一起500,kV电缆外护套放电故障分析及防治措施研究
管毓瑶，刘守豹，宋佳骏，胡思宇，王晓兰
(大唐水电科学技术研究院有限公司, 广西 南宁 530007)
交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于其电气性能、耐热性能和机械性能优良、传输容量大、结构轻便等优势被广泛应用于高压交直流电缆绝缘领域[1-3]。但是近年来因电缆故障导致的停电事件呈现出逐年增多的趋势[4-7]，其中，据相关机构调查统计，由于电缆终端或中间接头环境的安装方式不合理导致了电力电缆运行中的大部分异常或故障[8-14]。因此，针对高电压等级的电力电缆，需要根据电缆具体参数选择合理的安装方式。
下面，结合一起500 kV交联聚乙烯电缆外护套放电的故障分析进行防治措施研究。首先，利用ATP-EMTP仿真软件建立了全厂一次设备的仿真模型，分析了电缆铝护套合闸过电压现象以及电缆铝护套过电压的影响因素；
然后，分析了放电故障的原因；
最后，制定了处理方案并提出了预防措施。
某水电厂的500 kV电缆为XLPE电缆，导体截面积800 mm2，于2012年3月投入运行，用于连接主变压器高压侧至500 kV 的气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)，如图1所示。
图1 某水电厂一次接线及500 kV电缆位置
该水电厂的500 kV电缆采用平行敷设的敷设方式，电缆最大长度为795 m，电缆满载电流为770 A，电缆敷设间距为400 mm。电缆的主变压器侧铝护套通过电压限制器接地。电压限制器额定电压为15 kV，1 mA参考电压经试验约为22.5 kV。500 kV电缆GIS侧金属护套采用直接接地方式。自设备投运以来，在进行主变压器倒闸充电瞬间，存在夹具对电缆外护套放电现象，如图2所示。
为了对故障原因及治理措施进行研究，采用ATP-EMTP软件建立了该水电厂电磁暂态分析模型，对不同运行方式、电压限制器和变压器铁芯非线性及剩磁情况下的电缆合闸过电压进行了量化计算。
建立全厂一次设备模型如图3所示，其中电缆被分为5等分，依次设置6个观察点。观察点1位于电缆与GIS的终端头处，观察点6位于电缆与变压器高压侧相连的终端头处，以便对合闸过程中铝护套电压情况进行观察。GIS管道和500 kV电缆采用单芯管道模拟，主变压器高压侧入口电容为117.5 pF，如图4所示。远端线路采用标准三相电压源，线电压幅值为500 kV，冲击合闸时间设置为0.1 s。
图3 一次设备电磁暂态仿真模型
图4 基于ATP-EMTP的GIS和电缆模型
为了考察合闸过程中主变压器高压绕组铁芯非线性和剩磁所导致的励磁涌流对电缆铝护套过电压的影响，采用高压绕组磁滞回线，如图5所示。当对某台变压器进行冲击合闸时，对应合闸前各绕组剩磁，按照A相为1430 Wb、B相为-1430 Wb、C相为-1430 Wb来设置，其中1430 Wb为变压器绕组磁链稳态值。
图5 主变压器高压绕组磁滞回线
全厂除了2号发变组及其2号主变压器高压电缆外，其余一次设备均带电。在此运行方式下，通过GIS断路器在0.1 ms时对2号电缆及2号主变压器充电，得到电缆铝护套观察点的电压波形，如图6所示。图中，蓝色、红色、绿色曲线分别代表A、B、C三相电压波形(下同)。
(a) 观察点1
(c) 观察点3
(d) 观察点4
(e) 观察点5
(f) 观察点8图6 合闸过程中电缆铝护套电压波形
从图6的波形可知，除了观察点1因为接地点、观察点6因为过电压保护器使电压得到限制外，其他观察点的过电压波形均处于较高幅值。观察点2的A相过电压峰值达270 kV，对应波形局部放大如图7所示，其波头时间约1.5 μs，波尾时间2 μs。
图7 观察点2 A相电压局部放大
对电缆铝护套放电原因开展的研究，集中在电厂运行方式、电缆电压限制器参数、主变压器高压绕组剩磁3个方面，下面对这3个可能因素进行定量分析。
4.1 电厂运行方式的影响
分别在全厂仅GIS带电时对2号电缆及2号主变压器充电，以及在GIS、1号和3号电缆主变压器带电时对2号电缆和2号主变压器充电两种情况进行分析。为了便于比较，以观察点2的电压作为比较标准，得到两种情况下的电压波形，如图8所示。
将图8与图7比较可知，这3种运行方式下的过电压峰值分别为228 kV、248 kV、270 kV。从整体上看，运行设备越多，对应合闸导致的电缆铝护套过电压幅值越大，但增加幅值并不明显。
图8 不同运行方式下电缆铝护套过电压波形
4.2 电缆电压限制器参数的影响
