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摘要：高压单芯电缆的外护套是电缆的重要组成部分，当缆芯通过电流时，会在铝护套上产生金属环流，外护套的绝缘状态差、接地不良、铝护套接地方式不正确等等都会引起铝护套环流异常现象，严重威胁电缆运行安全。首先对一起电缆击穿故障进行了金属环流计算，然后进一步分析了故障原因，就设计、施工、运行等方面提出了相应的反事故防范措施，起到了在实际运行维护工作中预防同类故障再次发生的效果。
关键词：环流；电缆；故障；防范
作者简介：范亚洲（1978-），男，广东江门人，广东电网公司江门供电局生产技术部，工程师；唐信（1981-），男，广东江门人，广东电网公司江门供电局输电管理所，工程师。（广东 江门 529000）
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0165-02
当电缆金属护套环流出现异常时，会产生几方面的危害：一是造成电缆绝缘局部高温损耗发热，加速绝缘老化，降低电缆使用寿命，严重时导致电缆发生直接击穿接地故障；二是使电缆外护套破损，出现多点接地现象；三是外护套破损后，金属护套被腐蚀，既增加了主绝缘水树老化的几率，又易诱发局部放电和电树枝；四是直接影响电缆线路的载流量，产生较大的电能损耗，浪费资源，有关电缆载流量计算经验表明，金属护套环流异常对载流量的影响可达30%～40%，而金属护套环流异常时，电缆允许载流量不能超过额定载流量的60%。因此对电缆金属护套环流问题进行分析与监测具有十分重要的意义。
一、故障基本情况
1.故障情况
2010年6月22日，110kV碧杜线#1-#2塔电缆#4中间头处发生故障。立即组织巡查发现，电缆中间接头处有刺鼻烧焦味，打开电缆盖板后发现在电缆中间直通接头处有烧穿迹象，烧穿点位于中间接头金属护套接地线处（见图1）。运行部门于次日组织更换了电缆中间接头。
2.电缆敷设情况
故障电缆选用YJLW03-Z-64/110-1×630型交联聚乙烯绝缘、波纹铝护套、聚乙烯（PE）外护套铜导体单芯电缆，2006年12月28日投运#4接头至#2终端塔段，2009年11月28日由于迁改原因进行了新旧电缆接驳改造，投产了#1终端塔至#3街头段，敷设方式采用预制电缆槽及敷设电缆保护管单回路水平敷设的方式，全线敷设回流线，电缆槽埋深1.0米，电缆保护管采用大开挖或顶管的形式敷设，主要是用来穿越道路及水河等不适合采用电缆槽的地方，金属护层采用一端直接接地、另一端加装护层过电压保护器接地方式。
二、故障原因分析
1.金属环流计算模型
本案例属于金属护套单端接地情况，每段电缆波纹铝护套采用一端直接接地，另一端加护层过电压保护器接地的结线方式，因为只存在一个直接接地点，未构成感应电流回路，金属护套中环流只包含电容电流和泄露电流。各单位长度段电缆电容电流是并联关系，总电流应为各单位长度电容电流之和，所以单端接地情况下金属护套中流过的电容电流为单位长度电容电流与电缆长度的乘积。另外，由于交联单芯电缆XLPE层的绝缘电阻非常大，大约在1013～1015Ω/m，所以在计算金属环流时可忽略泄露电流的影响。得到各相电缆金属护套上单位长度的电容电流计算模型为：
式（1）
式（2）
式（3）
式中：、、分别为A、B、C三相电缆的电容电流，A/m；、、分别为A、B、C三相电缆的相电压，V；为角频率，；为电缆每相单位长度电容，（F/m），ε为绝缘材料的介电常数，Dic为电缆内屏蔽层直径，Di为电缆主绝缘层直径。
下表1给出了110kV碧杜线电缆金属护套的环流计算与实测结果，对于单点接地情况，高压电缆金属护套单点接地时，环流来自于电容电流，电流大小由电缆的结构参数和长度决定，与电缆负荷大小基本无关，该情况下环流计算结果与电缆正常状况下的实测结果几乎一致。文献[4]指出110kV与220kV电缆金属护套环流计算结果与实测结果十分接近，最大误差小于7％。现场测量情况也表明环流数值与理论计算数值基本相符。
