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高压单芯电缆金属护层接地系统发热缺陷分析与应对措施

电缆环流监测装置 2019-12-15 输电电缆检修 329 ℃ 0 评论

针对发生的几起高压单芯电缆线路护层接地系统发热问题,分析了造成电缆护层接地系统发热缺陷的原因,并提出了预防措施。张 烨(广州供电局有限公司输电管理一所,广州 510000)
1 引言
2018 年 3 月,在做红外检查时,发现某220 kV 电缆线路A 相终端电缆头下部的尾管口处发热,较 B、C 相高出 10 ℃左右,最高达33℃。初步判定为护层接地系统发热缺陷。后停电对该处进行解剖查看,剥除覆盖物后,测得铜编织线与金属护层的焊接电阻为205μΩ,明显偏大,存在虚焊,对该终端重新进行焊接处理后缺陷排除。
据了解,高压单芯电缆护层接地系统接触不良导致的发热故障屡见不鲜,2012 年某110 kV 电缆终端,红外查出尾管发热缺陷,后停电重新封铅处理后缺陷排除;2014 年,在检查时发现110 kV 某线护层交叉互联接地箱内导体连接处发热烧损,后停电处理后,缺陷排除。
本文通过对单芯电缆护层接地系统基础知识的论述,找出导致发热的因素,提出了科学合理的预控措施,为预防此类缺陷的再次发生提供借鉴。
2 高压单芯电缆护层接地系统的两个基本要求
2.1 安全要求
为了满足安全需要,电力电缆的金属护层必须接地,且其感应电压最大值应满足下列规定:未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时,不得大于50 V;除上述情况外,不得大于300 V。
2.2 运行要求
高压单芯交联电缆金属护层一般不允许两点以上接地,若电缆在运行中金属护层出现两点以上接地,便会在金属护层内形成与线芯电流同一数量级的环流。这个环流会在电缆中产生热,导致电缆实际载流量降低,并消耗大量能量。
3 护层产生感应电势的原理
单芯电缆构成的交流传输电路,电缆导体与金属护套间的关系可以看作是一个空心变压器,当电缆芯线通过负荷电流时,会产生漏磁通,漏磁通与电缆金属护层铰链,金属护层有感应电势。
电缆金属护层只有单点接地,没有形成闭合回路,不会成环流(采取这样的接地方式,既满足国标对高压电缆金属护层电压的安全要求,又能满足护层不产生环流的运行要求)。
交流系统中单芯电缆线路一回或两回的各相按通常配置排列情况下,在电缆金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势值,可按下式计算
Es=LEs0
式中:
Es 为感应电势(V);
L 为电缆金属层的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离(km);
Es0 为单位长度的正常感应电势(V/km)。
Es0 主要与负荷线芯电流和电缆的排列方式有关,当电缆敷设后排列方式就确定了,在一定的电流下,Es0 为定值,这时电缆上任一点的感应电动势大小与长度成正比。
当线芯电流较大则Es0 也较大,电缆又较长时,感应电动势数值就可能超出安全的要求,因此通常采取对较长电缆进行分段,来降低电缆上的最高感应电动势。
4 单芯电缆护层接地系统
单芯电缆护层接地系统常见的有两种,护层单端接地和护层交叉互联接地。
4.1 护层单端接地
线路不长,且最大感应电势能满足要求时,应采取在线路一端或中央部位单点直接接地。
4.2 护层交叉互联接地
除上述情况外的长线路,宜划分适当的单元,且在每个单元内按3 个长度尽可能均等区段,应设置绝缘接头或实施电缆金属层的绝缘分隔,以交叉互联接地。
单芯电缆金属护层交叉互联接地后,电缆线路三段的长度是相等的,三相负荷是平衡的,由于各段金属护套产生的电压幅值基本相等,相位相差120°,经过交叉互联后,每个单元的总感应电压的矢量和接近于零,所以金属护套基本没有环流,最高感应电压也为每段电缆的感应电压。
5 护层中的电流
单芯电缆护层中的电流主要有3 种:护层多点接地引起的环流,电缆电容引起的电容电流和电缆绝缘阻抗引起的泄露电流。
5.1 护层环流
高压单芯电缆在正常运行时,护层是单点接地或交叉互联接地的,护层中没有环流。但是电缆在运行中可能有未知的因素使电缆护套绝缘损坏,或接地箱进水等,造成金属护层多点接地,接地点间形成闭合回路,由于金属护层的电阻很小,在感应电压作用下会在接地点间产生较大的环流。另外,城市电缆路径的开挖越来越困难,经常出现交叉互联系统电缆分段不均匀,在护层中产生环流。
5.2 电容电流
由于电缆电容的存在,电缆护层接地处有电容电流,不管有没有负荷电流,线路通电后电容电流始终存在。
