一起10 kV 电力电缆群集中烧损典型故障分析

万代，齐飞，周恒逸，赵邈，段绪金，黄耀旗

(1. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2. 国网湖南省电力有限公司张家界供电分公司，湖南张家界427000)

0 引言

随着我国经济与社会的发展, 以及城镇化、工业化、信息化进程的推进, 电力网络在广度和深度上都在快速延伸[1-4]。电力电缆的安全可靠运行与人民的生产生活息息相关, 10 kV 配电电缆敷设数量的不断增加、湖南地区高温潮湿的恶劣气候、电缆通道基础台账不准确等问题, 对电缆运维提出了更高的要求和更大的挑战[5-8]。

近年来, 电力电缆的火灾事故频发, 2018 年1月至8 月, 全国共发生火灾1.42 万起, 造成直接经济损失1.25 亿元, 电气火灾占比最大, 达到34.17%。此外, 2005―2014 年, 美国电气火灾占火灾发生总数的26%[9]。电缆的广泛使用, 也引发了一系列电缆过热而导致的事故。近几年的事故案例表明: 由电缆中间接头、电缆终端等薄弱点受恶劣环境长期侵袭或施工工艺不良等主要因素导致的局部放电, 对电缆线路薄弱设备绝缘结构造成损失, 在操作过电压等异常工况下引发的电缆局部过热或外部热源, 是电缆故障乃至火灾发生的重要致因[10-12]。

电缆外层包含有外护套、阻水层和绝缘层等多层聚合物结构, 使得电缆的传热、形变与燃烧过程变得复杂。因此, 对于带电电缆, 可抽象为一种外层聚合物包裹生热金属的物理结构。各种原因引发的局部过热或外部热源, 是电缆故障乃至火灾发生的重要致因。例如存在绝缘损伤、局部放电缺陷的电缆遭遇操作过电压等异常工况时, 极易发生相间击穿短路, 从而在击穿点急剧发热燃烧。此外, 多回共沟电缆中, 一旦某一回线路发生故障燃烧, 极易引起共通道的其他电缆发生火灾事故, 这两点是目前电缆火灾故障的主要原因[13-15]。

目前, 国家电网有限公司10 kV 电力电缆事故时有发生, 带来了极大的经济损失和恶劣的社会影响。根据分析, 引发此类故障的共同点大部分集中于电缆中间接头, 本文选取一起典型的10 kV 电力电缆火烧连营事故进行深入剖析和探讨, 分析设备与运维两方面存在的重点问题, 并提出相应的解决方案, 为降低电缆故障率提供有效预控措施。

1 运行方式与故障简述

1.1 故障简述

2019 年 10 月 12 日上午 10 时 4 分左右,110 kV SDH 变电站10 kV Ⅱ (Ⅲ) 母接地, 随后变电站值守人员报告SDH 变电站围墙西侧电缆井冒烟, 并伴有放电异响。10 时 10 分至 10 时 36分, 10 kV SYⅡ回等14 回线路依次跳闸, 至10 时37 分, 调度将同变电站的9 条线路紧急停运。本次事故造成21 回共沟电缆烧损 (2 条未共沟电缆无恙)。

1.2 故障前运行方式

110 kV SDH 变电站为双主变运行, 由110 kV LSM 线供带, 变电站 10 kV 侧共设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段在运母线, 其中Ⅰ母由Ⅰ号主变供电, 共挂接12条10 kV线路；Ⅱ段、Ⅲ段母线串联由Ⅱ号主变供电, 共挂接11 条10 kV 线路。事发时变电站Ⅰ、Ⅱ (Ⅲ) 母线上配备有消弧线圈 (两段母线为独立分段运行), 参数见表1。2 台消弧线圈容量分别为1 000 kVA (理论最大补偿电流为165 A), Ⅰ母电容电流92.5 A, Ⅱ (Ⅲ) 母82.1 A, 均为自动调节方式。

