電纜頭故障分析與處理

周成軍

（新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 烏魯木齊 830000）

近年來(lái)，礦業(yè)發(fā)展較快，礦山多位于戈壁深山，為礦山送電的線路普遍較長(zhǎng)。由于交通不便，礦山35kV變電站大多采用箱式變電站。箱式變電站具有整體式，占地面積小，安裝方便，土建工作量小的特點(diǎn)。由于其特殊的形式，其電源進(jìn)線多為電纜進(jìn)線。但電纜頭頻繁故障，給企業(yè)帶來(lái)了許多不便，特別是對(duì)于礦山井下工作的人員安全帶來(lái)隱患。

哈密圖拉爾根銅鎳礦35 kV變電站于2008年投運(yùn)，投運(yùn)初期，礦山仍處于建設(shè)階段，負(fù)荷較輕，為500～600 kW。在這段時(shí)間，進(jìn)線電纜頭每隔幾個(gè)月就擊穿一次，2008～2009年發(fā)生故障8次。

圖拉爾根銅鎳礦地處中蒙邊界，屬哈密地區(qū)電網(wǎng)白山泉110 kV變電站的供電范圍，白山泉110 kV變電站安裝兩臺(tái)40 MVA三圈變，35 kV側(cè)出線4條，投運(yùn)3條（葫蘆銅鎳礦、境兒泉和圖拉爾根銅鎳礦），線路長(zhǎng)度均在40～55 km。圖拉爾根銅鎳礦35 kV電源就由此變電站出線，導(dǎo)線規(guī)格為L(zhǎng)GJ-185/30，線路長(zhǎng)55.3 km，桿塔形式為鐵橫擔(dān)砼桿。線路終端桿與圖拉爾根35 kV變電站為電纜連接，電纜規(guī)格為ZRYJG22-26/351X185。35 kV線路終端桿上采用室外型熱縮套管作電纜頭，在終端桿上安裝有避雷器HY5WS5-51/170。

電纜故障均為35 kV線路終端桿上電纜頭擊穿，起初認(rèn)為電纜頭質(zhì)量不合格和電纜頭制作不規(guī)范，但在使用各種品牌的電纜頭并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和廠家要求制作安裝，電纜頭還是多次擊穿，最后只能從系統(tǒng)角度找原因。

系統(tǒng)過電壓主要有以下幾個(gè)方面：一是外過電壓即雷電過電壓，二是內(nèi)過電壓即暫時(shí)過電壓和操作過電壓。在電纜頭故障時(shí)，線路并未受到雷擊。那么造成電纜頭擊穿應(yīng)是內(nèi)過電壓，電纜頭擊穿時(shí)，經(jīng)查記錄白山泉和礦山35 kV變電站亦無(wú)任何操作。那就是暫時(shí)過電壓，過電壓一般是由于線路空載、接地故障或甩負(fù)荷和因操作故障引起線路諧振過電壓。經(jīng)查電纜頭擊穿時(shí)，均有系統(tǒng)35 kV線路接地故障發(fā)生。由于35線路分布范圍廣、線路長(zhǎng)，且戈壁風(fēng)沙大，造成線路瞬間接地時(shí)有發(fā)生。線路長(zhǎng)電容電流較大形成弧光間歇性過電壓。

35 kV電力系統(tǒng)的接地方式有中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相接地故障允許系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行2 h。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容電流達(dá)一定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生間歇性電弧熄滅、重燃的多次重復(fù)過程，從而引起單相接地弧光過壓，電壓值為3～4 p.u.。單相間歇性電弧故障產(chǎn)生的過壓值高低一般隨接地方式不同而異。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)≤3.5p.u.；中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)≤3.2 pu；中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)≤2.5 p.u.。

弧光在交流電壓升高到一定值時(shí)發(fā)生，在電壓接近過零時(shí)熄滅，周而復(fù)始，這些殘壓致使線路中出現(xiàn)高次諧波，高次諧波將疊加到線路的正弦波上，致使電壓升高。這些諧波沿線路向兩端行進(jìn)，碰到波阻抗不同的結(jié)點(diǎn)處會(huì)被反射，與原來(lái)的高壓再疊加，所以弧光過電壓可能升得較高。

內(nèi)部過電壓得不到有效限制使絕緣壽命大大降低。避雷器的放電電壓為相電壓的4倍以上按躲過內(nèi)部過電壓設(shè)計(jì)。而且避雷器接在相對(duì)地之間對(duì)發(fā)生在相與相之間的操作過電壓根本起不到限制作用。在內(nèi)部過電壓的長(zhǎng)期持續(xù)作用下聚乙烯交聯(lián)電纜等固體絕緣設(shè)備的運(yùn)行壽命大大降低，形成絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致對(duì)地?fù)舸?/p>

線路負(fù)荷較低也是產(chǎn)生內(nèi)部過電壓的一個(gè)原因，線路的容抗與線路兩側(cè)變壓器感抗形成LC回路，較易造成諧振。

白山泉變電站在設(shè)計(jì)中已考慮35 kV線路長(zhǎng)，電容電流大，易形成弧光接地。為減少建弧率，在中性點(diǎn)安裝有消弧線圈。但在實(shí)際運(yùn)行中，并未投入。

圖拉爾根側(cè)經(jīng)檢查，變電站10 kV的電容補(bǔ)償2×600 kVar全部投入。造成過補(bǔ)，35 kV側(cè)功率因數(shù)達(dá)－0.5。

