到变电所的增加部分后，电容电流为：

(3)

此外，在故障发生当日电能质量监测平台采集到的谐波电流约为4.3 A。

所以，35 kV系统总的电容电流为

(4)

因此，得到总的电容电流为8.863 A。该数值接近规程中规定的10 A。通过参考间歇性弧光接地过电压故障的相关文献、工频熄弧理论及故障实例，证明当电容电流在几安至数百安的范围内能产生间歇性弧光接地过电压，电弧的燃弧状况与恢复电压、外界气象条件以及电弧部位介质等多种因素有关，规程中给定值10 A是常态下的经验值[3-4]。

结合上述情况分析，35 kV 1号电抗器保护首次动作前，已发生B相电压降低，此时存在单相接地电容电流，产生弧光接地过电压。发生间歇性弧光接地时，由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频振荡过电压，非故障相的过电压幅值可达3.15～3.5倍相电压，这种过电压是由于系统对地电容上电荷多次不断的积累和重新再分配形成的，是断续的瞬间发生的且幅值较高的过电压。如果接地电流在高频过零点熄弧或在电压接近最大值时发生击穿，这一过电压将会更高[5-7]。

3 电缆终端解剖分析

经查验电缆试验报告，该电缆交接交流耐压试验及绝缘电阻测试均符合要求。为准确判断电缆终端故障情况，将全部三相9只电缆终端头进行解体分析，认定发生电缆故障原因如下。

1)电缆现场解体C相电缆，发现半导电屏蔽层与护套搭接部位不紧密，存在缝隙，导致电场不均匀，极易发生局部放电，如图5所示。

图5 C相半导电屏蔽层搭接实拍图

2)经现场解体后实测，B相电缆半导电屏蔽层长度为58 mm，C相电缆半导电屏蔽层长度为28 mm，均不符合电缆终端头安装工艺指导书15 mm的要求，如图6所示。

图6 B、C相半导电层测量实拍图

3)现场解体发现，B相故障电缆半导电屏蔽层及铜带屏蔽层表面存在较多碎屑，在解剖A相电缆时也发现相同碎屑，经万用表测试为金属材料，如图7所示。

图7 A、B相电缆终端碎屑实拍图

此外，在318开关频繁操作投切电抗器过程中，产生3倍左右的截流过电压，电缆终端头遭受多次截流过电压及弧光过电压双重冲击，直至电缆B相终端头一侧全部烧损。

通过以上分析，最终确认故障原因为电缆终端头安装工艺控制不良。

4 结 语

通过对一起35 kV开关柜电缆终端故障案例分析，得出故障原因为电缆终端头安装工艺控制不到位。建议适当增加电缆线路红外测温、局部放电检测频次，必要时可通过技术改造等手段安装局部放电在线监测装置，及时发现设备缺陷。

重新整定35 kV系统部分的继电保护装置，使其能在单相接地故障发生后迅速查找故障点并切除故障电路。

在进行高压电缆故障分析时，应综合考虑故障时刻电流、电压录波信息，电缆线路敷设情况，电缆和附件的配合尺寸、安装要求，并依据电缆线路投运时以及现行的检测标准对电缆及其附件的性能进行检测分析，有助于及时发现故障成因。