表1 消弧线圈基本参数

2 故障设备参数与保护动作情况分析

此次起火点为110 kV SDH 变电站出线电缆沟内, 沟内共有电缆21 回, 其中10 kV SYⅡ回、SYⅠ回、JYⅠ回在事故沟内各有1 个中间接头。

110 kV SDH 变电站共有14 回10 kV 线路因故障引起保护动作, 该14 回线路均配置电流三段式保护, 其中有8 回线路配置重合闸功能。

现场检查10 kV 线路保护采用AC 相电流接线方式, B 相电流未接入保护装置, 故保护报文不会显示B 相故障电流。SDH 变电站保护装置对时混乱, 存在与保护装置不匹配的情况, 后台SOE 动作时序仅能反映保护动作的先后顺序。故调取220 kV LDH 变电站110 kV LSM 线故障录波分析具体故障相别和时间, 并结合10 kV 保护和SOE 信号确定实际保护动作情况。

从保护动作情况来看, 最初为10 kV SYⅡ回跳闸, 先后发生AC 相间短路、过流Ⅰ段动作跳闸、一次重合闸。调取LDH 变电站110 kV 线路故障录波, 10 月 12 日 110 kV LSM 线 508 于 10 时 12 分 22 秒发现首次故障电流, 故障时刻为10 时12 分22 秒。

通过录波分析, 故障起始时刻高压侧AB 相同相, 与C 相反相, 折算到低压侧为 AC 相相间短路, 经过约2 s 后重合闸, 于是故障发生三相短路, 后加速跳开切除故障。结合保护信息和110 kV录波, 故实际动作情况为: 10 kV SYⅡ回338 于10点12 分 22 秒, 发生 AC 相相间短路, 短路电流96.65 A (二次值, TA 变比600/5), 过流Ⅰ段动作 (过流Ⅰ段定值设置为45 A, 0 s), 2 s 后重合闸动作, 由于AC 相相间短路故障持续存在, 重合后过流Ⅰ段再次动作, 10 kV SYⅡ跳闸。

同理调取 10 月 12 日 110 kV LSM 线 508 最后一次故障的电流波形, 故障时刻为10 时36 分19秒。通过录波分析, 故障起始时刻高压侧AB 相同相, 与C 相反相, 折算到低压侧为 AC 相相间短路, 经过约2 s 后重合, 于是故障发生三相短路,后加速跳开切除故障。结合SOE 动作信息, 判定此次故障线路为10 kV YX 线306。

检查消弧线圈动作情况, 2 号消弧线圈 (SDH变电站10 kVⅡ母) 10 月12 日上午共发出6 次接地告警信息, 第一次发出接地告警时间为10 点3分47 秒, 最后一次发出接地告警时间为10 点25分 53 秒。其中发生 1、2、3、4、5 次接地时, 2号消弧线圈工作处于欠补偿状态, 见表2。

表2 SDH 变电站2 号消弧线圈接地信息(10 kV Ⅱ (Ⅲ) 母)

10 月 12 日上午, SDH 变电站 1 号消弧线圈(10 kV Ⅰ母) 故障期间共发9 次告警信息, 第一次发出接地告警时间为10 点16 分39 秒, 最后一次发出接地告警时间为10 点30 分28 秒。其中1、2、3、4、9 次接地时, 1 号消弧线圈工作处于欠补偿状态；5、6、7、8 次接地时, 1 号消弧线圈工作处于过补偿状态, 详见表3。

表3 1 号消弧线圈接地信息 (SDH 变电站10 kVⅠ母)

可见, 在故障期间, 两段母线均出现反复接地。该站单母线消弧线圈容量1 000 kVA, 接地过程中控制器显示最大电容电流为188 A, 两个消弧线圈均出现欠补偿状态, 反映出控制器在接地过程中调档出现问题, 未及时补偿到位。