由于故障点在电缆中间直通接头处，怀疑故障原因为电缆本体存在设计上的缺陷，金属环流过大引起电缆长期局部发热，导致电缆击穿故障。2011年6月我们对该线路进行了基础资料整理，并通过现场核查发现，该段电缆于2009年改造时由于缺乏数据支撑，#3-#4接头段金属护层采用两端接地的接线方式（见图2），此接线方式不适用于高压单芯电缆，将导致该段电缆产生的金属环流值高达负荷电流50%以上。
2.故障原因判断
故障点地势较高，排除了水浸电缆引发故障的可能性；计算分析及实测数据表明，电缆的金属环流数值已足以引起电缆接头长期发热。通过对#4电缆中间头烧穿点处的解剖分析，认为故障发生的原因主要有以下两种可能：
（1）金属环流过大致使电缆长期发热。在负荷电流为132A的情况下，#3-#4段电缆金属护套环流高达124A，几乎接近负荷电流。此时，当金属护套接地点处产生接触电阻，在大电流的作用下，导致电缆局部长期发热，电缆主绝缘在高温作用下形成水树老化，开始逐步烧融，进而导致主绝缘性能进一步降低，形成恶性循环，最终导致电缆击穿，从电缆接地点处的锈蚀痕迹也验证了推断的合理性。
（2）#4中间直通接头制作工艺质量不良。本案例中，电缆其他位置未发生过类似故障，而是发生在#4中间接头处。制作电缆中间接头进行校直加热等工艺或在电缆施工过程中产生较大弯曲时，受气候环境湿度影响，有水分浸入电缆内部，电缆接头金属护套边缘处的电场分布在外屏蔽端口产生的电应力集中现象，使接头处产生的水汽长期发热，在毛刺突出处产生主绝缘水树并伸延，最终导致电缆绝缘击穿。
三、处理情况及防范措施
针对电缆金属环流过大的问题，运行人员于2011年7月14日进行了带电改接线处理，解开了#4中间接头的直接接地线，并进行了金属护套环流测量验证，实测#4中间接头金属环流降为4A左右，经分析，这是由于电缆接地段长度发生变化，将110kV碧杜线#2塔-#4中间接头直接改为至#3中间接头，增加了电缆约120米，电容电流也相应增加的缘故；#2塔终端头过电压保护器感应电压在14V左右，均符合预防性试验规程要求。为有效防范类似故障的再次发生，运行部门于故障发生后，于2011年全面开展了环流监测和电缆头红外测温工作，并结合综合停电机会，对同类厂家、同型号产品的接地线装设点开展了专项检查整治，处理了2处电缆环流过大的问题，相应的反事故措施建议如下：
设计方面，在工程设计全过程中，应注意结合现场实际，从源头把关，掌握全面的电缆资料，电缆线路充分考虑采用段长相等的交叉互联正三角形排列，或采用交叉互联与单端接地相结合的方式，控制交叉互联段段长的不平衡情况；施工方面，电缆线路施工过程中，施工单位须严格按照施工工艺要求操作，尽量采用蛇形敷设，预留一定预度的电缆以满足事故需要，运行单位应按照电缆验收技术规范参与中间验收，并把好竣工验收关口，确保电缆的施工质量；运行方面，应结合电缆运行规程，加强电缆巡查，定期开展环流监测、绝缘电阻检测、交叉互联系统检测、红外测温等预防性试验项目，必要时开展交流耐压试验。
四、结论
第一，预防性试验是检测电缆运行状态的重要手段，应严格按照试验周期执行，在运行维护工作中加以重点关注，遗漏试验项目将极可能不利于掌握电缆的运行状态。
第二，电缆接头的工艺质量是关乎电缆安全运行的重要因素，电缆线路改造和建设时，应务求在每一个施工工序都安排有经验的运行人员到现场监督，必要时也可安排到生产厂家进行监造。
第三，应高度重视金属环流危害，从设计、施工、运行等方面全方位考虑，进行必要的环流计算，尽可能降低环流影响，将电缆金属护套环流占负荷电流的比例控制在5%～10%以内。
参考文献：
[1]GB50217-2007,电力工程电缆设计规范[S].
[2]江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2009.
