35kV单芯交联聚乙烯电缆不接地系统单相接地故障仿真分析

高 峰 沈献强 胡顺波

（长江电力股份有限公司葛洲坝电厂运行部，湖北 宜昌 443002）

35kV电压等级的电力电缆线路在配电网中的应用随着城市发展和社会经济的不断增长，变得越来越普及，尤其是交联聚乙烯等新型材料的应用，使得电力电缆在电力工业发展中起到重要作用[1]。同时在应用过程中出现的工程问题，也引起了相关业内人士的关注。在大型水电站中，35kV电压等级的电力电缆应用也逐步增多，由于电缆线路不仅避免了架设架空线受到线路走廊的限制，而且可利用电站内部电缆走廊作为敷设路径，节省了投资。以葛洲坝水电站为例，35kV电压等级的电力电缆运行的就有3条，而且线路距离都超过了1000m。其中一条是架空线与电缆混合线，其他是纯电缆线路，均采用单芯交联聚乙烯电缆。在运行近十年的时间里，有故障记录的共计十余次。其中以单相接地故障最为多见。

1 故障简介

葛洲坝电站厂用变 27B接线型式为 Dd12d12，35kV高压侧采用电缆敷设至对侧变电站，距离约1300m，单回三根。电缆总用量为1300×3=3900m。每相采用三段（每段420m）电缆，利用中间绝缘接头方式连接。并在中间绝缘接头处装设两组屏蔽层交叉互联保护系统。电缆两终端采用屏蔽层经接地箱直接接地保护系统[2]。电缆型号（YJV22—1×500 mm2）35kV交联聚乙烯单芯电缆。该电缆2003年5月正式投入运行。

在投运两年后发生了电缆单相接地故障，当时厂用变带负荷3000kW运行，事故时返回屏发“27B事故”光字，保护盘上“35kV接地”信号继电器掉牌，测量显示27B 35kV侧A、B相电压为35kV，C相电压0。在断开对侧开关后，故障仍然存在；断开厂用变高压侧开关后，故障消失。随即检查联络电缆，发现电缆主廊道520m处，电缆C相击穿经电缆桥架接地。检查发现在该电缆故障点处。电缆桥架连接螺栓与电缆钢铠烧连在一起。电缆外护套200mm烧焦。电缆钢铠、铜屏蔽击穿，电缆内护套、主绝缘80mm烧焦碳化。电缆线芯烧断4根，形成φ20mm的坑。如图1所示。

图1 35kV侧C相520m处电缆烧损

2 故障分析

此条 35kV纯电缆线路保护配置主保护有：限流速断、光纤差动；后备保护有：复合过流，以及过负荷、绝缘监视等。由于 35kV系统采用中性点不接地系统，所以事故时只有绝缘监视动作发信报警。在报警信号发出后1h内，将故障隔离避免了事故进一步扩大。

为找出故障原因，防范今后类似故障的发生，利用ATP-EMTP电力系统暂态仿真软件建模分析。搭建仿真模型如图2所示。

图2 35kV电缆单相接地故障仿真电路

表1 35kV护层保护器的伏安特性

根据故障现场初步分析：①在电缆敷设时，电缆桥架转弯半径偏小。电缆在该处与电缆桥架连接螺栓受力接触，可能使得电缆主绝缘受到局部损伤。②电缆在生产制造过程中，电缆主绝缘存在着局部缺陷隐患。以上两种原因所产生的电缆主绝缘局部缺陷隐患，又通过了投运前的直流耐压试验。该电缆在近两年运行中，缺陷部位在高电位的作用下，局部放电发热逐渐碳化，以致电缆在该处击穿后，经电缆桥架连接螺栓发生接地故障。仿真时，先让C相护套与导芯短路，再短路接地，这样做更符合实际情况。护套与导芯短路用时控开关K1（0.001s接通）模拟，电缆线芯接地用时控开关K2（0.005s接通）模拟。

