4-7 主网电缆故障交叉互联系统灭弧接地装置

主网电缆故障交叉互联系统
灭弧接地装置
杨延滨陈平薛强张铭钱华李华春黄鹤鸣李钢
（北京市电力电缆公司邮编100027）
摘要本文介绍了主网电缆故障交叉互联系统灭弧接地装置的作用和组成，并简要叙述了其设计基础和依据。

对国内城市电缆网交叉互联系统的带电检修有很强的借鉴作用。

关键字交叉互联悬浮电压灭弧接地
0引言
在城市电缆网中时常发生因偷窃、人为损坏等原因破坏电缆交叉互联系统完整性的现象，在特定情况下甚至产生危及检修人员人身安全的悬浮电压。

在实际工作中，往往由于电网运行方式的需要和客观条件的限制无法及时予以停电检修，针对这一情况，深入分析了悬浮电压产生的内在原因，并以此为基础开发了一套接地装置，将复杂的问题简单化，借助于单相断路器的灭弧原理运用一系列的技术手段将电容分压对地放电，达到一个等地电位，从而摆脱了高压危险和无法及时停电检修等问题。

1问题的引出
2006年8月，某路金属护层采取交叉互联双端接地方式运行的110kV 电缆B相1＃、2＃电缆接头的交叉互联线被人为破坏，如图1所示。

检修人员带电处缺过程中发现，互联线断口明显放弧，断口间以及断口对电缆支架强烈放电。

这些现象表明，互联线断口电压可能远远高于100V的感应电压限值。

通过分析和计算，我们发现上述互联线故障使得1、2＃接头之间的B相电缆金属护层完全悬空，使导体屏蔽与绝缘屏蔽、金属护套与地（和石墨外电极）形成两个电容值分别为C1、C2的同轴柱形电容，如图2所示,其等效电路图见图3。

金属护层的对地电压U s为C1、C2对线芯电压U0的分压，达到了3121V，远远高出正常的感应电压值，如图4所示[2]。

图1故障交叉互联段示意
图2电缆结构图图3等效电容
图4－1正常情况下金属护套上的感应电压分布
图4－2本次故障下金属护套上的电压分布
2悬浮电压的危害
在上述故障下出现的悬浮电压将会对运行电缆带来以下危害：
①电缆外护套击穿
运行时间较长的电缆，其外护套绝缘性能劣化严重，在数千伏甚至上万伏的悬浮电压下可能发生多处击穿，其击穿过程类似于电容的瞬时放电：在绝缘厚度较薄能够瞬时击穿的情况下，放电将在几十微秒内完成；而对于绝缘厚度较厚，放电完成后击穿通道可以恢复绝缘性能的，金属护套将重新充电，进而反复对地放电，造成放电点电缆局部温度快速升高。

②互联线断口对低电位放电损毁其它运行电缆
隧道内往往包含多路运行电缆，互联线断口间或断口对支架不停放电会产生很高的瞬时温度，不仅损毁支架，还会伤害到距离很近的其它运行电缆，尤其在临近油纸和充油电缆时，甚至会引起隧道火灾，造成大规模停电事故。

③检修困难
正如前文所述，产生悬浮电压的互联线故障后，只能采取停电检修的方式，这将大大影响主网电缆运行的可靠性，即使是已经击穿断口电压接近等地电位，带电检修也带有很高的危险性。

3解决思路
对于上述问题，有如下两种解决思路：
1、将故障线路申请停电，彻底消除产生悬浮电压的根源。

2、带电检修，其中最快捷的处理方法是立即将悬浮金属护层单端接地，消除悬浮电压，暂时
将金属护层单端接地运行，然后停电或带电恢复为交叉互联双端接地方式。

上述两个解决方案各有特色，从安全角度来说第1种方案最为理想，但由于受客观条件的限制，频繁申请重要线路的临时停电是不现实的，即使能够申请也会大大增加前期的工作量。

相比较而言第2种方案更为简单灵活，但如果直接用接地线接地，瞬时放电电流很大，容易形成弧光放电，危及操作人员安全。

我们通过借鉴高压线路上断路器的灭弧原理解决了这个问题，与厂家合作对断路器进行改造，使其满足安全与便携使用的要求，从而使得第2种方案成为可行。

以下就方案2的设计进行论证和说明。

4灭弧接地装置的设计
4.1灭弧接地装置的设计目的
灭弧接地装置设计的初衷是通过灭弧接地消除因交叉互联系统故障导致某个互联段电缆的金属护套上产生悬浮高压，这样做的目地在于
a. 有利于减少不必要的非计划停电。

b. 防止检修工作中高电压弧光放电对人员造成伤害。

c. 有利于缩短事故抢修的时间。

4.2灭弧接地装置的组成
装置的组成见表1。

表1 灭弧接地装置的组成
序号 组件名称 数量 电压等级（千伏）
1 接地钳 1个 －
2 单相断路器 1个 6kV 3
导流线
3条
10kA
以系列图5说明该灭弧接地装置的组合设计思路：
接地钳
图5a 用接地钳将带悬浮高压的互联线与开闸的断路器连接
接地钳
图5b 合上断路器灭弧接地
接地钳
图5c将已经等地电位的交叉互联线牢固接地开始检修
4.3接地钳的设计
4.3.1在灭弧接地的过程中，首先要能够安全可靠的将金属护套上的高压引至断路器高压侧。