[3]李海帆.电力电缆工程设计、安装、运行、检修技术实用手册[M].北京:当代中国音像出版社,2006.
[4]黄宏新,何建,等.高压XLPE电缆金属护套环流的计算分析[J].浙江电力,2008,(3).
（责任编辑：刘辉）
关键词：环流；电缆；故障；防范
作者简介：范亚洲（1978-），男，广东江门人，广东电网公司江门供电局生产技术部，工程师；唐信（1981-），男，广东江门人，广东电网公司江门供电局输电管理所，工程师。（广东 江门 529000）
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0165-02
当电缆金属护套环流出现异常时，会产生几方面的危害：一是造成电缆绝缘局部高温损耗发热，加速绝缘老化，降低电缆使用寿命，严重时导致电缆发生直接击穿接地故障；二是使电缆外护套破损，出现多点接地现象；三是外护套破损后，金属护套被腐蚀，既增加了主绝缘水树老化的几率，又易诱发局部放电和电树枝；四是直接影响电缆线路的载流量，产生较大的电能损耗，浪费资源，有关电缆载流量计算经验表明，金属护套环流异常对载流量的影响可达30%～40%，而金属护套环流异常时，电缆允许载流量不能超过额定载流量的60%。因此对电缆金属护套环流问题进行分析与监测具有十分重要的意义。
一、故障基本情况
1.故障情况
2010年6月22日，110kV碧杜线#1-#2塔电缆#4中间头处发生故障。立即组织巡查发现，电缆中间接头处有刺鼻烧焦味，打开电缆盖板后发现在电缆中间直通接头处有烧穿迹象，烧穿点位于中间接头金属护套接地线处（见图1）。运行部门于次日组织更换了电缆中间接头。
2.电缆敷设情况
故障电缆选用YJLW03-Z-64/110-1×630型交联聚乙烯绝缘、波纹铝护套、聚乙烯（PE）外护套铜导体单芯电缆，2006年12月28日投运#4接头至#2终端塔段，2009年11月28日由于迁改原因进行了新旧电缆接驳改造，投产了#1终端塔至#3街头段，敷设方式采用预制电缆槽及敷设电缆保护管单回路水平敷设的方式，全线敷设回流线，电缆槽埋深1.0米，电缆保护管采用大开挖或顶管的形式敷设，主要是用来穿越道路及水河等不适合采用电缆槽的地方，金属护层采用一端直接接地、另一端加装护层过电压保护器接地方式。
二、故障原因分析
1.金属环流计算模型
本案例属于金属护套单端接地情况，每段电缆波纹铝护套采用一端直接接地，另一端加护层过电压保护器接地的结线方式，因为只存在一个直接接地点，未构成感应电流回路，金属护套中环流只包含电容电流和泄露电流。各单位长度段电缆电容电流是并联关系，总电流应为各单位长度电容电流之和，所以单端接地情况下金属护套中流过的电容电流为单位长度电容电流与电缆长度的乘积。另外，由于交联单芯电缆XLPE层的绝缘电阻非常大，大约在1013～1015Ω/m，所以在计算金属环流时可忽略泄露电流的影响。得到各相电缆金属护套上单位长度的电容电流计算模型为：
式（1）
式（2）
式（3）
式中：、、分别为A、B、C三相电缆的电容电流，A/m；、、分别为A、B、C三相电缆的相电压，V；为角频率，；为电缆每相单位长度电容，（F/m），ε为绝缘材料的介电常数，Dic为电缆内屏蔽层直径，Di为电缆主绝缘层直径。
下表1给出了110kV碧杜线电缆金属护套的环流计算与实测结果，对于单点接地情况，高压电缆金属护套单点接地时，环流来自于电容电流，电流大小由电缆的结构参数和长度决定，与电缆负荷大小基本无关，该情况下环流计算结果与电缆正常状况下的实测结果几乎一致。文献[4]指出110kV与220kV电缆金属护套环流计算结果与实测结果十分接近，最大误差小于7％。现场测量情况也表明环流数值与理论计算数值基本相符。
