35 kV高壓電纜頭故障對策分析

王文珍，王志堅

（山西省電力公司電力建設(shè)四公司，山西 太原 030012）

0 引言

魯能白云風(fēng)電一、二期工程由山西省電力公司電力建設(shè)四公司（以下簡稱“電建四公司”）負責(zé)施工。一期工程于2009年5月全部實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，二期工程已有13臺風(fēng)機投入運行。在一年多的運行過程中，發(fā)現(xiàn)陸續(xù)有35 kV高壓電纜頭單相短路故障及絕緣降低現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了風(fēng)機的正常運行。據(jù)調(diào)查了解，烏拉特中旗風(fēng)電廠也有類似現(xiàn)象發(fā)生。35 kV電纜作為風(fēng)電機組輸電的唯一通道，其重要性不言而喻。在國家大力提倡節(jié)能環(huán)保能源，風(fēng)電機組逐漸有大規(guī)模發(fā)展趨勢的今天，認真查找35 kV高壓電纜頭故障及絕緣降低原因，采取糾正措施，避免此類故障的再次發(fā)生，有著特殊重要的意義。

1 故障現(xiàn)象及原因分析

故障現(xiàn)象有風(fēng)電場室外電纜外護層與鎧甲脫開、箱變內(nèi)電纜外護層與鎧甲脫開、屏蔽層斷口處熔芯擊穿等。

白云風(fēng)電35 kV電纜型號為YJY23-26/35 kV，電纜頭附件均采用高壓熱縮技術(shù)。

高壓電纜每一相線芯外均有一接地的（銅）屏蔽層，導(dǎo)體的屏蔽層之間形成徑向分布的電場。也就是說，正常電纜線芯與屏蔽層的電場只有從（銅）導(dǎo)線沿半徑向（銅） 屏蔽層的電力線，沒有芯線軸向的電場（電力線），電場分布是均勻的，如圖1所示。

圖1 電纜組成結(jié)構(gòu)

電纜附件的絕緣性能應(yīng)不低于電纜本體，所用絕緣材料的介質(zhì)損耗要低，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)對電纜附件中電場的突變能完善處理，有改變電場分布的措施。

在做電纜頭時，剝?nèi)テ帘螌?，改變了電纜原有的電場分布，將產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場（沿導(dǎo)線軸向的電力線）。剝?nèi)テ帘螌有揪€的電力線向屏蔽層斷口處集中，那么在屏蔽層斷口處就是電纜最容易擊穿的部位。

在電纜最容易擊穿的屏蔽層斷口處，為了分散集中的電力線（電應(yīng)力），采用了介電常數(shù)為20～30、體積電阻率為108～1 012Ω·cm的材料制作的電應(yīng)力控制管（簡稱應(yīng)力管），套在屏蔽層斷口處，以分散斷口處的電場應(yīng)力（電力線），保證電纜能可靠運行，如圖2所示。

圖2 屏蔽層斷口處電場分布（裝應(yīng)力管后）

若晝夜溫差大（最高溫度30℃以上，最低溫度-45℃），熱脹冷縮作用頻繁，易造成電纜外護套與熱縮根部脫開，固體絕緣介質(zhì)表面吸附潮氣，產(chǎn)生較大的介質(zhì)表面電導(dǎo)，從而形成電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。白云風(fēng)電大部分電纜擊穿發(fā)生在如圖3所示屏蔽斷口的部位，充分證明了如果電纜頭附件不能發(fā)揮應(yīng)有的改善斷口處電場分布的作用，其后果是極其嚴(yán)重的。

從以上分析可以看出，使用熱脹冷縮適應(yīng)性好的合格電纜、出廠及現(xiàn)場檢驗合格的熱縮材料，以及采用經(jīng)過工藝評定合格的電纜頭附件制作安裝程序，是確保35 kV高壓電纜運行質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以下重點對保證35 kV高壓電纜頭施工質(zhì)量進行對策分析。

