全电缆线路故障定位及GIS变电站优化方法

广东电网有限责任公司东莞供电局 曾远方 李名科

1 引言

随着电网的发展，城市电网110kV 及220kV线路的电缆化率越来越高。电缆具有可靠性高、节约土地资源、故障率低等优点。但是电缆故障情况下，故障检测和消除的时间相对于架空较长，往往需要停电后切除故障段再驳接新电力，而制作电缆头驳接需要时间较长。目前东莞地区110kV 及220kV 整体电缆化率约在22%。近年在城市电网设计中，全线电缆线路逐步增加，随着城市开发程度增加，未来增加的线路主要以电缆为主，尤其是110kV 新建设线路主要以电缆为主，预计至“十四五”新建110kV 线路80%以上为电缆线路，“十四五”末期110kV 电缆化率进一步提升至40%左右。

另一方面，为了城市美观和融入周边环境，在中心城区变电站主要采用户内GIS 设备，有些区域甚至需建设全站包括主变压器户内的变电站，所以未来将建设更多全电缆线路两端变电站GIS 进线的结构。为快速复电，在电缆故障情况下需要快速定位故障进行消缺，由于该结构下无裸露的金属导线，电缆故障定位测试装置无法快速接入，电缆故障的定位和查找需要耗费较长时间，对生产运维造成了一定的困难。需要从电缆故障定位技术和变电站设备布置等方面开展研究。

目前对电缆故障检测的算法和检测设备的研究居多。文献[1]研究了GIS 出线的110kV 及35kV变压器不拆头试验方法，文献[2-3]对于故障定位检测方法进行了研究，文献[4-5]对于故障定位装置进行了改进研究。但是目前，结合现有已建设变电站和线路，没有从结构上提出较好的适应性。

2 现状问题

在电缆线路全线为纯电缆，两端110kV 或220kV 变电站的站内一次设备均为GIS 设备，全电缆线路两侧为GIS 设备进线，这类结构给电缆设备故障定位和检修恢复造成较大困难。由于导体全线封闭，当电缆发生故障时，电缆故障定位测试仪无法接入分相导体进行试验（试验电压可达单相额定电压或以上），需解体一侧电缆接头GIS 气室再接入故障定位测试装置，现状技术一般情况下需GIS 厂家到现场技术支持，故障查找无法在48h 内完成，故障检测和消缺时间较长，可能导致电力生产安全南方电网丁奕的三级事件风险（220kV 输电线路非计划停电达48h 以上、110kV 输电线路非计划停电达72h 以上）。故障定位后的GIS 设备恢复及故障隔离也需要耗费较多的时间。全电缆线路GIS 进线如图1所示，电缆设备到变电站后直接进入变电站了GIS 套筒内。

图1 全电缆线路GIS 进线

现在的变电站布置和设备难以满足电缆检测要求，所以需要研究在全电缆线路GIS 进线情况下，对于电缆线路故障定位及变电站设备布置优化方法。

3 电缆故障快速定位试验方法

当电缆发生故障时，尤其是当发生高阻接地故障或者间歇接地故障，需要通过对电缆线路接入测试装置检测故障，试验电压可达单相额定电压或以上。对于现状已投运的全电缆线路GIS 进线，难以改变已有变电站和线路的结构，而通过解体一侧电缆接头GIS 气室接入测试装置需要时间过长。针对110kV 线路，研究在现有设备情况下通过GIS 主变侧高压套管接线接入测试装置检测故障的方法。在东莞地区110kV 电网结构主要以T 接为主，110kV 变电站主要以线变组为主。在全电缆的电气结构回路中，能够有架空或者金属导线裸露的位置为主变压器的高压侧套管接线，可以通过在停电状态下主变侧高压套管接线接入测试装置来实现电缆故障快速定位

该方法在东莞地区某一新投运110kV 变电站及线路中试验，通过在新建电缆某一处设置故障间隙，在110kV 变电站主变压器的高压侧套管接线上接入测试装置，装置发出电压66kV 的故障定位信号，成功定位已设定故障，且未对现有电气设备造成硬性。电缆故障快速定位试验方法如图2所示。所以，此方法可以用于现有全电缆两侧GIS 进线电缆的故障快速定位试验，在试验前应开展GIS 设备承载试验电压能力评估，避免老旧GIS 设备被试验电压击穿。故障定位测试装置接线位置如图3所示。

图2 电缆故障快速定位试验方法

图3 接线位置

4 110kV 变电站布置优化方案

对于新建设的110kV GIS 变电站，为了增加电缆故障快速监测装置接入点，考虑通过对电缆进线方式优化来实现，方案为电缆从户外进线，在变电站增加飘台，增加绝缘子支柱、导引线、穿墙套管设置于户外飘台上，电缆线路经过飘台后进去GIG 户内设备。对于对外观要求较高的区域，考虑提高围墙设计高度或在围墙上加装格栅的方式，遮挡户外的设备。此方法则形成了裸露导引线一段，在电缆故障有需要时可以提供检测点。此方法在110kV 变电站可以实现每个间隔形成1个“电缆-架空引线-GIS 设备”的结构。目前已在实际建设110kV 变电站中完善该设计方案并通过可行性研究审查，在未来东莞地区的变电站建设中采用该方案。110kV 变电站布置优化方案。如图4所示。

图4 110kV 变电站布置优化方案

5 220kV 变电站布置优化方案

规划新建220kV 变电站，涉及220kV 全电缆进线，220kV GIS 设备布置的情况下，优化电缆从户外飘台进线，通过电缆终端头转架空线，经过避雷器后，接至GIS 户外进线接头。此设计方法每回电缆进线均有试验接入点，不需增加配电装置楼面积，与现有南方电网典型设计差异较小。目前已在实际建设220kV 变电站中采用该方案。220kV 变电站布置优化方案侧面截面结构如图5所示。

图5 220kV 变电站布置优化方案侧面截面结构

6 结语

110kV 及220kV 全电缆线路两端变电站GIS进线结构，在电缆故障情况下无裸露金属设备接入电缆故障定位测试仪，给电缆设备故障定位和检修恢复造成较大困难。为解决这一问题，从故障快速定位方法及规划变电站设备布置优化方法两方面解决。对于现状已建成的110kV 变电站和线路，可通过主变侧高压套管接线接入故障定位测试装置实现快速检测故障，通过已投运设备进行试验，验证了该方法的可行性。对于规划建设的变电站，通过变电站设备布置优化方法满足故障定位测试装置的接入。对于110kV 及220kV 变电站典型设计中电缆直接GIS 进线的方案进行优化，优化电缆从户外飘台进线，通过电缆终端头转架空线，经过避雷器后，接至GIS 户外进线接头，实现故障定位测试装置可快速接入。