考虑到交叉互联系统被盗后的实际情况，我们设计了通过两个尖齿嵌入断头互连线，然后通过导流线连到断路器高压侧的接地钳，如图6所示。

4.3.2接地钳的可靠性设计
该接地装置首先通过接地钳与带着悬浮高压的互联线断头相连，为了保证人身和设备安全，在设计中尤其要对以下两个方面进行重点考虑。

1、接地钳的绝缘手柄能够经受最为恶劣情况下的悬浮高压，并留出一定裕度。

在这里我们采用10kV绝缘闸杆的绝缘手柄作为接地钳的手柄，较好的满足了以上要求。

2、接地钳的尖刺与互联线断头接触良好。

我们要保证在不同规格的互联线下，尖刺均可以轻松刺入互联线断头并与之接触密实。

为了达到这个要求，可以从两个方面采取措施：一是增加接地钳手柄的长度，由力矩平衡可知，在接地钳前端活动部分长度一定的情况下，手柄的长度越长，压迫手柄传递到尖刺上的压力越大，从而保证尖刺轻易刺破互联线绝缘，与线芯接密实；二是减小尖刺锥度，以减少刺入线芯过程中遇到的摩擦。

为了检验上述措施切实可行，我们对退运的150、185、240以及300的互联线分别进行了试验，通过用万用表测量互联线线芯与接地钳金属部分间的电阻来判断尖刺与线芯的接触是否密实，并对设计中采用的参数值进行了修正。

除此之外，我们在接地钳的设计中还增加了抱紧装置，保证接地钳闭合时的稳定性。

接地钳的最终图形如图7所示。

图7接地钳实物图
4.4断路器的设计
断路器承担对瞬时大电流进行灭弧的作用。

因此，其额定电压、额定电流以及额定短路关合电流均应满足实际需要。

根据表1的计算结果，我们需满足如下几个要求。

1、断路器额定电压≤6kV，额定电流≤400A。

2、断路器要有良好的闭合灭弧功能，满足对瞬时电压和冲击电流的承载能力。

3、断路器合分闸操作简单，体积小、重量轻，尤其是要能够从井口放下，便于隧道环境内使用。

4、断路器操作安全可靠，带有闭合通路指示器。

基于此，经过与无锡创明传动公司的共同研究，我们将用于高压开关柜中的ZNL1D-6/400－12.5三相断路器改装成单相断路器，并去除了电动机械装置，大大减小了体积和重量，使其适合现场需要，并通过了出厂检验。

具体参数见表2。

表2断路器的技术参数
图8断路器的实物图
4.5灭弧接地装置的连接
灭弧接地装置通过接地钳和灭弧断路器的连接发挥作用。

接地钳通过钳头上的导流线与断路器的高压导板可靠连接，断路器的低压导板通过接地线与隧道内的接地网连接起来，从而形成一个对地放电回路。

实际操作时需要将断路器外壳也保护接地。

使用时首先将断路器低压导板可靠接地，将接地钳头上的导流线与断路器的高压导板可靠连接，然后由一名检修人员手戴绝缘手套用接地钳与互联线断头卡死固定，通过操作断路器的弹簧蓄力操作杆将断路器的上下导板瞬时导通，从而完成对地放电，消除互联线断口上的悬浮电容高压。

放电完成后需用万用表测量互联线断口处的对地电压，确定密实接地后包出部分互联线芯用地线进行永久接地。

具体连接见图9所示。

图9灭弧接地装置的连接实物图
5灭弧接地装置的现场应用
主网电缆故障交叉互联系统灭弧接地装置在北京主网电缆交叉互联线路的检修工作中发挥了很大作用，解决了很多具有感应高压或悬浮电容分压的互联线带电检修问题。

通过工程实践证明了这套系统的实用性和可靠性。

检修主网电缆故障交叉互联系统时使用灭弧接地装置的现场见图10：
图10公会电缆线路使用现场
故障分析与反措6结论
该套装置的使用消除了带电检修故障交叉互联系统的危险，缩短了特殊条件下因申请停电延长的施工时间，解决了当前修补交叉互联线时存在的种种问题，使原来不可能的带电检修成为可能。

我们的实践在国内电缆行业起到了带头的作用，增加了我国主网电缆的日常运行检修经验。

今后北京、上海、广州及其他城市电缆网再出现类似问题将会有据可依，在减少此类故障对社会的不良影响方面起到了一定的作用。

参考文献
[1]IEC60859 1998
[2]单芯电缆悬浮金属护套电压分析黄鹤鸣
[3]L.Heinhold，R.Stubbe（Hrsg）.电力电缆及电线.北京：中国电力出版社，2001
[4]王伟，李云财等.交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆.西安：西北工业大学出版社，1998
作者简介
杨延滨（1981-），男，工学硕士，助理工程师，从事高压电缆检修工作。

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