摘要：高压电缆以其良好的供电稳定性、美观性以及广泛的适用性而在供电系统中得到了普及，实际施工时常见接地电流高压橄榄交叉故障，影响系统安全。本文对常用的110kV XLPE高压电缆互联故障进行分析，总结受多种因素影响下高压电缆交叉互联故障时的电流变化特点，以期为高压电缆故障的检测与修复提供理论依据。
关键词：高压电缆；交叉互联；故障
高压电缆的铺设过程中常将电缆交叉互联箱里的高压电缆的金属护套进行交叉互联以尽可能减少金属护套的感应电压。但实际铺设过程中，受铺设环境影响，高压电缆的金属护套常由互联箱进水、受潮等因素影响导致互联效果不理想，加大系统安全事故的发生可能。因此对接地电流高压电缆交叉互联故障的原因及故障时电流表现进行分析就显得尤为重要。
一、单芯电缆特点与原理分析
1、单芯电缆特点
一个绝缘层内只有一路导体的电缆被称为单芯电缆。电缆金属护套与电缆线芯可以被认为空心变压器：这个空心变压器的二次侧绕组是电缆的金属护套，变压器的一次侧绕组则是电缆的线芯。交变电流通过线芯时，电磁感应下线芯周围产生交变磁场，交变磁场内的金属护套产生感应电流。10kV及以上的电缆被称为高压电缆，66kV及以上按规定使用单芯电缆，高压电缆线芯仅有单相电流通过，金属护套周围的感应电压与电压与电缆长度成正比，电压越高、电缆程度越高则感应电压越高，感应电压过高时击穿电缆外绝缘导致安全事故。
2、交叉互联原理与方式
交叉互联接地将护套分为三段，通过各小段连接处的金属互层换位交叉连接对总三相感应电压进行中和。操作方式为A相的尾部连接于B相头部，B相尾部连接C相头部，C相尾部连接A相头部，绝缘接头设置接地保护器。
二、接地电流高压电缆交叉互联故障原因分析
1、交叉互联换位故障
大段电缆中的小段交叉环位时，换位设置不正确，使小段金属护套中存在两段甚至三段金属护套的电流方向一致，电流方向一致而无法中和产生电流，换位失败产生接地电流。
2、电缆护套直接导地
正常情况下，电缆外绝缘未受破坏，由于空气的介电常数极大的缘故，周围环境与电缆金属护套的空气杂散电容极小，接近于零，因此无对地电容电流。电缆外绝缘受损导致电缆金属护套直接导地，金属护套可认为是零电位，电缆线芯作用导致金属护套产生的电容电流通过金属护套导地，交叉互联结构中缺失一段感应电流导致交叉互联失败。
3、单相短路
电缆单相短路包括由站内线路短路或电缆引出的架空线短路与电缆主绝缘被击穿后导致电缆交叉互联段发生的单项短路，就维修难度、影响程度而言，后者危害更大。由站内线路短路或电缆引出的架空线短路发生时，短路导致故障相电缆线芯内电流突然增加至数倍甚至数十倍，而另外两相的电流变化差异不明显，三段交叉互联成为两端交叉互联导致交叉互联失去作用，接地电流加大。电缆主绝缘被击穿时，电缆线芯电流直接导向地面，电缆线芯中电流极大的缘故导致金属护套的接地电流急剧增大，进而导致金属护套温度迅速上升，功率损耗加大导致电缆外绝缘被击穿[1]。
4、电缆分段不均
理论层面上，保持电缆分段长度相等能确保各金属护套的相位差为120°而中和电位差。但实际应用时，难以确保电缆平均分段，电缆分段长度差异较小时，金属护套的电压向量合成为较小电压而不认为有危险；当电缆分段严重不均时，金属护套的电压向量合成电压较大，两端接地后，金属护套形成环流较大[2]。
5、外力因素导致交叉互联箱故障
交叉互联箱多设置于地面，易于受到外力影响，受外力影响导致交叉互联箱被破坏时，对交叉互联结构造成影响而导致中和失败，产生电流。交叉互联箱进水或受潮时，类似于电缆金属护套两端直接接地，产生电流[3]。
6、电缆排列方式差异
电缆排列不统一，如在三角、垂直等排列形式中不断切换导致电缆分段不均匀，产生较大接地电流。