5.3 泄露电流
电缆通电后,电缆的泄露电流也要通过电缆护层接地处,该电流比较小,为微安级,可以忽略不计。
6 单芯电缆护层接地系统发热原因
高压单芯电缆护层接地发热缺陷大都发生在连接处,由电流热效应引起,根据Q=I2RT,护层接地系统某连接处产生的热与流过该处的电流平方成正比,与该处的接触(焊接)电阻成正比,与时间成正比。要想预防护层发热缺陷,需要减小护层电流I 和降低护层接地系统连接(焊接)电阻R。
7 单芯电缆护层接地系统发热的危害
7.1 发热点发生在电缆本体上
发热点若发生在电缆金属护层上,当某处发热温度超过90℃以上时,将会导致交联聚乙烯主绝缘局部超过耐受温度,可能直接导致电缆主绝缘热击穿。另一方面,接地点周围有电流流过,导致土壤变性,增加了电腐蚀,这样金属护层会慢慢穿孔,水分由此进入电缆,并导致电缆故障,降低了电缆使用寿命。
7.2 发热点发生在非电缆本体上发热点若发生在非电缆本体上,护层接地系统发热处可能被熔断。
(1)若是发生在护层交叉互联系统,可导致交叉互联失效,产生较高感应电压;或护层与护层保护器断开失去保护,护层绝缘在遭受雷电等高电压时击穿,形成多点接地,并进一步引起电缆主绝缘故障。
(2)若是单端护层接地系统,可导致护层不接地,失去护层保护器保护,产生较高的悬浮电压,不但有很大的安全隐患还会导致护层多点击穿,并进一步引起电缆主绝缘故障。
8 高压单芯电缆护层发热缺陷预控措施
8.1 设计上预控
在设计交叉互联系统时,应尽量使电缆分段均匀,在遇到路径开挖困难更改路径时,要对整个交叉互联单元的电缆分段进行复核,避免因交叉互联单元分段不均导致产生较大环流。
在设计交叉互联接地箱时,优先选用地面箱或防水性能好的接地箱,预防接地箱进水,导致产生较大环流。
8.2 施工中预控
8.2.1 加强理论的培训
施工人员对护层接地系统施工的重要性认识不足,往往认为只要接地就好了,出现施工时未拧紧螺丝等,导致接触不良,引起发热缺陷。需要对施工人员进行护层接地系统知识的培训,使其认识到护层接地系统的重要性。
8.2.2 实操培训
操作人员技能不熟练,焊接铜编织前,铝焊料打底不足,导致后期焊铜编织线时锡料不能很好地与铝护层焊接在一起,导致接触电阻偏大。或焊接时过焊或浅焊:过焊,过热锡料流走,接触电阻大;浅焊,浅焊加热不足,锡料流进铝护层减少,接触电阻大。尾管、金属护层与铜编织线焊接是护层接地系统发热缺陷最多发的部位,应加强这方面的培训,施工人员必须具备熟练的焊接技能。
8.2.3 焊接检查
铜编织线与铝护层或尾管焊接后,施工人员可用大钳子用力拉动铜编织线,若出现松动,表明焊接不良,需要重新焊接。
8.3 试验预控
尾管、金属护层与铜编织线焊接的接触处,是发热缺陷出现最多的地方,因此必须对此处的焊接质量进行控制。可以通过焊接电阻试验的方法来确定最大电阻,提前检测可能存在的故障点。
8.3.1 焊接电阻试验目的测试铜编织与铝护层焊接电阻和铜编织与铝护层绑扎电阻,二者数值是否存在明显差别,为后期电缆附件施工质量控制提供依据。
8.3.2 试验样品制作
样品1 :刷毛、打底、上锡,把铜编织与两侧铝护层用焊锡焊接牢靠,如图1 所示。
图1 样品1
样品2 :刷毛、打底、上锡,把铜编织与左侧铝护层用焊锡焊接牢靠,右侧不打磨、不上底锡,用铜扎线把铜编织线紧紧绑扎在一起,扎一处。如图2 所示。
8.3.4 数据分析
从表1 的数据可以看出,采用焊接的样品1 两端,样品2左端,铜编织与铝护层的接触电阻为11.1~19.1μΩ,而采用绑扎的样品接触电阻为28.0~97μΩ,两者有较为明显的差距。
8.3.5 确定焊接电阻最大值
通过试验证明,铜编织与铝护层焊接接触电阻与绑扎接触电阻不同,绑扎接触电阻明显偏大。为了控制铝护层与铜编织线虚焊,应采用回路电阻仪对铝护层与铜编织线的焊接电阻进行测量,参考交接试验交叉互联连接片接触电阻不大于20μΩ 的要求,建议测量护层与铜编织线的焊接电阻在25μΩ以下为合格。
8.3.6 预控效果
尾管、金属护层与铜编织线焊接的电阻测量预控方法,已在电缆工程中进行了应用,作为焊接电阻质量过程控制的有效手段,并受到广泛认可。
9 结束语
单芯电缆护层接地系统是电缆线路的重要组成部分,若出现发热缺陷将需要停电处理或直接导致电缆故障,希望引起足够重视。特别在设计、施工中应采取措施,降低护层环流和提高连接(焊接)质量。
参考文献
[1] 李宗延,王佩龙,赵光庭. 电力电缆施工手册[M]. 北京:中国电力出版社,2004.

本文标签:环流监测技术规范环流监测

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