10 kV 單芯電纜兩端接地感應(yīng)電壓與環(huán)流導(dǎo)致電纜故障問(wèn)題，是配電電纜工作者多年困惑的問(wèn)題。分析廣東佛山10kV單芯電纜故障，原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當(dāng)。在單芯電纜的施工過(guò)程中必須要注意按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行敷設(shè)排列，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求在相應(yīng)點(diǎn)對(duì)電纜屏蔽層進(jìn)行接地。
1 故障經(jīng)過(guò)
10 kV某外資公司電纜線路單相接地故障，經(jīng)檢測(cè)該外資公司10kV線路電纜C相接地故障，C 相對(duì)地絕緣電阻小于0.01MΩ。AB相對(duì)地絕緣電阻均大于95MΩ。該段電纜為 8.7/15kV ZRYJV221*630單芯電纜。
故障電纜全長(zhǎng)3155米，故障點(diǎn)離用戶側(cè)配電房392米。找到故障點(diǎn)后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)被外力破壞的痕跡，排除中間接頭放電和外力破壞引起故障原因。該故障段電纜為槽盒敷設(shè)，3相電纜平行排列。故障電纜故障點(diǎn)處已燒損較嚴(yán)重，線芯外露，槽盒內(nèi)的沙燒黑發(fā)臭。
2電纜 故障原因分析
該電纜運(yùn)行已五年多，而且最大運(yùn)行電流記錄為420 A，未超過(guò)安全載流量725 A 的范圍。電纜型號(hào)ZRYJV-1×630，單相長(zhǎng)3155米。判斷故障原因有兩種情況，第一種原因是該線路其中C相電纜應(yīng)該存在一個(gè)“隱患點(diǎn)”，該點(diǎn)可能是制作過(guò)程中存在的一個(gè)氣泡或一個(gè)小孔，也有可能是運(yùn)輸、施工等過(guò)程中造成的一點(diǎn)損傷（由于電纜毀壞嚴(yán)重，已無(wú)法判斷），導(dǎo)致電纜絕緣層受潮，電纜絕緣性能降低，長(zhǎng)期受污水滲入電纜里面導(dǎo)致電纜放電。隨著該點(diǎn)電纜放電時(shí)間增加， 導(dǎo)致單相短路接地。
還有一個(gè)導(dǎo)致電纜絕緣性能降低重要原因，就是該電纜金屬屏蔽層采用兩端接地方式。屏蔽層上長(zhǎng)期存在較大的工頻感應(yīng)電壓，三相水平排列，使感應(yīng)電壓進(jìn)一步增大。出現(xiàn)較大環(huán)流，所產(chǎn)生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。在電纜絕緣的薄弱點(diǎn)出現(xiàn)放電，最終導(dǎo)致相間短路。
10 kV 電纜金屬屏蔽層通常采用兩端接地方式。這是由于10kV電纜多數(shù)是三芯電纜的緣故。三芯電纜帶平衡負(fù)荷時(shí)，三相電流向量和為零金屬屏蔽上的感應(yīng)電勢(shì)疊加為零， 采用兩端接地時(shí)，沒(méi)有環(huán)流。
近年來(lái)，由于負(fù)荷密度增大，環(huán)網(wǎng)柜等小型設(shè)備的應(yīng)用，電纜開(kāi)始采用較大截面單芯電纜。當(dāng)單芯電纜導(dǎo)線通過(guò)交流電流時(shí)， 其周?chē)a(chǎn)生的一部分磁力線將與金屬屏蔽層交鏈， 使金屬屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓。單芯電纜每相之間存在一定的距離，感應(yīng)電勢(shì)不能抵消。如果10 kV 單芯電纜金屬屏蔽層還是按照10 kV 三芯電纜采用兩端直接接地的方式， 金屬屏蔽層通過(guò)兩個(gè)接地點(diǎn)與大地構(gòu)成回路，產(chǎn)生較大的環(huán)流，所產(chǎn)生的熱損耗加速電纜主絕緣電—熱老化。
下面針對(duì)三相水平排列與三相品字形排列這兩種常見(jiàn)排列方式具體分析10 kV 單芯電纜金屬屏蔽層上的感應(yīng)電壓情況。
2.1 三相水平排列感應(yīng)電壓計(jì)算
以YJV-1×630 單芯電纜為例， 電纜外徑48mm，銅屏蔽外徑43.9 mm，PVC 護(hù)套厚度2.5 mm，電纜水平排列，間距為管距，取10 mm。單相長(zhǎng)約3155米，負(fù)荷電流取該線路最大運(yùn)行電流420 A。根據(jù)文獻(xiàn)1 提供的水平排列計(jì)算公式
