10kV高壓電纜故障多次絕緣擊穿事故原因分析

某軋鋼廠在幾年內相繼發生了3次10kV電纜絕緣擊穿事故，共燒毀電纜33根，涉及面廣。每次事故還使主軋機35kV開關跳閘，對某軋鋼廠正常生產構成嚴重威脅。

但是要對某軋鋼廠10kV系統進行改造也并非是一件容易的事，所采取的方案必須充分考慮軋鋼生產工藝特點、電網結構、供電可靠性、繼電保護技術要求、電氣設備絕緣水平以及運行經驗等，通過技術經濟比較，加以確認。下面由專業的電氣試驗設備廠家武漢凱迪正大電氣有限公司為您講解。

一、10kV系統供電系統簡介

    某軋鋼廠10kV系統是雙電源帶聯絡線的幅射式供電方式，電網中性點經消弧線圈接地。正常情況下，兩臺容量140MVA的主變壓器同時供電，下屬A,B兩段母線分列運行。當1臺主變停運時，可由另1臺主變通過母聯開關向全廠供電。供電線路全部采用ABB公司和國內電纜廠聯合生產的YJV6/10kV單芯電纜，截面為240mm2和150mm2種規格，共長176公里，全部敷設在電纜隧道的電纜支架上。

某軋鋼廠10kV供電線路單相故障接地電容電流計算值(不包括聯絡線在內):A段母線為40.37A;B段母線為35.17A。因此某軋鋼廠供電網中性點經消弧線圈接地的接地方式是合理的。其最大特點是能提高電網運行的可靠性，適合連軋工藝的要求。它和中性點不接地電網相同，能使電網發生單相接地時相間電壓仍然對稱，不影響電網繼續供電。又因經消弧線圈補償，電網單相接地時，故障電流很小，不會危及電網各元件的絕緣，可以帶著接地故障繼續運行。

二、電纜現狀

某軋鋼廠10kV電網中性點經消弧線圈接地，按德方原設計要求，10kV電纜應能承受短時間單相接地故障的過電壓，即帶接地故障運行時間每天不超過8小時，每年累計不超過125小時。目前某軋鋼廠使用的電纜型號是YJV6/10kV。但設計規程中規定:“……在中性點非直接接地系統，當切除單相接地故障時間不超過1分鐘時可取100%相電壓(即6kV)。切除單相接地故障時間在1分鐘至2小時以內宜取133%相電壓(即8.7kV)”。因此，某軋鋼廠選取的電纜與德方原設計要求不符，按規定應選用YJV8.7/10kV電纜。

三、消弧線圈

    目前，某軋鋼廠使用的消弧線圈有6檔抽頭，不能自動調節。考慮到消弧線圈補償要求，德方把A段母線主變中性點所接消弧線圈調節在第5檔，其補償電流為48.4A。另一消弧線圈調節在第4檔，補償電流為41.8A,其脫諧度δ=(IL-IC)/IC分別為19.89%和18.85%。消弧線圈雖調節在過補償運行方式，但是其脫諧度超過了5%～10%規定范圍，因此不能有效地抑制單相接地時產生的弧光過電壓和諧振過電壓。另外，消弧線圈不能自動調節，也即不能自動跟蹤補償，當系統運行方式改變，一旦電網發生單相接地故障時，其過電壓情況更為嚴重，直接危及供電的可靠性。

四、10kV系統存在問題的探討

   1 通過對系統的初步計算分析10kV系統所存在的問題。

    (1)某軋鋼廠10kV系統的短路容量計算值為SK=447.23MVA,A,B母線段總的無功功率補償量為QC=49.12Mvar,其特性頻率f=SK/QC=3.017Hz,同樣說明了該系統如果存在三次諧波并且1臺主變運行時，將會在補償電容器與網絡阻抗間出現并聯諧振，應予以重視。

    (2)某軋鋼廠10kVA,B段母線均接5、7、11、13次濾波回路，設計中把35kV、10kV系統無功補償全部接在10kV系統中，造成10kV系統過補償，電壓過高。為避免電壓過高對電氣設備的危害，只能將A,B母線的二組13次濾波回路切除。根據對該系統的頻率阻抗特性初步演算的結果可知，在1臺主變運行，另1臺主變停役時，在3，69倍工頻下的系統阻抗特別大，即該系統如果存在3次或3的倍數次諧波時，將發生諧振，嚴重危及10kV系統的安全運行。

