变电站联络电缆接地电流缺陷分析

李 雯，庄朋成，陈云飞，赵晨昊，常雨晴

（1.国网天津市电力公司电缆分公司，天津 300171；2.国网天津市电力公司城东供电分公司，天津 300250）

0 引言

作为城市供电动脉，电力电缆线路以其占用空间小、线路稳定、美化市容等优势逐渐取代了架空线路，成为城市供电系统的关键设备［1-2］。电缆线路的运行情况直接决定了城市供电的安全稳定性。电力电缆在运行过程会因为绝缘损害等问题使线路处于异常运行状态，一方面导致线路输送能力大幅下降，甚至造成人员伤亡事故。另一方面，由于电缆隐秘敷设的特点，其故障后的修复处理难度较大［3］。

电力电缆线路的状态直接影响城市供电的可靠性和人民生产生活的安全性，故检测其可能存在的缺陷及故障隐患，可在一定程度上避免电缆发生事故，在提高电能利用率的同时延长线路使用寿命。带电检测是发现运行电缆隐患和缺陷的重要检测手段，对于电缆的正常运行具有重要意义。作为电缆带电检测的重要项目之一，接地电流检测技术可对电缆线路的异常情况进行检测分析［4］。文献［5］采用带电检测方式发现了终端塔处的接地电流异常情况，通过及时处理缺陷有效地保障了电网可靠运行。文献［6］提出了评判交叉互联箱内典型故障的诊断参数。文献［7-8］则是通过接地电流检测发现了接地箱交叉互联系统接地方式连接错误的现象。上述文献均为接地电流检测在终端塔交叉互联系统中发现的异常和缺陷，本文以一起发现于变电站联络电缆接地电流异常为例，验证接地电流的有效性。

以单芯电缆为例，首先详细阐述电力电缆线路的基本结构以及接地电流问题，同时以运行中的变电站联络电缆接地电流异常现象的案例进行分析，分析接地电流检测技术的检测过程及结果的判定，为电力电缆运行中的类似问题处理提供参考。

1 电缆接地系统概述

电力电缆主要由导体、绝缘层、护层等部分组成［9］。单芯电缆导体和金属护套之间可以看作变压器的一次绕组与二次绕组。当单芯电缆导体线芯中通过交变电流时，会产生变化的磁场与金属护套交链，产生感应电动势［10］。电缆护层接地线上的电流主要由感应电流、电容电流、泄漏电流3 部分组成。金属护层上的感应电动势作用在接地线的阻抗、接地点间的导通阻抗、护层的阻抗上形成感应电流，其大小与感应电动势大小成正比，与导通回路的总阻抗大小成反比，当单芯电缆护层接地方式为一端单点接地时，感应电流等于零［11］。工作电压作用在导体与金属护层间的绝缘层上构成电容结构，形成电容电流，其大小与单芯电缆的工作电压、截面积、长度等因素有关。工作电压作用在电缆主绝缘层的绝缘电阻上形成泄漏电流，绝缘电阻正常时，电缆运行泄漏电流数值极小，可以忽略不计。

为了限制电缆金属护层上的感应电势，高压电缆通常采用护套或屏蔽层单端接地、交叉互联等接地方式［12］。在电缆长度较长时，护套上的感应电压可危害人身安全，此时若采用两端接地的方式，金属护套上会产生与负荷电流相当的接地电流，导致电缆发热，影响电缆的载流量。该情况下若采用单端接地的接地方式，在运行中产生的感应电压会对保护器产生冲击，影响电缆运行的安全性。在实际运行中，通常在1 km 以上的电力电缆线路上采用交叉互联的接地方式进行接地。该方法先把电缆线路分成若干大段，再将每一大段分成3 段长度相等的小段，在小段之间安装绝缘中间接头，在绝缘中间接头处三相电缆护套之间用同轴电缆经交叉互联箱进行换位连接，并通过保护器与接地极连接，每大段的两端护套接地线经过直接接地箱互联接地。该接地方式不仅使对称排列的三相电缆护套电位向量和为零，在不对称的水平排列三相电缆中，由于电缆每小段进行了换位，每大段全换位，三相电缆护套感应电压相差很小，相位差120°，其相量和很小，产生的环形电流也几乎为零。交叉互联示意如图1 所示。

图1 金属护套交叉互联系统示意

在长度较短、负荷电流不大的电缆线路上，为了消除金属护套上的电流，单芯电缆金属护套常采用一端直接接地、另一端经保护器接地的连接方式［13-14］。经保护器接地可限制电缆护层过电压，有效降低护层接地电流。该连接方式如图2所示。

图2 单芯电缆金属护套一端接地示意

2 电缆接地电流检测技术

对于单芯电缆，当导体通过交流电流时，其与金属护层交链的磁场产生的感应电动势会对电缆或人身造成伤害，若接地方式不当，感应电压会在金属护套上形成较大电流，导致电缆发热严重［15］，加速电缆的绝缘老化，对电缆的运行产生较大的威胁，缩短电缆的使用寿命［16-17］。因此，在电缆运行发展的过程中，人们对单芯电缆在运行时的接地电流问题越发重视。电缆接地电流已成为电缆带电检测的重要项目之一。