2.1 护套与导芯短路而未接地

若K1接通，K2打开，则短路点的电压、电流波形如图3所示。

根据仿真结果，护层 J02故障点处在与导芯短路前三相电压值不超过6V，短路后的C相电压超过15kV，A相电压达10kV，B相电压达5 kV，可知C、A相的护层保护器完全导通，B相保护器部分导通，此时单芯电缆等值电路如图4所示。

图3 护套与导芯短路

图4 电缆等值电路示意图

此时，电压和电流呈现高频振荡。J02处故障前三相电流为零，故障后 A、B相电流几乎为零，C相电流最大约为 780A。D02处故障前三相电流为零，故障后 A、B相电流几乎为零，C相电流维持在1120A左右。如此大的故障电流流经故障点同时避雷器部分导通，会产生间歇性的接地电弧，使得电缆主绝缘碳化烧毁，从而导致故障进一步恶化。

2.2 护套与导芯短路并且接地

若 K1、K2接通，则短路点的电压、电流波形如图5所示。

根据仿真结果，护层 J02故障点护套与导芯短路并且接地后的C相电压最大只有540V，A相电压最大约为4.3kV，B相电压最大约为3.9kV，可知三相护层保护器均未导通，这是由于C相导芯直接接地的原因。此时单芯电缆等值电路如图6所示。

此时，电压和电流也呈现高频振荡。J02处的故障电流A、B相电流几乎为零，C相电流从几安逐渐上升成几百安，并且有放大的趋势。D02处故障前三相电流为零，故障后A、B相电流几乎为零，C相电流从几安逐渐上升成几百安，并且有放大的趋势。如果此时不及时将故障隔离，接地电流所产生的热量将会灼烧其它相，从而扩大为相间故障，这时线路主保护将动作切除故障，但是此时对电缆造成的损伤难以估计，同时延长了事故抢修时间，造成经济上重大损失。

图5 护套与导芯短路并且接地

图6 电缆等值电路示意图

3 结论

目前电力电缆在线监测技术还处在逐步推广时期，现阶段要对中低还没有电网中不接地系统电缆线路发生单相接地时有更好的防范措施。南京地铁35kV配电系统采用中性点小电阻接地，当电缆单相接地时，保护第一时间切除故障，但是其动作可靠性及保护参数设置的正确性有待进一步研究[6]。三峡电站施工电网 35kV配电系统为不接地系统，在母线上安装XHG消弧装置，但在实际应用中电缆线路单相接地故障还是时有发生[4]。综合现有35kV电网电缆线路运行情况，给出如下建议：

1）从仿真分析可得出当电缆导芯与护套短路时，将产生较高的电压，护层保护器很可能导通，建议当发生电缆单相接地故障后，对电缆护层保护器进行试验，以保证其性能完好。

2）在35kV电网中采用中性点经接地小电阻接地方式已经成为主流，建议在35kV加装Z型接地变压器，对该系统提供一个人工的中性点的三相变压器，还可附带地对局部的辅助电网供电。

3）35kV 母线侧保护增设零序电压保护[5]，当单相接地时及时发信，为运行人员进行事故处理提供依据，可防止长时间接地时产生的过电压使设备绝缘击穿，导致故障进一步扩大，保护设备安全。

[1]江日洪. 交联聚乙烯电缆线路[M].北京:中国电力出版社,1997.

[2]GB50217—941电力工程电缆设计规范[S].北京:中国计划出版社,1995.

[3]Alternative Transients Program (ATP)-Rule Book[M],Canadian/American EMTP User Group, 1987-1998.

[4]杨照荣，乐小建. 35kV电缆接地故障处理及分析[J].电工技术, 2007(10): 58-59.

[5]徐涛,顾黎强,李媛. 35kV 接地电阻失去后系统接地故障分析和保护配置建议[J].上海电力,2010(3):321-324.

[6]宋大治,彺理. 35 kV环网电缆单相短路故障分析[J]都市快轨交通, 2009, 22(6):90-92.