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(nèi)相繼發(fā)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(jī)35kV開關(guān)跳閘，對(duì)某軋鋼廠正常生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

但是要對(duì)某軋鋼廠10kV系統(tǒng)進(jìn)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(chǎn)工藝特點(diǎn)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、供電可靠性、繼電保護(hù)技術(shù)要求、電氣設(shè)備絕緣水平以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，加以確認(rèn)。下面由專業(yè)的電氣試驗(yàn)設(shè)備廠家武漢凱迪正大電氣有限公司為您講解。

一、10kV系統(tǒng)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    某軋鋼廠10kV系統(tǒng)是雙電源帶聯(lián)絡(luò)線的幅射式供電方式，電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。正常情況下，兩臺(tái)容量140MVA的主變壓器同時(shí)供電，下屬A,B兩段母線分列運(yùn)行。當(dāng)1臺(tái)主變停運(yùn)時(shí)，可由另1臺(tái)主變通過母聯(lián)開關(guān)向全廠供電。供電線路全部采用ABB公司和國(guó)內(nèi)電纜廠聯(lián)合生產(chǎn)的YJV6/10kV單芯電纜，截面為240mm2和150mm2種規(guī)格，共長(zhǎng)176公里，全部敷設(shè)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(jì)算值(不包括聯(lián)絡(luò)線在內(nèi)):A段母線為40.37A;B段母線為35.17A。因此某軋鋼廠供電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的接地方式是合理的。其最大特點(diǎn)是能提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，適合連軋工藝的要求。它和中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)相同，能使電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)相間電壓仍然對(duì)稱，不影響電網(wǎng)繼續(xù)供電。又因經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償，電網(wǎng)單相接地時(shí)，故障電流很小，不會(huì)危及電網(wǎng)各元件的絕緣，可以帶著接地故障繼續(xù)運(yùn)行。

二、電纜現(xiàn)狀

某軋鋼廠10kV電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，按德方原設(shè)計(jì)要求，10kV電纜應(yīng)能承受短時(shí)間單相接地故障的過電壓，即帶接地故障運(yùn)行時(shí)間每天不超過8小時(shí)，每年累計(jì)不超過125小時(shí)。目前某軋鋼廠使用的電纜型號(hào)是YJV6/10kV。但設(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定:“……在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，當(dāng)切除單相接地故障時(shí)間不超過1分鐘時(shí)可取100%相電壓(即6kV)。切除單相接地故障時(shí)間在1分鐘至2小時(shí)以內(nèi)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(shè)計(jì)要求不符，按規(guī)定應(yīng)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(dòng)調(diào)節(jié)。考慮到消弧線圈補(bǔ)償要求，德方把A段母線主變中性點(diǎn)所接消弧線圈調(diào)節(jié)在第5檔，其補(bǔ)償電流為48.4A。另一消弧線圈調(diào)節(jié)在第4檔，補(bǔ)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(diào)節(jié)在過補(bǔ)償運(yùn)行方式，但是其脫諧度超過了5%～10%規(guī)定范圍，因此不能有效地抑制單相接地時(shí)產(chǎn)生的弧光過電壓和諧振過電壓。另外，消弧線圈不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，也即不能自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式改變，一旦電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其過電壓情況更為嚴(yán)重，直接危及供電的可靠性。

四、10kV系統(tǒng)存在問題的探討

   1 通過對(duì)系統(tǒng)的初步計(jì)算分析10kV系統(tǒng)所存在的問題。

    (1)某軋鋼廠10kV系統(tǒng)的短路容量計(jì)算值為SK=447.23MVA,A,B母線段總的無功功率補(bǔ)償量為QC=49.12Mvar,其特性頻率f=SK/QC=3.017Hz,同樣說明了該系統(tǒng)如果存在三次諧波并且1臺(tái)主變運(yùn)行時(shí)，將會(huì)在補(bǔ)償電容器與網(wǎng)絡(luò)阻抗間出現(xiàn)并聯(lián)諧振，應(yīng)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(shè)計(jì)中把35kV、10kV系統(tǒng)無功補(bǔ)償全部接在10kV系統(tǒng)中，造成10kV系統(tǒng)過補(bǔ)償，電壓過高。為避免電壓過高對(duì)電氣設(shè)備的危害，只能將A,B母線的二組13次濾波回路切除。根據(jù)對(duì)該系統(tǒng)的頻率阻抗特性初步演算的結(jié)果可知，在1臺(tái)主變運(yùn)行，另1臺(tái)主變停役時(shí)，在3，69倍工頻下的系統(tǒng)阻抗特別大，即該系統(tǒng)如果存在3次或3的倍數(shù)次諧波時(shí)，將發(fā)生諧振，嚴(yán)重危及10kV系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