通过钳形电流表检测，可在不停电的情况下得到接地线中接地电流。依据Q/GDW 11223—2014《高压电缆状态检测技术规范》，分析电缆线路的负荷及接地电流情况，可判断电力电缆是否存在异常。电缆接地电流诊断依据如表1所示。

表1 电缆接地电流诊断依据

3 案例分析

3.1 异常情况简述

对某220 kV变电站站内110 kV联络电缆进行带电检测工作时发现的接地电流异常情况，说明对电缆接地电流检测的必要性。该变电站110 kV联络电缆接地方式为一端直接接地，一端经保护器接地。该段联络电缆长度为75 m，具体连接方式如图3—图5所示。

图3 联络电缆变压器侧接地方式（直接接地）

图4 联络电缆GIS侧接地方式（经保护器接地）

图5 联络电缆GIS终端图

3.2 带电检测过程和结果

采用钳形电流表对电缆接地电流进行测量，结果发现该线路主变压器侧三相接地电流全部偏高。4号主变压器B相电流绝对值达40.4 A，A、C两相电流值分别为32.6 A、36.4 A，3 号主变压器A、B、C 相电流值均超过了30 A，分别为34 A、33.7 A、36.5 A。4号、3 号主变压器的负荷电流分别为70.3 A、50.3 A，具体检测结果如表2所示。

表2 带电测量电缆接地电流参数结果

变压器侧接地电流检测数值已超过负荷电流的50%。后续检查发现GIS 侧终端有一接地编织带，该金属编织带一端连接金属尾管，另一端连接金属法兰盘。采用钳形电流表对该编织带进行检测，发现该处流经的接地电流与变压器侧接地电流相差无几，这与经保护器接地线处接地电流应很小的情况不符。在接地编织带处采用钳形电流表检测情况如图6所示。

图6 接地编织带钳形电流表检测结果

3.3 接地电流结果检测分析

如表2 检测结果所示，站内3 号主变压器和4 号主变压器的A、B、C三相接地电流与负荷电流比均超过50%。按照Q/GDW 11223—2014《高压电缆状态检测技术规范》中的诊断依据，判定负荷比超过50%的异常情况为缺陷，进行停电检查工作。

在停电后，采用绝缘电阻表对该段电缆进行外护套绝缘电阻测量，测量示数如图7所示为0.439 MΩ。该段电缆长度为0.075 km，依据Q/GDW 11316—2014《电力电缆线路试验规程》（以下简称规程），电缆外护套绝缘电阻值须不低于0.5 MΩ·km，经计算该电缆外护套绝缘电阻为0.439×0.075 MΩ·km，其值远小于电缆外护套绝缘电阻规程要求。

图7 绝缘电阻表检测结果

该接地编织带直接接地造成该段联络电缆两端接地，使得接地电流异常，该异常情况如图8 所示。首先将联络电缆终端多余的接地编织带拆除后，进行绝缘电阻测量，测量结果依然不满足规程要求。后续将尾管部分封堵打开后，发现电缆尾管金属部分与水泥封堵部分直接接触，现场情况如图9 所示，即110 kV 线路GIS 侧除接地箱和接地编织带外仍存在其他接地点，造成电缆两端均直接接地。大地与直接接地的电缆金属护层两端共同形成通路，感应电压的作用使得闭合回路中接地电流增大，对电缆的运行造成威胁。

图8 异常情况等效图

图9 联络电缆尾管部分封堵现场

将尾管接触封堵部分全部剥离后，再次采用绝缘电阻表进行测量，测量结果如图10 所示，绝缘电阻数值达33.16 GΩ，电缆绝缘电阻测量正常，满足负荷运行要求。

图10 绝缘电阻测量示意

后续将接地编织带拆除且将联络电缆尾管部分采用绝缘材料包裹后将电缆送电运行，处理如图11所示，经检测后接地电流减小，恢复正常。

图11 联络电缆尾管处理

异常接地点会造成电缆接地电流异常，较大的接地电流可能会使电缆造成绝缘击穿、起火，造成停电事故的发生。在此次检测过程中，接地电流检测及时发现变电站3号、4号主变压器110 kV 联络电缆接地电流异常情况，避免了电缆事故的发生，确保了电缆的安全可靠运行。

4 结语

针对某220 kV变电站站内联络电缆带电检测发现的异常情况进行了接地电流的检测分析，经实测验证该起缺陷的主要原因是电缆终端设计工艺不合理，而且在电缆终端安装过程中工艺不严谨。因此，在电缆终端安装过程中，一方面须注意电缆的安装工艺和施工注意事项；另一方面，在电缆终端安装时，须对尾管进行绝缘包裹防止与地直接接触发生接地形成接地电流较大的情况。

在电力电缆日常运行维护过程中，要及时进行带电检测，对可能存在的故障隐患进行全方位排查。在电缆施工过程中防止发生异常接地点现象，加强施工过程的监督和把控。在今后的工作中，要多种带电检测技术相结合，及时有效地发现电缆是否存在隐患缺陷。