以全厂除了2号发变组及其2号主变压器高压电缆外其余一次设备均带电(第3章运行方式)时对2号电缆和主变压器合闸充电作为分析对象。将电压限制器从HC15型替换为HC5型，HC15的直流1 mA参考电压比HC5大三倍，HC5的伏安特性曲线比HC15的伏安特性曲线低，如图9所示。
图9 HC15型、HC5型电压限制器伏安特性曲线
采用HC5过电压限制器情况下，观察点2、观察点5和观察点6的电压波形如图10所示。
(a) 观察点2
(b) 观察点5
(c) 观察点6图10 采用 HC5过电压限制器时的电压波形
通过对比图6和图9可知，在降低过电压限制器的伏安特性曲线之后(动作电压和残压降低)，观察点6(过电压限制器安装点)的电压明显降低，观察点2的电压几乎没有变化，观察点5的电压反而有所上升。
4.3 主变压器高压绕组剩磁
第3章中的过电压分析结果是在2号主变压器铁芯最大剩磁情况下得到的。对变压器高压绕组零剩磁情况进行计算，得到观察点2电压波形如图11所示。
图11 2号主变压器铁芯剩磁为0时观察点2电压波形
对比图6(b)和图11可知，变压器铁芯是否有剩磁对电缆铝护套过电压基本无影响。这是因为合闸过程中电缆铝护套过电压和变压器绕组励磁涌流的时间为两个不同的数量级。以最大剩磁情况下的合闸过程(第3章运行方式)为例，对应的励磁涌流电压波形和观察点2 A相电压波形如图12所示。
(b) 观察点2
(b) 观察点2 A相电压波形图12 励磁涌流波形和观察点2 A相电压波形
从图12可知：励磁涌流是一个缓慢的过程，它是由电感决定的，由于电感具有阻碍电流变化的特性，因此其过渡过程是以基波为时间尺度的；
电缆的过电压是由分布电容决定的，电容对瞬态电压具有导通作用，所以其过渡过程是以微秒为时间尺度的。
4.4 小 结
就电厂运行方式、电缆电压限制器参数、变压器高压绕组剩磁3种因素对电缆铝护套合闸过电压的影响分析得出如下结论：
1)电缆铝护套合闸过电压主要受系统参数，尤其是其自身分布电容参数的影响，运行方式对其影响不大；
2)过电压限制器对电缆铝护套合闸过电压的影响集中在安装点附近，对于其他部分基本起不到限制过电压的功效；
3)励磁涌流和过电压是两个时间尺度的变化量，变压器是否存在剩磁对电缆铝护套过电压没有影响。
5.1 放电原因分析
该水电厂500 kV电缆夹具实际安装形式如图13所示，其内部橡胶垫不是全包裹形式，采用的是两个不能紧密配合的不完整半圆组合而成，导致电缆外护套表皮与金属夹件之间存在空气间隙。在系统侧给电缆冲击合闸的过程，实际上是电荷在系统-电缆-变压器中重新分布的过程，在合闸的瞬间电荷分布是动态波动到逐步平衡的。在合闸瞬间，通过电容分压电缆芯线-屏蔽层-外套均能够感应电荷，这些电荷无法在合闸瞬间被接地线疏导进入大地，将产生过电压，其中屏蔽层过电压峰值达270 kV。半导体层电位受屏蔽层影响也将达到270 kV的幅值，最终导致夹件空气间隙击穿。
图13 该水电厂500 kV电缆金属夹具安装情况
电缆铝护套在合闸冲击时刻的最大过电压可到达270 kV，对于夹具和电缆外护套之间的空气间隙(约1 cm)被击穿是必然的。就放电过程而言，其本质上是一种电容分压导致的感应放电，由于能量较低，不会对电缆外护套造成明显破坏。
5.2 处理措施
参考某水电厂500 kV电缆金属夹具安装方式，如图14所示，可知其外护套与金属夹具之间采用直接接触方式。由于外护套外皮采用的是导电层，因此冲击合闸过程中电缆外护套表面的感应放电直接以紧密接触传导的方式释放，不会出现可见火花。
图14 某水电厂500 kV电缆金属夹具安装情况
参考其他电厂500 kV电缆金属夹具安装形式，结合该水电厂实际情况，为了消除冲击合闸过程中存在的火花放电现象，在不对现有安装方式进行大改变的前提下，可通过在夹件空气间隙处填充软质导电橡胶或塞入铝箔纸的方式，实现夹具与电缆外护套的紧密电气连接，将冲击合闸过程中产生的感应电荷及时释放。
1)对于单端接地的高压短距离电缆，空载冲击合闸过程中在铝护套上产生较高的过电压是由于电缆自身结构固有的分布电容决定的。采取改善接地或改变电压限制器难以降低铝护套上最大过电压幅值。
2)该水电厂电缆外护套放电的原因在于采用了不合适的金属夹具安装方式，其橡胶垫片未能对电缆外护套进行全包裹，使得外护套与金属夹具之间的空气间隙在合闸过程中承受了过电压而发生空气击穿。
3)建议在高压电缆安装过程中，采用导电橡胶作为金属夹具垫片，在柔性固定电缆的同时起到释放感应电荷的作用。
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