10 kV单芯电缆屏蔽层两端接地引发电缆故障分析

何伟

（广东省电力学校，广州 510520）

10 kV单芯电缆屏蔽层两端接地引发电缆故障分析

何伟

（广东省电力学校，广州 510520）

10 kV单芯电缆两端接地感应电压与环流导致电缆故障问题，是配电电缆工作者多年困惑的问题。分析广东阳春10 kV电缆故障，直接原因是金属屏蔽层接地方式选择不当，根本原因是设计规范中没有具体对这些问题做出明确的指引和规定。

单芯电缆；环流；感应电压；两端接地

1 故障经过

2009年5月25日，广东阳春110 kV东湖站10 kV东兴乙线过流I段跳闸，经检测东湖站10 kV东兴乙线电缆有故障，A、B相对地绝缘电阻为零。

找到故障点后，没有发现被外力破坏的痕迹，排除中间接头放电和外力破坏引起故障原因。该段电缆属直埋敷设，东兴甲线与东兴乙线均采用单芯电缆，6条电缆水平排列，间距很小且没有相间隔板。东兴乙线A相烧损严重，线芯外露、B相烧损较严重，从挖开的电缆沟来看，电缆沟沙很黑很臭，上面还有两条排污管，现场还看到排污管还有滴漏现象，且电缆沟没有采取防渗措施，使电缆长期受到污水侵蚀（图1、图2）。

2 故障原因分析

东兴乙线运行才两年多，而且最大运行电流记录为420 A，未超过安全载流量725 A的范围。电缆型号YJV-1×400，单相长约3.55 km。

判断故障原因有两种情况，第一种原因是东兴乙线其中一相电缆应该存在一个“隐患点”，该点可能是制作过程中存在的一个气泡或一个小孔，也有可能是运输、施工等过程中造成的一点损伤（由于电缆毁坏严重，已无法判断），导致电缆绝缘层受潮，电缆绝缘性能降低，长期受污水渗入电缆里面导致电缆放电。随着该点电缆放电时间增加，最后把最近的东兴乙线另一相电缆也放电击伤，导致相间短路接地 （东湖站故障录波记录短路电流达5 800 A），引起线路跳闸。

图1 东兴乙线事故现场照片

还有一个导致电缆绝缘性能降低重要原因，就是该电缆金属屏蔽层采用两端接地方式（图3）。屏蔽层上长期存在较大的工频感应电压，三相水平排列，使感应电压进一步增大。出现较大环流，所产生的热损耗加速电缆主绝缘电—热老化。在电缆绝缘的薄弱点出现放电，最终导致相间短路。

图2 故障电缆线芯外露照片

图3 电缆金属屏蔽层两端接地ED—终端

10 kV电缆金属屏蔽层通常采用两端接地方式。这是由于10 kV电缆多数是三芯电缆的缘故。三芯电缆带平衡负荷时，三相电流向量和为零金属屏蔽上的感应电势叠加为零，采用两端接地时，没有环流。

近年来，由于负荷密度增大，环网柜等小型设备的应用，电缆开始采用较大截面单芯电缆。当单芯电缆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交链，使金属屏蔽层产生感应电压。单芯电缆每相之间存在一定的距离，感应电势不能抵消。如果10 kV单芯电缆金属屏蔽层还是按照10 kV三芯电缆采用两端直接接地的方式，金属屏蔽层通过两个接地点与大地构成回路，产生较大的环流，所产生的热损耗加速电缆主绝缘电—热老化。

下面针对三相水平排列与三相品字形排列这两种常见排列方式具体分析10 kV东兴乙线单芯电缆金属屏蔽层上的感应电压情况。

2.1 三相水平排列感应电压计算

以YJV-1×400单芯电缆为例，电缆外径41.2 mm，铜屏蔽外径36.6 mm，，PVC护套厚度2.3 mm，电缆水平排列，间距很小，取10 mm。单相长约3.55 km，负荷电流取东兴乙线最大运行电流420 A。

根据文献1提供的水平排列计算公式

S为电缆中心轴间距离；Ds为金属屏蔽层外径；I为电缆工作电流；L为电缆单相长度。

计算得边相电缆金属屏蔽层正常运行时工频感应电压最大为140.58 V，中相电缆金属屏蔽层正常运行时工频感应电压最大为96.2 V。

2.2 三相品字形排列感应电压计算

根据文献［1］提供的三相品字形排列计算公式

计算得电缆金属屏蔽层正常运行时工频感应电压最大为96.2 V。

2.3 感应电压与环流危害电缆绝缘分析

根据GB 50217－2007《电力工程电缆设计规范》的规定，当采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，电缆线路的正常感应电势最大值不得大于300 V。否则，不得大于50 V。按采取安全措施考虑，上述计算的感应电压140.58 V和96.2 V都属正常。但此规定只考虑了感应电压，并未考虑在此感应电压的作用下，金属屏蔽层两端接地所造成的环流的危害。