2 關(guān)鍵施工步驟分析

要使電纜可靠運行，電纜頭制作中應(yīng)力管非常重要，而應(yīng)力管是在不破壞主絕緣層的基礎(chǔ)上，才能達到分散電應(yīng)力的效果。在電纜本體中，芯線外表面不可能是標(biāo)準(zhǔn)圓，芯線對屏蔽層的距離會不相等，根據(jù)電場原理，電場強度也會有大小，這對電纜絕緣也是不利的。為盡量使電纜內(nèi)部電場均勻，芯線外有一外表面圓形的半導(dǎo)體層，使主絕緣層的厚度基本相等，達到電場均勻分布的目的。在主絕緣層外，銅屏蔽層內(nèi)的外半導(dǎo)體層，同樣也是為消除銅屏蔽層不平、防止電場不均勻而設(shè)置的，如圖3所示。

圖3 安裝半導(dǎo)體管尺寸（mm）

為了盡量使電纜在屏蔽層斷口處電場應(yīng)力分散，應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長度要求不小于20 mm，短了會使應(yīng)力管的接觸面不足，應(yīng)力管上的電力線會傳導(dǎo)不足（因為應(yīng)力管長度是一定的），長了會使電場分散區(qū)（段）減小，電場分散不足。所以一般控制在20～25 mm左右。以下為35 kV高壓電纜頭制作一般步驟。

a）剝?nèi)プo套。用電纜夾將電纜垂直固定，對戶內(nèi)終端量取760 mm（這個數(shù)字不確定，視現(xiàn)場具體情況而定），剝?nèi)ネ庾o套。

b）剝鎧裝。由外護套斷口量取30 mm鎧裝，綁扎線，其余剝除。

c）剝內(nèi)墊層。在鎧裝斷口處保留20 mm內(nèi)墊層，其余剝除。

d）分芯線。摘去填充物，分開芯線。

e）焊接地線。打光鎧裝上接地線焊接區(qū)，用地線連通每相銅屏蔽層和鎧裝，并焊牢。

f）包繞填充膠。在三叉根部包繞填充膠，形似橄欖狀，最大直徑大于電纜外徑約15 mm。

g）固定手套。將手套套入三叉根部，由手指根部依次向兩端加熱固定。

h）剝銅屏蔽層。由手套指端量取55 mm銅屏蔽層，其余剝除，保留20 mm半導(dǎo)體層，其余剝除。清理絕緣表面。

i）固定應(yīng)力管。搭接應(yīng)力管20 mm，加熱固定應(yīng)力管。

j）壓接線端子。按端子孔深加5 mm剝?nèi)ゾ€芯絕緣，端部削成“鉛筆頭”狀。壓接端子，在“鉛筆頭”處包繞填充膠，并搭接端子10 mm。

k）固定絕緣管。套入絕緣管至三根部（管上端超出填充膠10 mm），由上端起加熱固定。再將相色管套在密封附管上，加熱固定。

保證h）和i）步驟施工質(zhì)量，在剝切銅屏蔽層時不傷害電纜主絕緣，會改善屏蔽層斷口處電場分布，加強對電纜薄弱環(huán)節(jié)保護，成為避免在屏蔽層斷口處發(fā)生短路故障的有效措施。

3 施工注意事項

a）在剝外護套時,為防止鋼甲松散，應(yīng)先在鋼甲切斷處內(nèi)側(cè)把外護層剝?nèi)ヒ蝗Γㄍ鈧?cè)留下），用銅絲綁緊鋼甲并焊妥鋼甲接地線。

b）在鋸鋼甲時，在卡子邊緣（無卡子時為銅絲邊緣）要順鋼甲包緊方向鋸一環(huán)形深痕（不能鋸斷第二層鋼甲，否則會傷到電纜），用一字螺絲刀撬起（鋼甲邊斷開），再用鉗子拉下并轉(zhuǎn)松鋼甲，脫出鋼甲帶，處理好鋸斷處的毛刺。整個過程都要順鋼甲包緊方向，不能把電纜上的鋼甲搞松。