S 為電纜中心軸間距離；Ds 為金屬屏蔽層外徑；I 為電纜工作電流；L 為電纜單相長(zhǎng)度。
計(jì)算得邊相電纜金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為120.6V，中相電纜金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為80.9 V。
2.2 三相品字形排列感應(yīng)電壓計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)［1］提供的三相品字形排列計(jì)算公式
計(jì)算得電纜金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為80.9 V。
2.3 感應(yīng)電壓與環(huán)流危害電纜絕緣分析
根據(jù)GB 50217－2007 《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，電纜線路的正常感應(yīng)電勢(shì)最大值不得大于300 V。否則，不得大于50 V。按采取安全措施考慮，上述計(jì)算的感應(yīng)電壓120.6 V 和80.9 V都屬正常。但此規(guī)定只考慮了感應(yīng)電壓，并未考慮在此感應(yīng)電壓的作用下，金屬屏蔽層兩端接地所造成的環(huán)流的危害。
文獻(xiàn)［2］中的感應(yīng)電壓只有6.8 V，遠(yuǎn)小于300 V的規(guī)定值。但其環(huán)流實(shí)測(cè)值已經(jīng)接近負(fù)荷電流的10%，金屬屏蔽層接地線處溫度已達(dá)80 ℃，有出現(xiàn)熱冒煙事故可能性。而且電纜長(zhǎng)度、工作電流越大，感應(yīng)電壓就越大。該線路最大運(yùn)行電流已達(dá)420 A，大于文獻(xiàn)［2］中電纜的工作電流，其長(zhǎng)度3155米 也大于文獻(xiàn)［2］的50米。其感應(yīng)電壓在敷設(shè)條件相近條件下也應(yīng)大于文獻(xiàn)［2］電纜的感應(yīng)電壓。因此，該線路電纜金屬屏蔽層環(huán)流不容忽視， 環(huán)流的因素，造成電纜絕緣性能降低。經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行，再加上本身缺陷，最終出現(xiàn)事故。遺憾的是，由于開(kāi)關(guān)柜“五防”設(shè)計(jì)原因，無(wú)法進(jìn)行實(shí)測(cè)環(huán)流數(shù)值。
3 改進(jìn)措施分析
該線路故障修復(fù)后，現(xiàn)在仍采用金屬屏蔽層兩端接地，金屬屏蔽層仍然有環(huán)流，對(duì)電纜絕緣來(lái)說(shuō)，隱患仍然存在。為了降低電纜金屬屏蔽層感應(yīng)電壓，進(jìn)而降低環(huán)流對(duì)電纜絕緣的損害。應(yīng)采取以下措施：
1）電纜采用品字形排列；
2）采用金屬屏蔽層一端接地；
3）采用金屬屏蔽層中點(diǎn)接地。
從理論上講，采用金屬屏蔽層交叉互聯(lián)接地也很好，但如果采用一端接地或中點(diǎn)接地可以符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求時(shí)，一般就可以不用考慮復(fù)雜的交叉互聯(lián)接地，畢竟，經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)重要的因素。
3.1 電纜采用品字形排列
前面計(jì)算可知，水平排列正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大值出現(xiàn)在邊相，為120.6 V；三相品字形排列正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓三相均為80.9 V。采用品字形排列有利于降低正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓和環(huán)流。
3.2 金屬屏蔽層一端接地
金屬屏蔽層采用一端接地時(shí)（圖2），如也采用三相品字形排列，正常運(yùn)行時(shí)另一端工頻感應(yīng)電壓三相均為80.9 V，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)小于300 V 的要求。一端接地沒(méi)有構(gòu)成回路， 可以消除環(huán)流，有利于提高電纜的傳輸容量不會(huì)造成電纜附加的熱損耗，有利于絕緣。