文献［2］中的感应电压只有6.8V，远小于300V的规定值。但其环流实测值已经接近负荷电流的10%，金属屏蔽层接地线处温度已达110℃，出现过热冒烟事故。而且电缆长度、工作电流越大，感应电压就越大。东兴乙线最大运行电流已达420 A，大于文献［2］中电缆的工作电流，其长度3.5 km也大于文献［2］的50 m。其感应电压在敷设条件相近条件下也应大于文献［2］电缆的感应电压。因此，东兴乙线金属屏蔽层环流不容忽视，环流的因素，造成电缆绝缘性能降低。经过两年的运行，再加上本身缺陷，最终出现事故。遗憾的是，由于开关柜“五防”设计原因，无法进行实测环流数值。

3 改进措施分析

东兴乙线故障修复后，现在仍采用金属屏蔽层两端接地，金属屏蔽层仍然有环流，对电缆绝缘来说，隐患仍然存在。为了降低电缆金属屏蔽层感应电压，进而降低环流对电缆绝缘的损害。应采取以下措施：

1）电缆采用品字形排列；

2）采用金属屏蔽层一端接地；3）采用金属屏蔽层中点接地。

从理论上讲，采用金属屏蔽层交叉互联接地也很好，但如果采用一端接地或中点接地可以符合设计规范的要求时，一般就可以不用考虑复杂的交叉互联接地，毕竟，经济性也是一个重要的因素。

3.1 电缆采用品字形排列

前面计算可知，水平排列正常运行时工频感应电压最大值出现在边相，为140.58 V；三相品字形排列正常运行时工频感应电压三相均为96.2 V。采用品字形排列有利于降低正常运行时工频感应电压和环流。

3.2 金属屏蔽层一端接地

金属屏蔽层采用一端接地时（图4），如也采用三相品字形排列，正常运行时另一端工频感应电压三相均为96.2 V，满足设计规范中采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时小于300 V的要求。一端接地没有构成回路，可以消除环流，有利于提高电缆的传输容量不会造成电缆附加的热损耗，有利于绝缘。

如果未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，96.2 V大于50 V，不符合要求，则不能采用一端接地方式。

为防止短路时另一端出现的工频过电压，以及防止另一端的冲击过电压。当电缆外护层不能承受这种过电压的作用而损坏时，就会造成金属护层的多点接地，因此另一端必须通过保护器接地。

当考虑减小接地短路的工频感应电压值或减小对通信干扰等问题时，需同步敷设事故回流线。

3.3 金属屏蔽层中点接地

三相品字形排列，一端接地，正常运行时另一端工频感应电压三相均为96.2 V，如果未采取安全措施，96.2 V大于50 V，不满足要求，可采用中点接地（图5），Nj为直通接头。

图4 电缆金属屏蔽层一端接地

图5 电缆金属屏蔽层中点接地

这种接地方式相当于两个一端接地方式串联。接地点两端金属屏蔽层正常运行时工频感应电压最大为96.2 V的一半，即48.1 V，满足50 V的要求。

4 对设计规范的建议

GB 50217－2007《电力工程电缆设计规范》对GB20217-1994《电力工程电缆设计规范》做出了很多有针对性的修订，该规范适用于新建、扩建的电力工程中500 kV及以下电力电缆和控制电缆的选择与敷设设计。电缆金属屏蔽层接地方式中300 V与50 V的规定，用于配电电缆与输电电缆时按规程规定标准是一样的。但实际中发现，用此标准套用配电网络10 kV单芯电缆两端接地时，经常出现感应电压较高、环流太大导致出现电缆故障。电力企业配电电缆与输电电缆也是分开设计的。配电电缆设计时，按规程设计10 kV单芯电缆两端接地是感应电压是满足要求的，但实际工作中又老是担心环流会不会对电缆绝缘不利。

对《电力工程电缆设计规范》建议：对配电电缆与输电电缆金属屏蔽层接地方式与工频感应电压做出不同的规定；对环流数值做出规定。

5 小结

10 kV单芯电缆两端接地感应电压与环流导致电缆故障问题，是配电电缆工作者多年困惑的问题。本文通过对东兴乙线故障的感应电压计算和分析，目的在于揭示导致这起事故的直接原因是金属屏蔽层接地方式选择不当，不应选用两端接地，而应根据需要选择一端接地或中点接地。而根本原因是设计规范中没有具体对这些问题做出明确的指引和规定。

［1］江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路［M］.北京：中国电力出版社，1997.

［2］10 kV单相电力电缆屏蔽层的感应电压和环流［J］.高电压技术，2002.

［3］胡其秀.电力电缆线路手册（设计、施工安装、运行维护）.北京：中国水利水电出版社，2005.

［4］史传卿.电力电缆安装技术问答［M］.中国电力出版社，2002.

何伟（1970-），讲师，工学学士，从事电力电缆运行研究工作。

Analysis of 10 kV Single Cable Shield Fault Caused Both Ends Grounding

10 kV single cable fault of both ends of grounding induced voltage and circulating current，which confused the distribution cable workers for years.This paper analyzes the fault of 10 kV cable of Yangchun is improper choice of metal shield grounding manner;as a result，the main reason is not specifically make these issues clear guidelines and regulations. Key words:single cable；circulating current；induced voltage；both ends of the grounding

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1007－9904（2010）04－27－04

2010－06－10