c）剝內(nèi)護絕緣層時，要注意保護好色相標(biāo)識線，保證銅屏蔽層與鋼甲之間的絕緣。

d）焊接屏蔽層接地線時，要把內(nèi)護層外側(cè)的銅屏蔽層銅帶上的氧化物去掉，涂上焊錫。把附件的接地扁銅線（分成三股）在涂上焊錫的銅屏蔽層上綁緊，處理好綁線的頭，再用焊錫與銅屏蔽層焊住線頭。外護套防潮段表面一圈要用砂皮打毛，涂密封膠，以防止水滲進電纜頭。屏蔽層與鋼甲兩接地線要求分開時，屏蔽層接地線要做好絕緣處理，如圖4所示。

圖4 電纜頭屏蔽層絕緣（mm）

e）銅屏蔽層處理時在電纜芯線分叉處做好色相標(biāo)記，按電纜附件說明書，正確測量好銅屏蔽層切斷處位置，用焊錫焊牢（防止銅屏蔽層松開），在切斷處內(nèi)側(cè)用銅絲扎緊，順銅帶扎緊方向沿銅絲用刀劃一淺痕（注意不能劃破半導(dǎo)體層），慢慢將銅屏蔽帶撕下，最后順銅帶扎緊方向解掉銅絲。

f）剝半導(dǎo)電層時，在離銅帶斷口10 mm處為半導(dǎo)電層斷口，斷口內(nèi)側(cè)包一圈膠帶作標(biāo)記。

對于可剝離型，在預(yù)定的半導(dǎo)電層剝切處（膠帶外側(cè)），用刀劃一環(huán)痕，從環(huán)痕向末端劃兩條豎痕，間距約10 mm。然后將這些條形半導(dǎo)電層從末端向環(huán)形痕方向撕下（不能拉起環(huán)痕內(nèi)側(cè)的半導(dǎo)電層），用刀劃痕時不應(yīng)損傷絕緣層，半導(dǎo)電層斷口應(yīng)整齊。檢查主絕緣層表面有無刀痕和殘留的半導(dǎo)電材料，如有應(yīng)清理干凈。對不可剝離型,從芯線末端開始用玻璃刮掉半導(dǎo)電層（也可用專用刀具），在斷口處刮一斜坡，斷口要整齊，主絕緣層表面不應(yīng)留半導(dǎo)電材料，且表面應(yīng)光滑。

g）清潔主絕緣層表面時,要用不掉毛的浸有清潔劑的細布或紙擦凈主絕緣表面的污物，清潔時只允許從絕緣端向半導(dǎo)體層，不允許反復(fù)擦，以免將半導(dǎo)電物質(zhì)帶到主絕緣層表面。

h）安裝半導(dǎo)電管時，半導(dǎo)電管在三根芯線與分叉處的距離應(yīng)盡量相等。一般要求離分支手套50 mm，半導(dǎo)電管要套住銅帶不小于20 mm，外半導(dǎo)電層已留出20 mm，在半導(dǎo)電層斷口兩側(cè)要涂應(yīng)力疏散膠（外側(cè)主絕緣層上15 mm長），主絕緣表面涂硅脂。半導(dǎo)電管熱縮時應(yīng)注意：銅帶不松動，表面要干凈（原焊錫要焊牢），半導(dǎo)電管內(nèi)不能有一點空氣，如圖3所示。

i）安裝分支手套時，在內(nèi)絕緣層和鋼甲這段用填料包平，在手指口和外護層防潮處涂上密封膠，分支手套小心套入（做好色相標(biāo)記），熱縮分支手套，電纜分支中間盡量少縮（此處最容易使分支手套破裂），涂密封膠的4個端口要縮緊，如圖5所示。

