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高壓電纜終端頭與屏蔽放電現象的案例分析和處理措施
2021-05-07
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高壓電纜運行時常會出現故障影響電纜正常運行,作者列舉攀西熱軋項目的兩個案例概述了35KV電纜及終端頭出現放電現象的原因分析、處理和整改方法。


攀鋼西昌釩鈦資源綜合利用項目熱軋工程新建1套2050mm常規熱軋帶鋼軋機,以高強度、高性能、高附加值的品種為主導產品,如汽車用板、高牌號管線鋼、部分薄規格船體用結構鋼等。生產規模為年產熱軋鋼卷373.3萬t,成品鋼卷371.3萬t。

在攀西熱軋35KV變電所受電的一系列工作中出現了的兩次有驚無險的放電現象,通過對這兩個事件的處理,從中學習到很多東西,積累了不少經驗,下文對這兩個案例作下概述,并簡要分析問題原因,及事后處理措施。

工程概況

熱軋車間設35KV變電所,三臺110/35kV 75MVA主變壓器,采用線路變壓器組的結線方式,三回路110kV電源分別引自上級220kV總降變電所,三回35kV電源分別引自本變電所110/35kV主變壓器。

本35kV變電所包括:35kV高壓柜37面,110/35kV主變3臺,35/10kV變壓器7臺,35/3.3kV整流變9臺,35/0.38kV接地變2臺,35kV接地變1臺。

工程案例分析及處理

熱軋35KV變電所回路較多,且電壓等級高,在完成施工電纜投入運行后,出現了兩次電纜放電現象,下面以這兩個案例來分析一下電纜放電原因和處理方法。

1 案例一 35KV電纜終端頭局部放電

2011年7月在完成攀西熱軋35KV變電所的調試工作后,1#110KV主變受電成功并且主變二次35KV送至變電所1#受電柜斷路器下端頭(1#受電柜冷備用狀態)。

受電結束運行5分鐘之后1#受電柜電纜室發現有輕微放電聲,似乎三相都有此現象,通過仔細觀察、辨別后發現放電位置在電纜終端頭外層絕緣與柜底板的電纜孔洞的間隙或接觸的地方。雖然放電點微不可辨,但三相皆有,影響電纜安全運行,當即決定停電分析原因并著手進行維修。

1)放電現象分析

停電后拆開電纜檢查發現電纜頭外絕緣放電處泛白有明顯痕跡,很顯然絕緣已受到破壞,如繼續運行下去很可能造成擊穿事故。

仔細檢查了開關柜與電纜后發現:開關柜電纜室結構比較緊湊空間略小,三相間用絕緣板隔離以增加了絕緣強度,但是銅母線與柜底板的距離是60CM,但是進線電纜截面(1*500)mm2使用的熱縮終端頭長度達到80CM,因此終端頭末端有一部分穿過底板電纜孔,由于電纜截面較大導致終端頭與底板間隙不夠甚至直接接觸。

這個案例中電纜終端頭放電點為電纜屏蔽層被切斷位置到電纜鼻子的部分。當電纜為單芯時,每一相線芯外均有一接地的屏蔽層, 電纜的電場只有從導線沿半徑向屏蔽層的電力線,沒有芯線軸向的電場,電場分布是均勻的(見圖1)。

圖1

在做電纜頭時, 剝去了屏蔽層,改變了電纜原有的電場分布, 將產生對絕緣極為不利的切向電場, 使在剝去屏蔽層芯線的電力線向屏蔽層斷口處集中, 絕緣外層產生高電位(見圖2)。

電纜終端頭制作時, 安裝雨裙,安裝應力管雖然能使屏蔽層切斷處附近絕緣表面的阻抗降低, 以分散斷口處的電場應力該處的電位有所下降, 從而緩解電場集中, 改善終端頭外絕緣電位的分布。

但當終端頭外絕緣與開關柜底護板間隙不夠或接觸時,由于系統電壓就高達35KV,外絕緣的電位產生的泄漏電流將很大, 泄漏電流進一步破壞絕緣, 使絕緣表面逐漸減薄, 形成電蝕, 產生局部放電, 如不及時處理,*終將導致絕緣擊穿電纜燒毀的嚴重事故(見圖3)。

圖2


圖3

2)電纜終端頭處理

從上面的分析可以發現出現放電現象的主要原因是電纜頭的連接與安裝有問題,要合理有效地整改。首先需要更換絕緣已被破壞的終端頭并且進行耐壓試驗,由于電纜終端頭的長度不能更改,只得拆除柜底板,在屏蔽線引出位置的下端對電纜進行防火封堵將終端頭與電纜隧道隔離,同時排除了終端頭外絕緣與其它柜體部位接觸的可能性。

2 案例二 電纜感應放電

上文的問題處理好,試驗合格,做好防火封堵之后1#110KV主變再次受電,電源送至1#受電柜下端后,經仔細查看、監聽電纜室的狀況良好,之前的放電現象消失。

準備結束受電工作時現場出現了異常情況:變壓器二次側35KV電纜引出到橋架位置后有明顯的“嗡嗡”放電聲,在電纜進入電纜隧道后由于電纜排列緊密,隧道空間小聲音更是響亮似是電流泄漏,經現場檢查發現是電纜的“B”相帶感應電。隨即馬上停電分析原因,及時找到解決辦法。

