10kV电缆多次绝缘击穿事故分析

某轧钢厂在1989年6月10日、1994年9月16日和1996年6月19日，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。

本文针对这些情况，结合某轧钢厂10kV系统采用的电缆、中性点接地方式以及系统运行情况加以分析，提出一些看法供参考。

1 某轧钢厂10kV系统现状

1.1 10kV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。

长期以来按照规程规定，我国10kV配电网的中性点一般均采用不接地或经消弧线圈接地的运行方式。近年来，由于城市电网迅速发展，电缆线路逐渐增多，加上一些地区和旧城网仍采用一些低绝缘水平的电力电缆等设备，一些供电部门尝试将电网中性点改为低电阻接地方式。按照《电力设备过电压保护设计技术规程》(SD-FJ-79)规定，单相接地故障电流超过30A,应装设消弧圈接地，否则单相接地时不能自动消弧。

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。

1.2 电缆

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。

1.3 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。

1.4 10kV系统存在问题的探讨

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。

(2)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。

(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 电缆故障原因

(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)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。

(3)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。

(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)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。

(6)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。

(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 对策措施

面对某轧钢厂电缆事故及其影响，提出对策措施的迫切性和重要性是毋庸置疑的，但它必定是一项系统工程，涉及到生产工艺对系统的要求、系统本身的稳定性、供电的可靠性、继保技术、施工难度以及经济投入等诸方面因素。可有以下几种方案:

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(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。

4 结束语

某轧钢厂电缆事故引发上述对10kV供电系统存在问题的思考。本文提出的第3种对策措施已在年修中实施，既未影响某轧钢厂正常生产，又不违反原设计中生产工艺对供电的要求。第5种措施很重要，并已掌握了部分数据，如果科研改造完成，将会对某轧钢厂10kV系统稳定运行起着相当大的作用。