圖5 安裝分支手套

j）安裝絕緣套管和接線端子時，要測量好電纜固定位置和各相引線所需長度，鋸掉多余的引線。測量接線端子壓接芯線的長度，按尺寸剝?nèi)ブ鹘^緣層（稍有錐度），芯線上涂點導(dǎo)電膏或硅脂，壓接線端子（要對好接線螺絲穿孔的方向）。處理掉壓接處的毛刺，接線端子與主絕緣層之間用填料包平（壓接痕也要包平），套絕緣熱縮管（套住分支手套的手指），在接線端子上涂密封膠，最后一根絕緣熱縮套管要套住接線端子（除接觸面以外部分），絕緣套管都要上面一根壓住下面一根。最后套色相管（戶外式套雨裙）。

4 新材料及新工藝應(yīng)用

a）預(yù)制式附件。預(yù)制式附件所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠，主要采用幾何結(jié)構(gòu)法即應(yīng)力錐來處理應(yīng)力集中問題。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在安裝簡便快捷，無需加熱即可安裝，且彈性好，使得界面性能得到較大改善，是近年來中低壓以及高壓電纜采用的主要形式。其缺點是對電纜的絕緣層外徑尺寸要求高，通常的過盈量在2～5 mm（即電纜絕緣外徑要大于電纜附件的內(nèi)孔直徑2～5 mm）。過盈量過小，電纜附件將出現(xiàn)故障；過盈量過大，電纜附件安裝非常困難（工藝要求高）。特別在中間接頭上問題突出，安裝既不方便，又常常成為故障點，而且價格較貴。

使用預(yù)制式附件的關(guān)鍵技術(shù)是附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合必須符合規(guī)定的要求，且需采用硅脂潤滑界面，以便于安裝,同時填充界面的氣隙。預(yù)制附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定的密封作用，有時可采用密封膠及彈性夾具增強密封。

b）冷縮式附件。冷縮式附件所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠，一般采用幾何結(jié)構(gòu)法與參數(shù)控制法來處理電應(yīng)力集中問題，幾何結(jié)構(gòu)法即采用應(yīng)力錐緩解電場集中分布的方式，優(yōu)于參數(shù)控制法的產(chǎn)品。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：材料性能優(yōu)良、無需加熱即可安裝，彈性好，使得界面性能得到較大改善。與預(yù)制式附件相比，這種附件安裝起來更為方便，只需在正確位置上抽出電纜附件內(nèi)襯芯管即可安裝完工。所使用的材料從機械強度上說比預(yù)制式附件更好，對電纜的絕緣層外徑尺寸要求也不是很高，只要電纜附件的內(nèi)徑小于電纜絕緣外徑2 mm就完全能夠滿足要求。因此冷縮式附件施工安裝比較方便，且其價格與預(yù)制式附件相當(dāng)，比熱收縮附件略高，是性價比最合理的產(chǎn)品。

冷縮式附件產(chǎn)品根據(jù)擴張狀況還可分為工廠擴張式和現(xiàn)場擴張式兩種，一般35 kV及以下電壓等級的冷縮式附件多采用工廠擴張式，其有效安裝期在6個月內(nèi)，最長安裝期限不得超過兩年，否則電纜附件的使用壽命將受到影響。66 kV及以上電壓等級的冷縮式附件則多為現(xiàn)場擴張式，安裝期限不受限制，但需采用專用工具進行安裝，專用工具一般附件制造廠均能提供，安裝十分方便，且質(zhì)量可靠。

5 結(jié)束語

35 kV電纜作為風(fēng)電機組輸電的唯一主通道，其電纜頭質(zhì)量的好壞關(guān)系到風(fēng)機的正常穩(wěn)定運行，從而也關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展前景。保證電纜及熱縮附件質(zhì)量、控制施工安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加強改善電纜頭電場應(yīng)力分布，采用預(yù)制式、冷縮式電纜附件新材料、新技術(shù)，就可以減少電纜故障，保證電纜運行的安全可靠。

［1］ 王琦.電纜頭附件性能及原理技術(shù)分析［J］.魅力中國，2010（24）：151-155.