交流单芯海底电缆接地回路电阻对金属护套电流分布特性的影响

黄烜城， 雷志城*， 梅 睿， 徐拥军， 李 雷， 吴 锴

(1.江苏方天电力技术有限公司， 南京 211100；

2.中天科技海缆有限公司， 南通 226400；
3.西安交通大学 电气工程学院， 西安 710048)

能源转型是世界能源技术发展的趋势，而新能源和可再生能源是推动未来能源转型的关键[1-5]。随着海上风电技术的兴起，海底电缆线路的里程日渐增加，海底电缆的运行性能也成为研究热点[6-9]。长距离的陆缆通常会采用交叉互联等方式降低金属护套的感应电压和感应电流[10]，但海底电缆受敷设环境限制，无法采用交叉互联、本体换位等接地措施抑制感应电流、电压[11]。目前，国内海缆接地相关的研究主要集中在接地方式对海缆载流量和运行损耗的影响上，并未关注海底电缆终端接地附件结构不适对海缆绝缘性能的影响[12-16]。

本工作通过一起220 kV海缆终端因接地附件固定连接结构局部过热，进而引发过热部位电缆主绝缘击穿的事故案例，采用ATP-EMTP电磁暂态模拟软件，研究海缆金属护套与铠装在接地结构处存在接触不良时的电压、电流分布和损耗，并提出保障海缆接地结构层间分流比例、减少金属护套侧接地电流等改善措施，为类似海缆线路工程接地结构的改进及接地附件的选择提供工程指导。

1.1 事故描述

2020年2月18日，某风电厂海缆线路发生保护动作，检查后发现海上升压站气体绝缘金属封装开关设备(GIS)室220 kV海缆进线B相铅合金护套接地结构处有焦糊现象，外部破损，海缆故障部件样品见图1。

图1 海缆故障部件样品

事故发生的部位见图1(a)，事故点位于接地抱箍接地线压接位置的正下方，击穿部位与接地结构螺栓紧固接触部位呈上下垂直关系，见图1(b)；
图1(c)为更换损坏零部件后，陆上侧海缆护套接地结构的红外热成像图，此时该接地结构件与接地线缆线鼻子连接处的最高运行温度为50.2 ℃，远高于环境温度，与图1(b)处于同一位置。同时，对发生事故的铅合金护套接地结构进行检查，确认接地螺栓连接紧固，无松脱迹象，推测事故是由于海缆铅合金护套热受损后对主绝缘造成了伤害，进而引起主绝缘击穿。

1.2 接地结构分流改善

为确保送电，对发生故障的海上出线侧进行应急处理，在铅合金护套的接地结构上额外加装临时分流结构，铅合金护套加装的分流结构示意图见图2。

图2 铅合金护套加装的分流结构示意图

恢复送电后，在日负荷最大时对接地电流和铅合金护套接地结构部位的发热状况进行持续观测并做记录(运行负荷287 MW、环境温度13.9 ℃)，最高负荷下的护套接地电流和接地点温度数据观测结果见表1。

表1 最高负荷下的铅合金护套接地电流和接地点温度数据

由表1中数据可知：相同负荷下，陆上出线侧的护套接地电流要明显小于海上出线侧，陆上出线段的线芯电流近似于铅合金护套和铠装接地电流之和，铅合金护套接地电流约为线芯电流的37%，铠装接地电流约为护套接地电流的1.7倍；
但在海上出线侧，铠装接地电流迅速减小，而三相护套电流分别为线芯电流的66.0%，74.5%和79.0%；
铅合金护套处于海缆的内层，靠近主绝缘层，较大的电流在接地结构接触电阻高的地方持续性发热，产生的高温易造成海缆护套、主绝缘和防水层损伤；
此外，运行中的接地结构测温结果均与环境温度差异不大。

由表1还可以看出，陆上出线侧与海上出线侧线路的分流比差异较大，海上出线侧的铅合金护套接地电流远高于陆上出线侧，因此造成接地结构衔接部位的发热现象较为严重。另外，海上出线侧铠装接地电流较小的原因主要是，海上出线侧铠装接地结构通过锚固装置直接固定在甲板平台钢架上，对铠装结构接地回路上流经的电流起到分流作用，导致海上侧铠装层接地电缆仅有小部分接地电流通过。