    (3)某軋鋼廠10kV配電網遍及全廠11個電氣站，規模很大，同時發生單相接地的次數就多。每次單相接地時，配電網非故障相所有絕緣元件，特別是絕緣水平較低的設備，都要承受較長時間的工頻過電壓，很容易擴大故障的可能。

    2 經過分析，電纜故障有以下幾個原因

    (1)設計中電纜選型有誤，即系統中性點接地方式與電纜絕緣等級配合不符規程。

    (2)設計消弧線圈不能隨運行方式自動調節，脫諧度不能調節在規定范圍內，電纜單相接地時殘流大，起弧后不宜熄滅，容易發生較大的燃弧過電壓。

    (3)通過對電纜作切片試驗發現該電纜的結構與制造質量較差，體現在電纜絕緣層偏心太大，并含有雜質、氣孔等缺陷，易造成擊穿。

    (4)以往對電纜作預防性試驗時采用直流泄漏試驗，直流耐壓中所注入的離子可能使電場畸變，導致再加運行電壓時更易被擊穿。

    (5)10kV系統的頻率阻抗特性(尤其在1臺主變投運時)未選擇好，存在3次和3的倍數次諧波時，系統十分脆弱。背景諧波中的3次諧波是較大的，在配電系統和用電設備三相不平衡時，易使系統產生諧振、諧振過電壓，更易使電纜和用電設備擊穿。

    (6)配電網規模太大，發生單相接地的頻次相對要多。中性點經消弧線圈接地的配電網，當一相故障接地時，非故障相的所有絕緣元件要承受較長時間的工頻過電壓，易擴大故障。

    (7)35kV主軋機系統欠電壓較敏感。機組主傳動的同步電源欠電壓保護設定值為85%,延時僅為25ms,再加上主變三線圈變壓器的35kV與10kV之間阻抗較小，一旦10kV系統發生短路故障，很快造成35kV電壓驟然下降，引起35kV開關欠電壓跳閘，影響整個廠的生產.

    3.應對措施：

    (1)更換電纜

    選用符合絕緣等級的電纜進行更換，數量多，投資大，并要在電纜隧道內進行，施工的工程量大。基于某軋鋼廠供電對生產的重要性，只能對部分重要機組、重要設備的供電電纜進行更換。如果系統不改善，單更換電纜也無法保證今后電纜不發生故障。因此今后采取的措施應該是定期對電纜用0.1Hz低頻測試儀進行試驗，如無異常則不更換。

    (2)對電纜進行預防性試驗

    已引進0.1Hz低頻電纜測試儀，可替代以往進行的直流泄漏試驗，變有害試驗為無害試驗。

    (3)改變中性點經消弧線圈接地為經電阻接地方式

    10kV配電網發生單相接地故障時，中性點經電阻接地的方式，在一定程度上限制了過電壓，能快速切除單相永久性故障，減輕了對線路絕緣的危害，限制了單相故障向2相、3相發展。但這種接地方式發生單相接地時，繼電保護動作迅速切除故障，影響了電網繼續供電，對要求連續性生產的產品質量或設備會造成一定的損害。其次要增加電阻器、繼電保護、二次回路等許多設備，在一次年修中完成二套裝置的改造有很大難度。如果安排在二次年修中完成，一旦要求A,B母線聯網，會因接地方式不一致而不能實現。

    (4)改消弧線圈為自動調諧方式

    單一消弧線圈和電阻接地方法都有優點，也有缺點。消弧線圈串電阻接地方式保留了此二種方法的優點，即消弧線圈自動補償作用和電阻的限制過電壓作用;又克服了它們各自存在的缺點，即不會發生諧振，可以帶單相接地故障運行一段時間。這一對策實施簡便，投資又少。

    (5)應對10kV系統按步驟進行立項科研

    解決單臺主變運行時造成整個系統諧振的可能性。否則遇到一臺主變或一路110kV進線電纜事故時整個某軋鋼廠會有全停產的危險。

    武漢凱迪正大電纜試驗產品有：電纜故障測試儀、工頻耐壓試驗裝置、KDXZ電纜專用變頻諧振試驗裝置等，歡迎來電垂詢。