由于故障点在电缆中间直通接头处，怀疑故障原因为电缆本体存在设计上的缺陷，金属环流过大引起电缆长期局部发热，导致电缆击穿故障。2011年6月我们对该线路进行了基础资料整理，并通过现场核查发现，该段电缆于2009年改造时由于缺乏数据支撑，#3-#4接头段金属护层采用两端接地的接线方式（见图2），此接线方式不适用于高压单芯电缆，将导致该段电缆产生的金属环流值高达负荷电流50%以上。
2.故障原因判断
故障点地势较高，排除了水浸电缆引发故障的可能性；计算分析及实测数据表明，电缆的金属环流数值已足以引起电缆接头长期发热。通过对#4电缆中间头烧穿点处的解剖分析，认为故障发生的原因主要有以下两种可能：
（1）金属环流过大致使电缆长期发热。在负荷电流为132A的情况下，#3-#4段电缆金属护套环流高达124A，几乎接近负荷电流。此时，当金属护套接地点处产生接触电阻，在大电流的作用下，导致电缆局部长期发热，电缆主绝缘在高温作用下形成水树老化，开始逐步烧融，进而导致主绝缘性能进一步降低，形成恶性循环，最终导致电缆击穿，从电缆接地点处的锈蚀痕迹也验证了推断的合理性。
（2）#4中间直通接头制作工艺质量不良。本案例中，电缆其他位置未发生过类似故障，而是发生在#4中间接头处。制作电缆中间接头进行校直加热等工艺或在电缆施工过程中产生较大弯曲时，受气候环境湿度影响，有水分浸入电缆内部，电缆接头金属护套边缘处的电场分布在外屏蔽端口产生的电应力集中现象，使接头处产生的水汽长期发热，在毛刺突出处产生主绝缘水树并伸延，最终导致电缆绝缘击穿。
三、处理情况及防范措施
针对电缆金属环流过大的问题，运行人员于2011年7月14日进行了带电改接线处理，解开了#4中间接头的直接接地线，并进行了金属护套环流测量验证，实测#4中间接头金属环流降为4A左右，经分析，这是由于电缆接地段长度发生变化，将110kV碧杜线#2塔-#4中间接头直接改为至#3中间接头，增加了电缆约120米，电容电流也相应增加的缘故；#2塔终端头过电压保护器感应电压在14V左右，均符合预防性试验规程要求。为有效防范类似故障的再次发生，运行部门于故障发生后，于2011年全面开展了环流监测和电缆头红外测温工作，并结合综合停电机会，对同类厂家、同型号产品的接地线装设点开展了专项检查整治，处理了2处电缆环流过大的问题，相应的反事故措施建议如下：
设计方面，在工程设计全过程中，应注意结合现场实际，从源头把关，掌握全面的电缆资料，电缆线路充分考虑采用段长相等的交叉互联正三角形排列，或采用交叉互联与单端接地相结合的方式，控制交叉互联段段长的不平衡情况；施工方面，电缆线路施工过程中，施工单位须严格按照施工工艺要求操作，尽量采用蛇形敷设，预留一定预度的电缆以满足事故需要，运行单位应按照电缆验收技术规范参与中间验收，并把好竣工验收关口，确保电缆的施工质量；运行方面，应结合电缆运行规程，加强电缆巡查，定期开展环流监测、绝缘电阻检测、交叉互联系统检测、红外测温等预防性试验项目，必要时开展交流耐压试验。
四、结论
第一，预防性试验是检测电缆运行状态的重要手段，应严格按照试验周期执行，在运行维护工作中加以重点关注，遗漏试验项目将极可能不利于掌握电缆的运行状态。
第二，电缆接头的工艺质量是关乎电缆安全运行的重要因素，电缆线路改造和建设时，应务求在每一个施工工序都安排有经验的运行人员到现场监督，必要时也可安排到生产厂家进行监造。
第三，应高度重视金属环流危害，从设计、施工、运行等方面全方位考虑，进行必要的环流计算，尽可能降低环流影响，将电缆金属护套环流占负荷电流的比例控制在5%～10%以内。
参考文献：
[1]GB50217-2007,电力工程电缆设计规范[S].
[2]江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2009.
[3]李海帆.电力电缆工程设计、安装、运行、检修技术实用手册[M].北京:当代中国音像出版社,2006.
[4]黄宏新,何建,等.高压XLPE电缆金属护套环流的计算分析[J].浙江电力,2008,(3).
（责任编辑：刘辉）