10kV高压电缆故障多次绝缘击穿事故原因分析

某轧钢厂在几年内相继发生了3次10kV电缆绝缘击穿事故，共烧毁电缆33根，涉及面广。每次事故还使主轧机35kV开关跳闸，对某轧钢厂正常生产构成严重威胁。

但是要对某轧钢厂10kV系统进行改造也并非是一件容易的事，所采取的方案必须充分考虑轧钢生产工艺特点、电网结构、供电可靠性、继电保护技术要求、电气设备绝缘水平以及运行经验等，通过技术经济比较，加以确认。下面由专业的电气试验设备厂家武汉凯迪正大电气有限公司为您讲解。

一、10kV系统供电系统简介

某轧钢厂10kV系统是双电源带联络线的幅射式供电方式，电网中性点经消弧线圈接地。正常情况下，两台容量140MVA的主变压器同时供电，下属A,B两段母线分列运行。当1台主变停运时，可由另1台主变通过母联开关向全厂供电。供电线路全部采用ABB公司和国内电缆厂联合生产的YJV6/10kV单芯电缆，截面为240mm2和150mm2种规格，共长176公里，全部敷设在电缆隧道的电缆支架上。

某轧钢厂10kV供电线路单相故障接地电容电流计算值(不包括联络线在内):A段母线为40.37A;B段母线为35.17A。因此某轧钢厂供电网中性点经消弧线圈接地的接地方式是合理的。其最大特点是能提高电网运行的可靠性，适合连轧工艺的要求。它和中性点不接地电网相同，能使电网发生单相接地时相间电压仍然对称，不影响电网继续供电。又因经消弧线圈补偿，电网单相接地时，故障电流很小，不会危及电网各元件的绝缘，可以带着接地故障继续运行。

二、电缆现状

某轧钢厂10kV电网中性点经消弧线圈接地，按德方原设计要求，10kV电缆应能承受短时间单相接地故障的过电压，即带接地故障运行时间每天不超过8小时，每年累计不超过125小时。目前某轧钢厂使用的电缆型号是YJV6/10kV。但设计规程中规定:“……在中性点非直接接地系统，当切除单相接地故障时间不超过1分钟时可取100%相电压(即6kV)。切除单相接地故障时间在1分钟至2小时以内宜取133%相电压(即8.7kV)”。因此，某轧钢厂选取的电缆与德方原设计要求不符，按规定应选用YJV8.7/10kV电缆。

三、消弧线圈

目前，某轧钢厂使用的消弧线圈有6档抽头，不能自动调节。考虑到消弧线圈补偿要求，德方把A段母线主变中性点所接消弧线圈调节在第5档，其补偿电流为48.4A。另一消弧线圈调节在第4档，补偿电流为41.8A,其脱谐度δ=(IL-IC)/IC分别为19.89%和18.85%。消弧线圈虽调节在过补偿运行方式，但是其脱谐度超过了5%～10%规定范围，因此不能有效地抑制单相接地时产生的弧光过电压和谐振过电压。另外，消弧线圈不能自动调节，也即不能自动跟踪补偿，当系统运行方式改变，一旦电网发生单相接地故障时，其过电压情况更为严重，直接危及供电的可靠性。

四、10kV系统存在问题的探讨

1 通过对系统的初步计算分析10kV系统所存在的问题。

(1)某轧钢厂10kV系统的短路容量计算值为SK=447.23MVA,A,B母线段总的无功功率补偿量为QC=49.12Mvar,其特性频率f=SK/QC=3.017Hz,同样说明了该系统如果存在三次谐波并且1台主变运行时，将会在补偿电容器与网络阻抗间出现并联谐振，应予以重视。

(2)某轧钢厂10kVA,B段母线均接5、7、11、13次滤波回路，设计中把35kV、10kV系统无功补偿全部接在10kV系统中，造成10kV系统过补偿，电压过高。为避免电压过高对电气设备的危害，只能将A,B母线的二组13次滤波回路切除。根据对该系统的频率阻抗特性初步演算的结果可知，在1台主变运行，另1台主变停役时，在3，69倍工频下的系统阻抗特别大，即该系统如果存在3次或3的倍数次谐波时，将发生谐振，严重危及10kV系统的安全运行。