3 故障电缆解体分析

2019 年10 月 12 日, 调查人员赴现场, 发现事故电缆沟内电缆存在堆压现象, 电缆间无防火隔离措施。进一步核实, 共有电缆21 回, 所有电缆存在过火和不同程度受损, 其中10 kV SYⅡ回、SYⅠ回、JYⅠ回在事故沟井内各有1 个中间接头,接头未加装防爆盒。电缆通道内存在季节性积水浸泡问题。

对10 kV SYⅡ回338 故障中间接头进行解体,发现接头端部均未缠密封胶进行防潮, 铜芯上有大量铜绿。剖开内层热缩绝缘, 发现内部有大量水珠溢出, 沟内接头明显受潮。

SYⅡ回接头外半导电层明显受潮, 电缆主绝缘层泛黄, 最内层热缩管内壁放电变色, 且有异物。该接头在制作时仅热缩了2 层绝缘管 (制作工艺要求不少于3 层热缩管)。在半导电层上有环形勒痕, 核查发现铜屏蔽编织网连接时, 未应用恒力弹簧固定, 而采取钢丝绑扎, 导致半导电和主绝缘损伤。沿半导电层勒伤处、热缩套内壁至铜压接管, 有放电痕迹。勒痕右侧半导电放电碳化、铜芯裸露, 为本次故障击穿点。

根据以上解体结果, SYⅡ回中间接头因制作过程中密封不良、制作时未按热缩工艺要求加装3层以上绝缘管, 且半导电和主绝缘层存在明显伤痕等工艺问题, 最终导致中间接头在端部密封处发生故障击穿。

4 故障过程解析

根据现场检查及保护动作情况, 可知故障过程如图1 所示。

图1 故障时序图

1) 110 kV SDH 变电站10 kV SYⅡ线电缆中间接头A、C 相对地击穿。主要是因为电缆中间接头密封不良、热缩绝缘层数不够、制作工艺不合格等问题, 导致绝缘性能下降, 在运行中发生击穿, 引起接地。

2) 110 kV SDH 变母线接地, 过流Ⅰ段保护跳闸。

3) 2s 后10 kV SYⅡ线重合闸。

4) 10 kV SYⅡ线电缆中间接头燃弧、起火。主要原因是电缆主绝缘交联聚乙烯为固体绝缘材料, 其击穿后绝缘性能无法自行恢复。而重合闸再次通过大电流时, 变电站消弧线圈配置错误未起到消弧作用, 导致中间接头重燃。

5) 共沟 21 回电缆相继燃烧、损毁。因为电缆中间接头绝缘复合材料为易燃物质, 所以10 kV SYⅡ线电缆中间接头火势不断发展, 逐渐影响到共通道的相邻电缆。由于此电缆通道内无有效的防火措施, 造成火势进一步延伸扩大, 同通道内21回电缆全部烧损。

5 结语

从本次典型故障可以发现, 目前大量10 kV 电力电缆中间接头存在密封不良、绝缘层不够、半导电和主绝缘层损伤等制作工艺不合格问题, 加之运行环境恶劣、长期受潮, 导致绝缘劣化, 在运行中发生故障接地, 并引发间歇性起弧, 是引起电缆线路故障击穿的普遍原因。此外, 大量共沟电缆通道内部各电缆随意堆压, 未实现物理隔离, 无有效防火阻燃、接头防爆措施, 极易导致击穿故障扩大,引发电力电缆集中烧损事故。

针对这类严重问题, 提出如下技术措施:

1) 充分结合电力电缆线路局部放电定位和分布式阻抗谱定位技术, 发现电缆存在的缺陷和劣化位置。

2) 采用热熔结工艺对缺陷电缆中间接头进行消缺, 确保电缆导体、主绝缘、半导电层接续良好。

3) 充分灵活运用FACTS 接地故障定位及防治技术, 弥补消弧线圈补偿不到位的问题。

4) 对于纯电缆线路、变电站为电缆出线且出线段200 m 内有中间接头的混合线路、10 回及以上配电电缆共通道、输配电电缆共通道、特级(一级) 用户电缆和公用电缆共通道五种情况, 全面退出重合闸功能, 避免对电缆缺陷产生二次冲击。