高压单芯电缆外护套烧毁原因分析
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【摘 要】高压单芯电缆在未能进行有效接地时，金属护套会产生悬浮电压，对电缆造成严重危害。介绍了不同情况下悬浮电压的计算方法，提出预防悬浮电压的相应措施。
【关键词】高压单芯电缆；接地；电容分压；悬浮电压；外护套
随着我国社会经济的发展，城市建设的步伐加快，用电负荷也快速增加高压、超高压交联电缆正被越来越广泛的使用。但是目前国内高压交联电缆通常采用单芯电缆，在电缆的安装使用过程中亦发现不少问题，本文对一起110kV电缆在进行交接验收试验时外护套烧毁事故进行原因分析。
1 事故概况
2011年9月，河北省某码头110kV电缆进线工程，该电缆型号规格YJLW03―64/110kV―1*630mm2，双回路，穿管敷设，每回长度约1500米，分三段做中间接头，每段电缆长度约500米，均采用交叉互联接地。电缆敷设安装结束按要求进行交接试验，试验单位为某供电局修试所。试验过程中，将两个回路中C相电缆并联进行交流耐压试验，电压升到128kV并持续约15分钟时，现场人员发现1#接头井、2#接头井内冒出大量烟雾，随即停止试验。经检查，发现1#、2#接头井内多根电缆外护套不同程度烧毁，其中两个C相电缆大约2米长度外护套几乎全部烧光，与之相邻几根电缆由于被引燃，也存在不同程度的烧毁情况。同时在该电缆线路其他检修井内也发现两根C相电缆外护套表面有多个击穿点。
图1
2 原因分析
2.1 高压电缆结构
由于高压电缆导体截面大，绝缘层较厚，如果成缆后再加上填充及外护套，电缆整体外径及重量会非常大，不利于生产加工及运输，施工难度也会很大，故国内高压电缆普遍采用单芯结构，其主要构成包括导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、缓冲阻水带、皱纹铝护套、非金属外护套（表面含半导电层），如图2所示
图2
2.2 高压电缆的接地方式
由图2可知，高压单芯电缆结构中，绝缘线芯外包覆有皱纹铝护套，铝护套一方面起径向阻水作用，另一方面在电缆正常运行时通过电容电流，当系统发生短路故障时为故障电流提供了回流通路。由于单芯高压电缆的特殊结构，当导体通过交变电流时，其产生的交变磁场与金属护套交链，在金属护套上会产生感应电压。该感应电压与电缆的长度、导体负荷电流、频率成正比关系，感应电压过高不仅会危及到人身的安全，还可能会击穿外护套绝缘。故此GB50127―2007《电力工程电缆设计规范》明确规定：交流单芯电缆线路正常感应电动势的最大值在未采取有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，不得大于50V，其余情况不得大于300V。
为降低金属护套的感应电压，满足规范要求，同时避免单芯电缆金属护套两端接地时产生环流，不仅需要根据GB/T11017―2002《额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》及GB/Z18890―2002《额定电压220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》标准要求，敷设后电缆外护套需通过直流10kV/1分钟耐压试验，而且根据实际情况来合理选择不同的接地方式，通常有单端接地、中间接地、交叉互联接地。
2.3 高压电缆的悬浮电压
由2.2可知，高压单芯电缆导体通过交变电流时，如果选择正确的接地方式后，金属护套对地感应电压很低，最高不超过300V。但是一旦高压单芯电缆金属护套未接地或接地方式被破坏，造成金属护套两端出现未接地现象，金属护套对地的感应电压就会改变为极高的悬浮电压，引发事故。
2.3.1 悬浮电压的计算
电缆本身是容性负载，导体与金属护套（或金属屏蔽）可以看作电容的两个极。高压单芯电缆外护套表面均包含有半导电层，其主要作为电缆外护套绝缘试验的一个电极，电缆敷设安装后，其外护套表面半导电层与地（金属支架等）产生良好接触时，如果电缆金属护套不接地，此时导体与金属护套间、金属护套与地间形成一个串联的电容分压器，假设导体与金属护套间电容为Ca，金属护套与地之间电容为Cb，如果导体上施加电压为U，则金属护套上会产生Ca、Cb对U的分压U悬浮，且每一点的电位相等，即悬浮电压U悬浮。于是有
（式1）