1)感應放電分析

根據現場的情況分析:受電之前剛做過電纜交流耐壓,試驗合格且情況良好,首先排除了電纜內部故障的原因;該案例一電纜受電后,問題只出現在終端頭位置,在電纜橋架和隧道內正常,所以也排除了電纜敷設方式的原因。

與案例一相比較除了改正了終端頭的與電纜隧道的隔板位置消除放電的隱患外,另一個區別便是重新制作了電纜終端頭以及引出的屏蔽線,因為之前耐壓合格所以問題的中心便集中在了屏蔽線這里。

高壓電力電纜的同屏蔽和鋼鎧一般都需要接地,在35KV及以下電壓等級時一般都采用兩端接地,因為這些電纜大多數是三芯電纜,在正常運行中,流過三個線芯的電流總和為零,在鋁包或金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈。

這樣,在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應電壓,所以兩端接地后不會有感應電流流過鋁包或金屬屏蔽層,兩端接地不會環流產生。35KV電纜大多使用單芯電纜,由于交流電的緣故,當單芯電纜線芯通過電流時,就會有磁力線交聯金屬屏蔽層,使它的兩端出現感應電壓,感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流成正比。

電纜很長時,護套上的感應電壓疊加起來可達到危及人身、設備安全的程度,單芯電纜如果兩端的屏蔽同時接地,在屏蔽層與大地之間形成回路,會產生感應電流,這樣電纜屏蔽層會發熱,損耗大量的電能 ,影響線路的正常運行,為了避免這種現象的發生,應正確選擇接地方式,單芯電纜線路的金屬護套只有一點接地時,金屬護套任一點的感應電壓不應超過50~100 V。

以這根 “B”相為例計算一下正常情況下的金屬屏蔽的感應電壓:交流系統中單芯電纜線路一回或兩回的各相按通常配置排列情況下,在電纜金屬層上任一點非直接接地處的正常感應電勢值,可按下式計算:

E=L×Es

式中:E為感應電勢,單位V;L 為電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離,單位km;Es為單位長度的正常感應電勢,單位V/km。

Es=IXs

Xs=【2×2πf×ln(S/r)】×10-4

S為電纜外徑,單位mm;r為導體半徑,單位mm;I 為電纜導體額定工作電流,單位A;f 為工作頻率,單位Hz;

電纜額定電流為680A,電纜外徑為95mm,導體半徑為13mm;計算可得Es=84.9V/km;電纜長度為90m,計算得到E=84.9×0.09=7.6<50V;

通過上面計算可知,因為電纜長度短90m,而且感應電壓小于50V,完全滿足電纜屏蔽或護層一端接地的要求。所以實際連接時,高壓柜側屏蔽直接接地,變壓器這一側屏蔽捆扎后懸空,不可能是電纜兩端屏蔽都接地引起的環流問題。

而且受電后沒有出現短路或接地故障,那么出現這種放電現象基本上可以確定是屏蔽未接地,電纜線芯屏蔽和金屬護套的電容電流未流入大地,單芯電纜的屏蔽層的感應電壓將疊加到很高,它與橋架間的電位差而導致放電。

從以上也可看出高壓電纜金屬屏蔽的接地的作用:

(1)電纜線芯屏蔽和金屬護套的電容電流有一回路流入大地;

(2)當電纜對金屬護套或屏蔽發生短路時,短路電流可流入地下;

(3) 電纜線芯絕緣損傷后發生相間短路發展至接地故障時,故障電流通過接地線流入地中;

(4)電纜中的不平衡電流引起的感應電壓、通過地線與大地形成短路,防止電纜對接地支架存在電位差而放電閃絡。

2)電纜屏蔽處理

檢查線路屏蔽的情況確實如上文分析的一樣,確是“B”相兩根單芯電纜中有一根電纜的屏蔽線引出后用對接銅管作了加長處理以便連接地排,可能由于壓接不牢固導致在防火封堵人員施工過程中拉動整理屏蔽線,導致在屏蔽在對接處斷開而引發放電現象。

找到問題根源便好解決了,當然是再次檢查緊固其余電纜的屏蔽,在柜內屏蔽接地后,在電纜另一端也就是變壓器一側每根電纜單獨確認屏蔽接地情況,排除屏蔽斷線的隱患。并再次檢查電纜絕緣以及進行電纜耐壓試驗確認電纜合格可投入運行。

案例總結

這兩個案例出現的放電現象發現較早,及時停電進行了處理,并沒有對電氣設備及施工生產造成很大影響,但是也暴露出我們對電纜終端頭電場分布不甚了解,終端頭固定、封堵錯誤后沒有發現并糾正;在試驗合格,受電之前,沒有分別檢查單芯電纜屏蔽的接地狀況。

這些問題在一定程度上反應出在35KV系統電纜施工經驗的不足。需要加強理論學習,規范工作過程,做到安裝和調試工作細致到位,高效、合理安全。


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