如果未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，80.9 V 大于50 V， 不符合要求，則不能采用一端接地方式。
為防止短路時(shí)另一端出現(xiàn)的工頻過(guò)電壓，以及防止另一端的沖擊過(guò)電壓。當(dāng)電纜外護(hù)層不能承受這種過(guò)電壓的作用而損壞時(shí)，就會(huì)造成金屬護(hù)層的多點(diǎn)接地，因此另一端必須通過(guò)保護(hù)器接地。
當(dāng)考慮減小接地短路的工頻感應(yīng)電壓值或減小對(duì)通信干擾等問(wèn)題時(shí)，需同步敷設(shè)事故回流線。
圖2 電纜金屬屏蔽層一端接地
3.3 金屬屏蔽層中點(diǎn)接地
三相品字形排列，一端接地，正常運(yùn)行時(shí)另一端工頻感應(yīng)電壓三相均為80.9V，如果未采取安全措施，80.9 V 大于50 V，不滿足要求，可采用中點(diǎn)接地（圖3），Nj 為直通接頭。
圖3 電纜金屬屏蔽層中點(diǎn)接地
這種接地方式相當(dāng)于兩個(gè)一端接地方式串聯(lián)。接地點(diǎn)兩端金屬屏蔽層正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓最大為80.9 V 的一半， 即40.45 V， 滿足50 V 的要求。
4 對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的建議
GB 50217－2007 《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)GB20217-1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》做出了很多有針對(duì)性的修訂，該規(guī)范適用于新建、擴(kuò)建的電力工程中500 kV 及以下電力電纜和控制電纜的選擇與敷設(shè)設(shè)計(jì)。電纜金屬屏蔽層接地方式中300 V與50 V 的規(guī)定， 用于配電電纜與輸電電纜時(shí)按規(guī)程規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)是一樣的。但實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，用此標(biāo)準(zhǔn)套用配電網(wǎng)絡(luò)10 kV 單芯電纜兩端接地時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)感應(yīng)電壓較高、環(huán)流太大導(dǎo)致出現(xiàn)電纜故障。電力企業(yè)配電電纜與輸電電纜也是分開(kāi)設(shè)計(jì)的。配電電纜設(shè)計(jì)時(shí)，按規(guī)程設(shè)計(jì)10 kV 單芯電纜兩端接地是感應(yīng)電壓是滿足要求的，但實(shí)際工作中又老是擔(dān)心環(huán)流會(huì)不會(huì)對(duì)電纜絕緣不利。
對(duì)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》建議：對(duì)配電電纜與輸電電纜金屬屏蔽層接地方式與工頻感應(yīng)電壓做出不同的規(guī)定；對(duì)環(huán)流數(shù)值做出規(guī)定。
10 kV 單芯電纜兩端接地感應(yīng)電壓與環(huán)流導(dǎo)致電纜故障問(wèn)題，是配電電纜工作者多年困惑的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)單芯630電纜線路故障的感應(yīng)電壓計(jì)算和分析，目的在于揭示導(dǎo)致這起事故的直接原因是金屬屏蔽層接地方式選擇不當(dāng)，不應(yīng)選用兩端接地，而應(yīng)根據(jù)需要選擇一端接地或中點(diǎn)接地。因此，在單芯電纜的施工過(guò)程中必須要注意按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行敷設(shè)排列，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求在相應(yīng)點(diǎn)對(duì)電纜屏蔽層進(jìn)行接地。
