電纜終端絕緣擊穿原因分析及對策探討

(四川江口水力發(fā)電(集團)廠，四川 宣漢 636150)

0 引 言

四川江口水力發(fā)電(集團)廠位于四川省宣漢縣城東北1 km處，電廠總裝機容量3×17 MW,以110 kV和35 kV兩個電壓等級輸電線路接入系統(tǒng)，擔(dān)負調(diào)頻(峰)、基荷任務(wù)，也可作調(diào)相運行，于1992年5月投產(chǎn)發(fā)電。35 kV開關(guān)站設(shè)在室內(nèi)，采用35 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜(型號YJV30-120)出線上網(wǎng)。

1 電纜故障情況

廠內(nèi)35 kV出線電纜終端頭最初采用瓷質(zhì)環(huán)氧澆注，此類電纜頭的優(yōu)點是使用經(jīng)久耐用、壽命長，缺點是制作工期長、工藝復(fù)雜、受現(xiàn)場制作條件限制多，且重量大，上架困難。隨著新材料新技術(shù)的出現(xiàn)，原瓷質(zhì)環(huán)氧澆注電纜頭逐步被冷、熱縮電纜頭取代，冷、熱縮電纜頭制作工藝簡單，現(xiàn)場制作方便、工期短，電纜頭重量輕，上架勞動強度低。因此，自1992年以后，(集團)廠35 kV新增出線電纜終端逐步被熱縮電纜頭取代(采用兩端接地)。

在運行過程中，熱縮電纜頭的缺陷逐漸暴露，即易造成熱縮電纜終端頭銅辮接地處電纜絕緣老化擊穿(見圖1)，在(集團)廠5回35 kV出線電纜熱縮電纜頭中，每年都有此類情況發(fā)生(戶內(nèi)、外均有)。2013年4月15日，一回上國網(wǎng)35 kV出線電纜A相(室外)終端頭接地銅辮處絕緣老化擊穿；2013年4月26日，一回供鐵廠35 kV出線電纜B相(室內(nèi))終端頭接地銅辮處絕緣老化擊穿。故障發(fā)生后，造成電網(wǎng)35kV線路被迫停運檢修，電力輸送減少。針對此類故障，通常的處理辦法是將電纜終端頭大約1 m的故障部分切除，再重新制作新的電纜頭。如重復(fù)數(shù)次，電纜長度逐漸減小，最終導(dǎo)致電纜因余量不足而做中間接頭將其接長，或重新購置新的電纜。

圖1 電纜絕緣老化擊穿部位(銅辮接地處)

2 35 kV單芯電纜熱縮終端頭制作過程

35 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜橫截面分布(見圖2)，從外至內(nèi)依次為外層護套、鋼鎧、內(nèi)層護套、銅屏蔽帶、外半導(dǎo)體層、線芯絕緣、內(nèi)半導(dǎo)體層、銅芯線。在熱縮式終端頭制作過程中，首先是在距電纜端頭大約800 mm處，將電纜外層護套、鋼鎧、內(nèi)層護套切除；剝下銅屏蔽帶，留下100 mm左右銅帶后，將多余銅帶切除，用工具將電纜端部至屏蔽斷口20 mm處之間的外半導(dǎo)體層切掉，露出線芯絕緣；將電纜端部大約40 mm線芯絕緣切除，做好應(yīng)力錐，套上線鼻子壓緊，將剩余銅屏蔽帶沿鋼鎧端面做翻領(lǐng)，包住鋼鎧；壓上接地銅辮(銅屏蔽層與鋼鎧連接在一起接地)，固定并焊接(錫焊)可靠(見圖3)；用酒精清洗線芯絕緣，纏繞應(yīng)力疏散膠，套上應(yīng)力管熱縮，套上絕緣管熱縮，在端子處填充密封膠，套上密封管熱縮，縱剖面(見圖4)；套上防雨裙熱縮，試驗合格，制作完成。

圖2 故障電纜橫切面分布

圖3 電纜屏蔽層接地

圖4 套裝應(yīng)力管

3 故障原因分析

3.1 屏蔽層斷口電場分布發(fā)生改變

35 kV單芯高壓電纜每相線芯外均有一接地銅屏蔽層，輸送負荷的芯線與接地屏蔽層之間形成徑向分布的均勻電場，無軸向電場分布。在制作電纜終端頭時，接線端子至接地銅辮焊接處之間的銅屏蔽層被切除，形成一個屏蔽斷口，電場分布發(fā)生改變，產(chǎn)生了軸向電場分量(沿導(dǎo)線軸向的電力線)，電場向屏蔽層斷口集中，此部位電力線分布也最密集，電場強度高，電力線分布如圖5所示。

圖5 屏蔽層斷口處電力線分布圖

屏蔽層端部接地處線芯絕緣長期處在高電場強度環(huán)境下工作，此電場強度比電纜芯線其他絕緣材料所處工作環(huán)境電場強度要高，加速了屏蔽層斷口線芯絕緣的老化，使其更易被擊穿。另外，35 kV為中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時，其相電壓升至線電壓，屏蔽層斷口處電場強度將大幅提升，加速了斷口處絕緣老化擊穿進程。