由于事故海缆的护套接地结构处发热严重，海陆两侧均存在相同问题，后期在风场停电时，对陆上出线侧进行了与海上出线侧同样的处理，在海缆护套接地结构上加装一层分流结构，以消除接地不良的影响。分别对海陆两侧护套和铠装接地电流的分流比进行分时测量复核(海陆两端数据采取分时测量，因此测得负荷电流数据不同)，A相海陆两端接地结构电流分流比复核数据见表2。

表2 A相海陆两端接地结构电流分流比复核数据 A

由表2可知，海上出线侧的铅合金护套接地电流占比降低至63.5%，而陆上出线侧的铅合金护套接地电流占比提升至39.7%。由于加装了分流结构，增加了铅合金护套与接地线的接触面积，一定程度上改善了接地点处的接触电阻。因此，可以推断，由于加装的分流结构起到分流作用，承担了一部分护套接地电流，使得流经压接端子处的接地电流减小，一定程度降低了压接端子处因接触电阻导致的发热功率。

综上所述，在铅合金护套上加装的分流结构对护套接地电流起到一定程度的降低作用，还可有效分担部分应由事故中原有的接地抱箍部位流出的接地电流，避免了该接地结构因局部过热导致电缆主绝缘出现电气事故。

2.1 电缆模型的建立

目前，国内部分220 kV海上风电(如江苏省内3座220 kV海上风场)及500 kV项目(如国内的舟山、海南连岛工程等)均采用单芯缆敷设方式。发生事故的海上风电场采用220 kV海底光电复合电缆，长度为23.3 km，其结构示意图见图3。

1—水铜导体；
2—半导电导体包带；
3—基础导体屏蔽；
4—XLPE绝缘层；
5—半导电绝缘屏蔽层；
6—缓冲阻水层；
7—金属护套；
8—非金属护层；
9—光单元填充层；
10—光纤单元；
11—铠装垫层；
12—铠装钢丝；
13—PP外被层；
14—铜丝

海缆长期浸泡在海底，护套和铠装之间的填充层和垫层被海水浸入，由于海水具有良好的导电性，使得护套和铠装层之间联结在一起，类似于护套和铠装层全线接地[17]。海缆护套和铠装上的环流是均匀分布的，可将其等效为π型电路模型[18]，高压单芯海缆的三导体等值电路见图4。

图4 高压单芯海缆的三导体等值电路

π型等值模型将线路作为集中参数处理，并等值为一个π型电路，能近似地反映较短线路的工频特性[19]。电缆3个导体之间存在互感，线芯通过电流时，护套和铠装上会产生感应电动势；
线芯和护套之间的主绝缘完好，因此这两个导体之间也会通过电容电流，而护套和铠装之间为半导电材料和海水，可等效为层间电容和漏电阻的并联。

海缆的相关材料参数见表3和表4。

表3 海缆的导体材料参数

表4 海缆的介质层材料参数

线芯和护套层间存在屏蔽层、绝缘层和阻水层，护套和铠装层间存在屏蔽层和填充层，将上述海缆参数导入ATP-EMTP的Cable Constant程序进行计算，得到3个导体单位长度的阻抗和导纳矩阵。

2.2 接地电阻对电流和损耗的影响

海上升压站至陆上升压站的海缆敷设情况复杂，其示意图见图5。

图5 海上升压站至陆上升压站的海缆敷设示意图

海缆在此间分别经过海上升压站平台、海水、海床、登陆段、陆上升压站。海缆护套在海上升压站GIS侧接地良好，铠装层专用接地装置位于一层甲板上，海缆垂直进入海底后埋入海床底部约2 m处，陆上出线侧海缆登陆后铠装层中的部分低碳钢丝更换为铜丝，经过一段距离后剥离铠装并接地，海缆护套外半导层在对地绝缘包扎后进入陆上GIS升压站内，并保持接地良好。