(3)某轧钢厂10kV配电网遍及全厂11个电气站，规模很大，同时发生单相接地的次数就多。每次单相接地时，配电网非故障相所有绝缘元件，特别是绝缘水平较低的设备，都要承受较长时间的工频过电压，很容易扩大故障的可能。

2 经过分析，电缆故障有以下几个原因

(1)设计中电缆选型有误，即系统中性点接地方式与电缆绝缘等级配合不符规程。

(2)设计消弧线圈不能随运行方式自动调节，脱谐度不能调节在规定范围内，电缆单相接地时残流大，起弧后不宜熄灭，容易发生较大的燃弧过电压。

(3)通过对电缆作切片试验发现该电缆的结构与制造质量较差，体现在电缆绝缘层偏心太大，并含有杂质、气孔等缺陷，易造成击穿。

(4)以往对电缆作预防性试验时采用直流泄漏试验，直流耐压中所注入的离子可能使电场畸变，导致再加运行电压时更易被击穿。

(5)10kV系统的频率阻抗特性(尤其在1台主变投运时)未选择好，存在3次和3的倍数次谐波时，系统十分脆弱。背景谐波中的3次谐波是较大的，在配电系统和用电设备三相不平衡时，易使系统产生谐振、谐振过电压，更易使电缆和用电设备击穿。

(6)配电网规模太大，发生单相接地的频次相对要多。中性点经消弧线圈接地的配电网，当一相故障接地时，非故障相的所有绝缘元件要承受较长时间的工频过电压，易扩大故障。

(7)35kV主轧机系统欠电压较敏感。机组主传动的同步电源欠电压保护设定值为85%,延时仅为25ms,再加上主变三线圈变压器的35kV与10kV之间阻抗较小，一旦10kV系统发生短路故障，很快造成35kV电压骤然下降，引起35kV开关欠电压跳闸，影响整个厂的生产.

3.应对措施：

(1)更换电缆

选用符合绝缘等级的电缆进行更换，数量多，投资大，并要在电缆隧道内进行，施工的工程量大。基于某轧钢厂供电对生产的重要性，只能对部分重要机组、重要设备的供电电缆进行更换。如果系统不改善，单更换电缆也无法保证今后电缆不发生故障。因此今后采取的措施应该是定期对电缆用0.1Hz低频测试仪进行试验，如无异常则不更换。

(2)对电缆进行预防性试验

已引进0.1Hz低频电缆测试仪，可替代以往进行的直流泄漏试验，变有害试验为无害试验。

(3)改变中性点经消弧线圈接地为经电阻接地方式

10kV配电网发生单相接地故障时，中性点经电阻接地的方式，在一定程度上限制了过电压，能快速切除单相永久性故障，减轻了对线路绝缘的危害，限制了单相故障向2相、3相发展。但这种接地方式发生单相接地时，继电保护动作迅速切除故障，影响了电网继续供电，对要求连续性生产的产品质量或设备会造成一定的损害。其次要增加电阻器、继电保护、二次回路等许多设备，在一次年修中完成二套装置的改造有很大难度。如果安排在二次年修中完成，一旦要求A,B母线联网，会因接地方式不一致而不能实现。

(4)改消弧线圈为自动调谐方式

单一消弧线圈和电阻接地方法都有优点，也有缺点。消弧线圈串电阻接地方式保留了此二种方法的优点，即消弧线圈自动补偿作用和电阻的限制过电压作用;又克服了它们各自存在的缺点，即不会发生谐振，可以带单相接地故障运行一段时间。这一对策实施简便，投资又少。

(5)应对10kV系统按步骤进行立项科研

解决单台主变运行时造成整个系统谐振的可能性。否则遇到一台主变或一路110kV进线电缆事故时整个某轧钢厂会有全停产的危险。

武汉凯迪正大电缆试验产品有：电缆故障测试仪、工频耐压试验装置、KDXZ电缆专用变频谐振试验装置等，欢迎来电垂询。