式1计算公式。另外电缆外护套表面半导电层由于种种原因与地（金属支架）未接触或接触不良时，如果电缆金属护套不接地，此时除了Ca、Cb外，还有金属护套与地及周围环境之间的空气杂散电容C空，则金属护套上产生Ca、Cb、C空对U的分压U悬浮1，此时Cb、C空
（式2）
串联后再与Ca串联分压，如果将Cb、C空串联后的电容看作Cx，于是有式2计算公式。式1中Ca、Cb根据厂家提供电缆结构参数，由电缆电容计算公式式3求取，此时电容是定量，悬浮电压主要与导体施加电压成正比。式2中Cx的计算需要根据电缆敷设现场实际空间求取C空，此时电容是变量，计算比较复杂，而且C空与Cb串联后电容变小，式2条件下计算出的悬浮电压数值要比式1条件下高。式3中，Di为电缆外径，Dc为导体外径。
（式3）
2.4 事故原因
现场调查得知，该电缆线路设计为交叉互联接地，电缆试验标准依据为GB50150―2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》，试验电压128kV，时间60分钟，谐振频率为20―300HZ。现场勘查发现，电缆接头井与检修井中电缆均放在金属支架上，但是外护套未能与金属支架良好接触，电缆线路两个终端的铝护套均良好接地，但是1#、2#接头井内电缆中间接头铝护套引出端未能与交叉互联箱进行联接，导致电缆线路在耐压试验过程中，1#接头井至2#接头井中间段电缆铝护套未接地，产生悬浮电压。假设该电缆敷设后，外护套半导电层与地（金属支架等）良好接触，此时该中间段电缆铝护套上产生的悬浮电压按照式1来计算，根据厂家提供电缆参数得知，导体与金属护套间电容为0.219μF/km，电缆外径为98.2mm，铝护套厚度为2mm，外护套厚度为4.5mm，真空介电常数ε0=8.86×10-3μF/km，外护套材料为聚乙烯的相对介电常数ε=2.3。根据式3则有Cb=6.28×8.86×10-3μF/km×2.3÷ln（98.2÷89.2）=1.331μF/km。如L为电缆实际长度，根据式1则有
而现场实际情况是电缆外护套半导电层未能与地（金属支架等）良好接触，则有U悬浮1产生，根据式2可知，由于Cx变小，故U悬浮1要几倍于18.08kV，由于C空与电缆实际使用空间有关，C空的取值越小，则U悬浮1越大。该金属护套上产生的U悬浮1已经远远超过外护套耐压试验所要求的10kV电压，过高的电压导致外护套击穿。外护套击穿后，由于电缆外护套半导电层未能与地良好接触，金属护套会对地进行放电，因此时电缆导体上仍然施加有电压，使得金属护套不断对地进行放电，并通过电缆外护套表面半导电层爬电连通到距离最近的接地电阻较小的金属支架或其他固定金具等有效接地点，产生弧光放电，导致电缆外护套起火燃烧，加上外护套采用的是易燃的聚乙烯材料，加大火势并引燃了临近电缆。发现情况后虽经及时处理，亦造成了多根电缆烧毁，只能进行更换，结果损失惨重。
3 预防措施
鉴于悬浮电压的危害性，故高压单芯电缆在进行交接试验或通电投运前，必须对电缆金属护套（金属屏蔽）的接地情况进行认真检查，并确保接地牢靠。另外由于铝芯电缆端子容易氧化，会导致端头接触电阻变大，应避免使用铝芯电缆作为接地线。
高压单芯电缆进行交接试验时，由于未带负荷，此时导体承载电流很小，即使金属护套（金属屏蔽）两端接地，环流亦可忽略不计。为确保试验时电缆金属护套接地，对采用单端接地或中间接地方式的线路，最好将电缆两端金属护套全部接地进行试验。对于采用交叉互联方式接地的线路，必须对整个线路认真检查，确保所有交叉互联箱、接地箱的正常连接后，方可进行试验。试验期间，派专人对试验电缆线路进行查看，发现异常情况，及时处理，避免发生事故。
电缆通电运行后，要经常对线路进行巡视检查，避免接地箱被盗或破坏后产生悬浮电压。如果发现电缆出现完全悬空状态，应立即停电进行处理，未停电时严禁直接用接地线接地来消除悬浮电压，除非有特殊保护装置才能临时处理，但是在停电后，亦必须按照原线路接地方式进行恢复。
参考文献：
[1]卓金玉.电力电缆设计原理[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2]GB 50217―2007，电力工程电缆设计规范[S].
[3]GB/T 11017―2002，额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件[S].
作者简介：
程占福（1971―），男，远东电缆有限公司，主要从事高压及超高压电缆试验及线路故障处理等工作。