目前，国内海缆均采用在两侧护套和铠装各自直接接地的方式。当接地结构出现接地点部件松动或锈蚀导致接触不良时，接触电阻变大，对金属层间接地电流分配及单个接地回路上的损耗分布产生影响。根据现场实际情况，将海缆按实际敷设情况进行分段建模，根据电力行业标准DL/T 621《交流电气装置的接地》[20]，设定升压站的接地电阻为0.5 Ω。海缆电流仿真模型见图6，图6中标注的数字为线芯、护套和铠装层分别流经的电流量。

图6 海缆电流仿真模型图

由于海上升压站的运行环境恶劣，空气湿度和盐雾含量较大，对暴露于平台上的绝缘结构、金属连接部件的腐蚀危害严重，易造成接地相关结构的垫层、连接部位发生腐蚀，出现与甲板表面接触不良的现象。据此在仿真模型中设置海上侧护套和铠装接地结构处的接触电阻为Rcs和Rca。护套和铠装电流分布见图7。

图7 护套和铠装电流分布

由图7可以看出，当海上出线侧的接地结构连接部件存在不同接触电阻时，海缆护套和铠装电流的分布特性有明显的差异。若护套和铠装接地良好(Rcs=Rca=0 Ω)，海底电缆两端的护套接地电流约为272.8 A，比中间段的护套接地电流略高，而两端铠装接地电流为444.9 A，比中间段的护套接地电流略低，但总体呈均匀分布。若海上出线侧护套接地连接部件产生接触电阻，随着接触电阻的增大，海上出线侧和电缆中间段的护套电流减小、铠装电流增大；
而当海上出线侧铠装接地连接部件产生接触电阻时，随着接触电阻的增大，海上侧护套电流明显增大，增大幅度沿着海上出线侧至陆上侧逐渐减小；
同样，随着接触电阻的增大，海上出线侧铠装电流明显减小，铠装电流减小幅度沿着海上出线侧至电缆中段迅速减小，而在电缆中段至陆上出线侧电流一定程度地增大。

接地结构处护套和铠装的接地电流主要受两者接地回路电阻(包含接触电阻)的比值影响。护套的接地电流增大，其对应的护套发热损耗也随之增大。正如此次现场事故，由于护套位于海缆内部，且紧挨着主绝缘，当护套发热严重时，存在事故隐患，因此，需要在现场设置可靠的接地结构，避免接地结构因电流失配引起护套接地电流和发热损耗上升，进而导致事故发生。

3.1 现场缺陷建模

海上出线侧海缆铠装接地结构直接装置于甲板上，由于运行环境的空气湿度和盐雾含量较大，铠装接地结构容易产生锈蚀，海上升压站平台甲板面铠装接地结构见图8。

此次现场事故中，海上出线侧护套接地回路的电流较大(运行负荷287 MW，A相护套接地电流479 A，铠装接地电流31 A)。护套和铠装接地电流分流比主要受护套和铠装接地回路电阻的匹配情况影响，分析事故原因可能是护套和铠装的接地回路电阻发生以下变化：猜测情况一：铠装接地结构发生接触部位的锈蚀，接触电阻急剧增大，并且海底电缆铠装钢丝与甲板间的绝缘垫层出现破损，铠装钢丝与甲板发生不良接触；
猜测情况二：情况一发生的同时，海底电缆海上出线侧铠装接地结构下游部分的铠装与金属护套结构发生局部短接。

对海上出线侧缺陷模型进行仿真，甲板分流电阻为4个5 Ω电阻并联，在接触不良的情况下，铠装的接地回路电阻设置为1.11 Ω。海上出线侧现场缺陷情况建模见图9，图9中标注的数字为线芯、金属护套和铠装层分别流经的电流量。

图9 海上侧现场缺陷情况建模

由图9可以看出，若仅受甲板分流和铠装接地回路电阻变大的影响，海上出线侧的金属护套接地电流增大不明显，仅从272.8 A增大为350.3 A，海上侧的铠装接地电流为38.17 A；
若再发生半导电层破损，金属护套和铠装局部短接，则护套电流迅速增大，变为489.9 A，铠装电流减小为24.89 A，与事故后的实测数据相符。