三、接地电流高压电缆交叉互联故障建模分析
实验模型选择当前应用广泛的单芯电缆，选取长度为900m的电缆，将其均分为3段300m的小段，经Bergeron模型建模。
1、正常运行时仿真图
对建立好的模型进行仿真，设定仿真时间0.1s，仿真步长为10-6s，将金属护套两端的接地电阻设置为0.1Ω，进行仿真软件的运行以得出正常运行时的电流仿真图，具体图1。
图1 正常情况下仿真图
从图1可见，正常情况下，即交叉互联系统无故障时，各小段金属护套产生的感应电流经相互中和而产生的接地电流较小，可以认为出于安装状态。
2、不同情况下仿真图
2.1单相故障
将故障发生的时间设置为0.04s，1号交叉互联箱单相接地时，接地电流仿真图如图2。
图2 1号交叉互联箱单相互联故障时仿真图
从图2可见，1号交叉互连箱单相接地时，其余2相交叉互联结构未受破坏，接地电流的相位变化不明显，仅存在一定增幅；接地相的金属护套接地电流的相位与增幅均变化明显。
2.2双相交联失败
将故障发生的时间设置为0.04s，1号交叉互联箱双相接地时，接地电流仿真图如图3。
图3 两相接地时仿真图
从图3可见，0.04s两相接地时，两故障相的接地电流存在明显变化，相位与正常运行时变化显著，与正常时相位相比相差180°；电流则由3A左右增加到18A,同样变化显著；但未出正常相的电流、相位等变化均不明显。
2.3三相故障
将故障发生的时间设置为0.04s，1号交叉互联箱三相接地时，接地电流仿真图如图4。
图4 三相故障时接地电流示意图
图5 交叉接线错误时接地电流仿真图
从图4可见，0.04s三相交叉互联同时故障时，金属护套的接地电流均迅速增加，最高达到30A以上，其电流变化均大于单相故障与双相故障时的电流变化。
2.4接线错误
从0.00s开始，设置接线错误时间为0.10s，故障方式设置为交叉接线错误，模拟交叉接线错误时金属护套的接地电流变化情况，如图5。
从图5可见，交叉接线错误时的电流变化与金属护套接地故障变化情况不同，其电流变化值达到52.5A以上，远高于金属护套接地时的电流变化值。分析原因为某小段金属护套接地故障时，故障相的感应电流由于接地的缘故不被叠加到最终检测接地电流上；但交叉接线错误时，三个小段的金属护套的感应电流无法被中和，其产生的所有感应电流都会被叠加至最终检测的接地电流中，因此其幅值变化更明显。
3、建模分析结论
结合2.1、2.2、2.3、2.4的结论可得出以下变化趋势。
结束语
高压电缆的接地电流变化受较多因素影响，受环境影响、多回路电缆同沟敷设等外界因素会对检测数值产生一定影响而导致检测数值发生一定变化，但可以通过电流数值变化幅度进行故障原因的确定。本文对接地电流高压电缆交叉互联故障的原因进行分析，并通过软件建模分析发生故障时的电流变化规律，为新电缆工程的验收、老旧电缆的改造及发生电缆故障时的检测均提供了理论依据与技术支持。
参考文献
[1]陈朝晖.基于接地电流高压电缆系统交叉互联故障分析[J].中国新技术新产品,2017(22):30-32.
[2]唐忠,杨建.交叉互联电缆行波故障测距的研究[J].电测与仪表,2016,53(05):64-69+79.
[3]杨静,朱晓岭,董翔,等.基于护层电流的高压电缆故障在线监测和诊断[J].高电压技术,2016,42(11):3616-3625.
论文作者:周振跃
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/11
标签：护套论文; 电缆论文; 电流论文; 互联论文; 故障论文; 金属论文; 高压论文; 《电力设备》2018年第18期论文;