    (3)某軋鋼廠10kV配電網(wǎng)遍及全廠11個(gè)電氣站，規(guī)模很大，同時(shí)發(fā)生單相接地的次數(shù)就多。每次單相接地時(shí)，配電網(wǎng)非故障相所有絕緣元件，特別是絕緣水平較低的設(shè)備，都要承受較長(zhǎng)時(shí)間的工頻過電壓，很容易擴(kuò)大故障的可能。

    2 經(jīng)過分析，電纜故障有以下幾個(gè)原因

    (1)設(shè)計(jì)中電纜選型有誤，即系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式與電纜絕緣等級(jí)配合不符規(guī)程。

    (2)設(shè)計(jì)消弧線圈不能隨運(yùn)行方式自動(dòng)調(diào)節(jié)，脫諧度不能調(diào)節(jié)在規(guī)定范圍內(nèi)，電纜單相接地時(shí)殘流大，起弧后不宜熄滅，容易發(fā)生較大的燃弧過電壓。

    (3)通過對(duì)電纜作切片試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該電纜的結(jié)構(gòu)與制造質(zhì)量較差，體現(xiàn)在電纜絕緣層偏心太大，并含有雜質(zhì)、氣孔等缺陷，易造成擊穿。

    (4)以往對(duì)電纜作預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)采用直流泄漏試驗(yàn)，直流耐壓中所注入的離子可能使電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致再加運(yùn)行電壓時(shí)更易被擊穿。

    (5)10kV系統(tǒng)的頻率阻抗特性(尤其在1臺(tái)主變投運(yùn)時(shí))未選擇好，存在3次和3的倍數(shù)次諧波時(shí)，系統(tǒng)十分脆弱。背景諧波中的3次諧波是較大的，在配電系統(tǒng)和用電設(shè)備三相不平衡時(shí)，易使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振、諧振過電壓，更易使電纜和用電設(shè)備擊穿。

    (6)配電網(wǎng)規(guī)模太大，發(fā)生單相接地的頻次相對(duì)要多。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)，當(dāng)一相故障接地時(shí)，非故障相的所有絕緣元件要承受較長(zhǎng)時(shí)間的工頻過電壓，易擴(kuò)大故障。

    (7)35kV主軋機(jī)系統(tǒng)欠電壓較敏感。機(jī)組主傳動(dòng)的同步電源欠電壓保護(hù)設(shè)定值為85%,延時(shí)僅為25ms,再加上主變?nèi)€圈變壓器的35kV與10kV之間阻抗較小，一旦10kV系統(tǒng)發(fā)生短路故障，很快造成35kV電壓驟然下降，引起35kV開關(guān)欠電壓跳閘，影響整個(gè)廠的生產(chǎn).

    3.應(yīng)對(duì)措施：

    (1)更換電纜

    選用符合絕緣等級(jí)的電纜進(jìn)行更換，數(shù)量多，投資大，并要在電纜隧道內(nèi)進(jìn)行，施工的工程量大。基于某軋鋼廠供電對(duì)生產(chǎn)的重要性，只能對(duì)部分重要機(jī)組、重要設(shè)備的供電電纜進(jìn)行更換。如果系統(tǒng)不改善，單更換電纜也無法保證今后電纜不發(fā)生故障。因此今后采取的措施應(yīng)該是定期對(duì)電纜用0.1Hz低頻測(cè)試儀進(jìn)行試驗(yàn)，如無異常則不更換。

    (2)對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)

    已引進(jìn)0.1Hz低頻電纜測(cè)試儀，可替代以往進(jìn)行的直流泄漏試驗(yàn)，變有害試驗(yàn)為無害試驗(yàn)。

    (3)改變中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地為經(jīng)電阻接地方式

    10kV配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)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(duì)線路絕緣的危害，限制了單相故障向2相、3相發(fā)展。但這種接地方式發(fā)生單相接地時(shí)，繼電保護(hù)動(dòng)作迅速切除故障，影響了電網(wǎng)繼續(xù)供電，對(duì)要求連續(xù)性生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量或設(shè)備會(huì)造成一定的損害。其次要增加電阻器、繼電保護(hù)、二次回路等許多設(shè)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(lián)網(wǎng)，會(huì)因接地方式不一致而不能實(shí)現(xiàn)。

    (4)改消弧線圈為自動(dòng)調(diào)諧方式

    單一消弧線圈和電阻接地方法都有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。消弧線圈串電阻接地方式保留了此二種方法的優(yōu)點(diǎn)，即消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)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(diǎn)，即不會(huì)發(fā)生諧振，可以帶單相接地故障運(yùn)行一段時(shí)間。這一對(duì)策實(shí)施簡(jiǎn)便，投資又少。

    (5)應(yīng)對(duì)10kV系統(tǒng)按步驟進(jìn)行立項(xiàng)科研

    解決單臺(tái)主變運(yùn)行時(shí)造成整個(gè)系統(tǒng)諧振的可能性。否則遇到一臺(tái)主變或一路110kV進(jìn)線電纜事故時(shí)整個(gè)某軋鋼廠會(huì)有全停產(chǎn)的危險(xiǎn)。

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