猜测情况二仿真模拟的海上出线侧铠装因与甲板的绝缘隔离破损接地结构多点接地，以及金属护套、铠装在该结构下游某处短接时，电流分布在护套、铠装接地层间发生明显变化，金属护套接地电流急剧上升，而铠装接地电流急剧下降。由分析可知，接地回路电阻匹配情况对金属护套和铠装接地电流分流比起决定作用。发生该现象的主要原因在于，短路后的半导电层通道使金属护套和铠装电流在该部分实现了再分配。因此，仿真模拟结论显示，此次事故发生的原因与猜测二的情况相符。

3.2 接地方式的改善方案

此次海上风电现场发生的主绝缘击穿事故是由于护套接地结构上流过的电流过大，导致接地结构处过热引起的，而陆缆通常采用将护套一端经护层电压限制器(SVL)接地的方式限制金属护套接地电流[21]。因此，将现场的接地方式参考陆缆进行改善，在海陆两侧的铠装接地处将护套和铠装互联后再接地，将金属护套的末端经SVL接地，改善接地方式后的仿真模型和接地电流见图10。

图10 改善接地方式后的仿真模型和接地电流

从改善后的接地电流分布可以看出，在金属护套接地结构处加装SVL，并在铠装接地结构处将金属护套和铠装互联，使得金属护套接地结构的接地回路电阻远远大于铠装接地结构的接地回路电阻，因此感应电流基本上从互联接地点处入地。由于金属护套和铠装互联接地处的散热情况良好，只需要保障短接线接触良好，即可有效遏制因现场接地缺陷导致的金属护套电流提升。

另外，根据GB/T 50217—2018 《电力工程电缆设计规范》[22]中关于电缆金属护套感应电压的要求，规定“金属护套感应电压不得大于300 V”。若出现铠装接地不良和半导电层破损的故障情况时，接地点的对地电压可能会升高，易造成设备及人身伤害，但通过金属护套接地结构处加装SVL保护等措施，可将其电压限制在300 V以下。虽然金属护套结构接地电流有所提升，但相比于事故情况(金属护套电流远大于铠装电流)，采取改善措施后的感应电流仍主要通过铠装层。因此，在两端金属护套接地结构加装SVL，并且在铠装接地结构处改善金属护套和铠装互联接地的方式，采取增加接触冗余的可靠手段，进一步增加该处接地结构的可靠性，防止接触不良或多点接地的情况发生，起到预防类似事故发生的作用。

本工作通过一起220 kV海上风电场海缆接地结构缺陷引起的主绝缘击穿的案例，结合仿真结果分析了金属护套和铠装接地回路电阻对海缆电流分布的影响。主要结论如下：

(1)金属护套接地结构接触不良，影响金属护套、铠装电流分配，使得金属护套接地电流变大是引起海上升压站护套接地结构压线端子发热的主要原因。因此，海缆接地附件选型时应优先采用可靠且允许长时间流经大电流的接地结构，可有效分流金属护套接地电流，使缺陷点发热功率降低，以减小电缆绝缘局部受热损伤的可能。

(2)海底电缆的总接地电流大小主要与线芯负荷有关，但在海底电缆双层接地结构中，接地回路的电阻越大，该层的接地电流就越小；
在直接接地系统中，金属护套和铠装中流过的接地电流分配主要受两者接地回路电阻(包含接触电阻)匹配的影响。

(3)经现场事故分析和仿真验证，认为造成金属护套接地结构发热故障的主要原因是，海上平台铠装接地结构内部失效以及海缆铠装接地结构下段海缆内部出现半导电层破损缺陷，造成金属护套和铠装电流在该处提前接地再分配，进而导致了金属护套接地电流的急剧增大。

(4)采用海底电缆登陆段海陆两侧金属护套和铠装互联接地及护套经护层电压限制器接地的方式，可改善海底电缆登陆段的接地电流情况，并且有效限制登陆段接地结构出现的电压提升，具有较好的抑制登陆段接地缺陷造成电流变化能力。

本工作可为220 kV及以上的海上风电场单芯海缆接地结构的设计及接地方式的选择提供相应的工程指导。