為此解決的方法是：白山泉側(cè)主變35kV中性點(diǎn)自動(dòng)跟蹤消弧線圈投入，圖拉爾根側(cè)根據(jù)切除電容補(bǔ)償。經(jīng)1年的運(yùn)行，電纜頭沒有再發(fā)生故障。同時(shí)，經(jīng)過2年的建設(shè)，礦山也進(jìn)入生產(chǎn)階段，負(fù)荷增大4300 kW，電容補(bǔ)償再次投入，線路運(yùn)行至今，電纜頭擊穿故障再?zèng)]有發(fā)生。

總結(jié)原因，造成電纜頭頻繁故障的原因是多方面的，系統(tǒng)過電壓的成因復(fù)雜，每一個(gè)環(huán)節(jié)均應(yīng)注意。

首先在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需綜合考慮防范系統(tǒng)過電壓，除采用避雷器的防雷電過電壓外，對(duì)接地故障和操作引起的弧光過電壓及諧振過電壓應(yīng)特別注意。

空間間歇性弧光過電壓對(duì)系統(tǒng)絕緣危害最大。

目前多采用消弧線圈作為防止措施，消弧線圈接地具有降低建弧率的作用，但不能消除電弧，有可能加大過電壓指標(biāo)。采用小電阻接地方式配合重合閘，對(duì)供電的可靠性應(yīng)更為合適。

變電站電容補(bǔ)償裝置的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行也很重要，設(shè)置整組投切的電容器組，在負(fù)荷不穩(wěn)定或在與補(bǔ)償容量不協(xié)調(diào)情況下，要么過補(bǔ)要么欠補(bǔ)，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)諧振過電壓埋下隱患。

其次是電纜頭的制作和安裝。

由于電纜頭內(nèi)部特別是絕緣層與外半導(dǎo)體層交界處的電場(chǎng)畸變，形成了局部電場(chǎng)很高的應(yīng)力效應(yīng)，電場(chǎng)沒有了束縛，被釋放出來(lái)，在絕緣層表面形成電壓梯度，造成了距半導(dǎo)層切斷處越近，電場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)的情況，易引發(fā)局部放電，形成了電纜線路中的薄弱點(diǎn)，也因此最易發(fā)生事故。所以外半導(dǎo)層切斷處是電力電纜最容易發(fā)生事故的地方。在外半導(dǎo)層處加裝應(yīng)力控制單元可有效地改變電場(chǎng)畸變問題，因而在制作戶內(nèi)、戶外終端時(shí)，要精心處理好外半導(dǎo)體層切斷處的工藝，斷口光滑平整，臺(tái)階處要削成坡形，絕緣層表面要處理干凈，無(wú)刀痕和凹凸不平，無(wú)殘留半導(dǎo)電顆粒和雜質(zhì)。

礦山所處環(huán)境惡劣，氣候復(fù)雜多變、風(fēng)沙大，高寒，早晚溫差大，冬夏季節(jié)凍土層凍融變化復(fù)雜。桿塔上電纜固定綁扎工藝不規(guī)范，長(zhǎng)期受風(fēng)力影響造成，電纜線芯與絕緣層之間易形成楔形間隙，由于電纜線芯由多股銅線絞合而成，使靠近線芯的絕緣層表面凹凸不平。電纜的絕緣層在持續(xù)工頻電壓的作用下，靠近線芯的電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)。間隙中局部場(chǎng)強(qiáng)要比周圍絕緣層的場(chǎng)強(qiáng)大，在間隙中可能產(chǎn)生局部放電。因此在安裝固定電纜時(shí)，要防止電纜頭隨風(fēng)搖擺對(duì)芯線多次彎曲扭轉(zhuǎn)造成絕緣損傷。

溫差較大地區(qū)宜使用全冷縮電纜頭，由于全冷縮電力電纜附件實(shí)際上就是彈性電纜附件；也就是說(shuō)利用液體硅橡膠本身的彈性在工廠預(yù)先擴(kuò)張好放入塑料及支撐條。到現(xiàn)場(chǎng)套到指定位置，抽掉支撐條使其自然收縮。這種冷縮附件具有良好的“彈性”，可以避免由于大氣環(huán)境、電纜運(yùn)行中負(fù)載高低產(chǎn)生的電纜熱脹冷縮。即“電纜呼吸”所產(chǎn)生的絕緣之間的空隙，造成的擊穿事故。而熱縮附件的最大缺點(diǎn)就是本身不具有彈性，不能與電纜同呼吸。故全冷縮的附件用于溫差大、受氣候環(huán)境影響大的地域使用是最佳的選擇。冷縮電纜終端絕緣性能優(yōu)異，耐老化，防腐蝕，密封性能好，抗電痕性能好且硅橡膠彈性好，與電纜界面結(jié)合緊密，應(yīng)力控制與絕緣復(fù)合為一體，有效解決了電纜屏蔽斷面處應(yīng)力集中的問題，保證電纜的安全運(yùn)行。

另外，35 kV高壓交聯(lián)電纜應(yīng)避免施工單位進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，要嚴(yán)格執(zhí)行采用交流耐壓試驗(yàn)的行業(yè)要求，僅對(duì)新做終端或接頭后的電纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，因?yàn)樗鼘?duì)發(fā)現(xiàn)接頭內(nèi)部的缺陷還是有效的。

[1]交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合.中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部，1997.

[2]張殿生,等.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè).中國(guó)電力出版社，2002.

[3][德]L.Heinhold，R.Stubbe（Hrsg）著，門漢文，崔國(guó)璋，王海譯.電力電纜及電線.中國(guó)電力出版社，2001.