3.2 感應(yīng)電流發(fā)熱

35 kV高壓單芯電纜通電運行時，在屏蔽層會形成感應(yīng)電壓，且隨電纜長度和負荷的增加而增加。在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓和雷電侵入波時，屏蔽層內(nèi)會產(chǎn)生更高的感應(yīng)電壓，甚至擊穿護層絕緣，造成人身和設(shè)備安全事故。如果屏蔽層兩端直接接地，在屏蔽層與地之間形成回路，就產(chǎn)生感應(yīng)電流，其大小可達線路負荷電流的40%以上，使整個電纜金屬屏蔽層發(fā)熱，產(chǎn)生電能損耗，加速電纜絕緣熱老化速度。(集團)廠現(xiàn)在運5回35 kV電纜(大約100 m長)均采用兩端直接接地，經(jīng)試驗檢測發(fā)現(xiàn)，屏蔽層感應(yīng)電流隨復(fù)合電流的增大而增大，如表1所示。由于焊接原因，接地銅辮與屏蔽斷口處的接觸電阻較大，當(dāng)感應(yīng)電流經(jīng)過焊接處時，將產(chǎn)生焦耳效應(yīng)致其發(fā)熱，加速接地處線芯絕緣的熱老化速度。

表1 線芯負荷電流與屏蔽層感應(yīng)電流的關(guān)系

以上兩種原因，相互作用，加速電纜屏蔽層斷口處線芯絕緣老化，形成絕緣薄弱點，當(dāng)遇到某一過電壓沖擊時，此處絕緣易擊穿，導(dǎo)致接地故障。

4 對策探討

4.1 加裝均壓罩，改變電場分布

在電纜屏蔽斷口處加裝金屬材質(zhì)的均壓罩(見圖6)或均壓環(huán)，用于分散屏蔽層斷口絕緣處集中的電力線。均壓罩成喇叭形狀，底部內(nèi)卷部分與電纜屏蔽層緊密連接在一起，改變屏蔽層斷口(銅辮接地處)的電場分布，增大徑向電場分量，降低軸向電場分量，降低屏蔽層斷口處線芯絕緣所處位置的電場強度，減緩屏蔽層電老化速度，達到延長電纜使用壽命的目的。考慮到安裝固定均壓罩之后，妨礙應(yīng)力管、絕緣管(加熱收縮)安裝工作的開展，可以改裝均壓環(huán)(針對35 kV單芯YJV30-120型電纜，見圖7)。在制作電纜終端過程中，將事先加工好的連接片(2片，用金屬材料制作)頭部與接地銅辮一起均勻地搭接在一起，并固定焊接，之后加裝應(yīng)力管熱縮，加裝絕緣管熱縮，從電纜接線端子處套入圓環(huán)(金屬材料制作)和絕緣支架，經(jīng)電氣試驗合格后，將電纜上架固定，銅辮接地，將連接片尾部沿虛線處折疊與電纜軸向成45°角，并與圓環(huán)連接，再將圓環(huán)和絕緣支架連接，均壓環(huán)安裝工作完成，整體成喇叭形狀。

圖6 均壓罩構(gòu)想圖

圖7 均壓環(huán)及絕緣支架構(gòu)想圖

4.2 加裝保護器，降低或切斷流經(jīng)接地銅辮的工頻感應(yīng)電流

如圖8所示，將電纜一端接地線直接接地，另一端經(jīng)保護器接地。保護器為一壓敏電阻，護器上的感應(yīng)電壓較低時，保護器呈高電阻狀態(tài)，阻斷接地回路，限制流經(jīng)接地銅辮的工頻感應(yīng)電流；當(dāng)感應(yīng)電壓較高時，保護器呈低電阻狀態(tài)，接地回路導(dǎo)通，避免電纜遭受短路電流及內(nèi)、外過電壓沖擊時，在金屬屏蔽層產(chǎn)生的感應(yīng)沖擊過電壓，使電纜金屬屏蔽層所產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電流和過電壓均得到限制，降低電纜正常運行時銅辮焊接處的發(fā)熱，減緩電纜絕緣熱老化速度，有效延長電纜的絕緣壽命。

圖8 電纜屏蔽層一端經(jīng)保護器接地

5 結(jié) 論

(1)從電和熱兩方面分析了35 kV熱縮電纜頭終端絕緣擊穿的原因，提出電纜頭終端因電場不均勻分布和環(huán)流熱效應(yīng)聯(lián)合作用是加速絕緣老化主因，可為相關(guān)類似故障分析提供參考。

(2)針對熱縮電纜頭終端絕緣易擊穿這一實際問題，提出了加裝均壓罩和接地保護器的方案，為解決該類型設(shè)備運維中的問題提供了有效的方法，可延長設(shè)備壽命。降低故障發(fā)生率。

(3)所設(shè)計的均壓罩在35 kV電纜運維應(yīng)用中取得良好的效果。但對于不同電壓等級、不同型號電纜，需結(jié)合施工工藝、實際運行工況作進一步的優(yōu)化設(shè)計。