110?kV交聯(lián)聚乙烯電纜本體擊穿事故分析

曾懿輝，王道龍，劉 高

(廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

110?kV交聯(lián)聚乙烯電纜本體擊穿事故分析

曾懿輝，王道龍，劉 高

(廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

針對一起110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜本體擊穿事故，對電纜金屬護(hù)層懸浮電壓及電纜金屬護(hù)層最大瞬時放電電流進(jìn)行了計算，分析并總結(jié)了事故發(fā)生的主要原因，最終提出了預(yù)防類似事故再次發(fā)生的相關(guān)措施。

交聯(lián)聚乙烯；熱擊穿；外護(hù)層；光氧老化；懸浮電壓

0 引言

隨著城市的發(fā)展，電力電纜因具有隱蔽性好、占地小、容量大、可靠性高、維護(hù)工作量少等特點(diǎn)，在城市輸電網(wǎng)中所占的比例逐年攀升。因此，保障電力電纜的安全運(yùn)行對縮短用戶平均停電時間和提高供電可靠性有著十分重要的意義。目前，110 kV及以上電壓等級的單芯高壓電纜多采用波紋鋁護(hù)套作為金屬屏蔽層，為了限制金屬護(hù)層上產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓，在電纜線路設(shè)計中較多地采用了交叉互聯(lián)接地或帶保護(hù)器單端接地的金屬護(hù)層接地方式。在正常運(yùn)行狀況下，這2種接地方式均能有效地限制金屬護(hù)層上的工頻感應(yīng)電壓并抑制流過金屬護(hù)層的接地電流，但是在接地系統(tǒng)遭受意外破壞的情況下，金屬護(hù)層上可能產(chǎn)生過高的懸浮電壓，一旦外護(hù)層被擊穿，將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。

1 故障情況

某110 kV線路于2007年6月投運(yùn)，電纜敷設(shè)方式為槽盒直埋，線路全長750 m，為電纜和架空的混合線路，電纜本體型號為YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2，金屬護(hù)層的接地方式為帶保護(hù)器單端接地，電纜金屬護(hù)層的接地方式如圖1(a)所示。故障前線路僅進(jìn)行過線路投運(yùn)試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均合格，而周期為3年的預(yù)防性試驗(yàn)尚未開展。該110 kV線路電纜段B相于2010年4月發(fā)生單相接地故障。經(jīng)運(yùn)行人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象。

(1) 位于小號側(cè)電纜終端塔上的三相電纜終端至保護(hù)接地箱的3段接地電纜全部被盜，大號側(cè)電纜終端塔上B相電纜終端至直接接地箱的一段接地電纜被盜，被盜后的電纜金屬護(hù)層的接地方式如圖1(b)所示。

(2) 線路故障點(diǎn)位于小號側(cè)電纜終端塔上B相電纜本體處，擊穿點(diǎn)如圖2(a)所示，鋁合金電纜固定夾連同電纜本體一同被擊穿。

圖1 故障前后電纜金屬護(hù)層接地方式

(3) 電纜外護(hù)層上存在石墨涂層脫落的現(xiàn)象，且石墨涂層脫落處有明顯的剮蹭痕跡，裸露在外的聚乙烯層已泛白并顯現(xiàn)明顯裂痕，如圖2(b)所示。

(4) 人工剝離石墨涂層的外護(hù)層，如圖2(c)所示，局部劣化的聚乙烯層與其他正常部分有著明顯的顏色區(qū)別，且表面存在粉化的裂紋。

(5) 三相電纜均存在鋁合金電纜固定夾內(nèi)橡膠保護(hù)墊層缺失的情況。

圖2 事故現(xiàn)場檢查情況

2 故障原因分析

2.1 電纜金屬護(hù)層懸浮電壓計算

由于故障相電纜兩端的接地線均被盜竊，切斷了電纜金屬護(hù)層與終端塔地網(wǎng)之間的連接，導(dǎo)致故障相電纜金屬護(hù)層上的電壓由正常運(yùn)行狀況下的工頻感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻拥鼐€被盜狀況下的懸浮電壓，其故障狀態(tài)下的電氣原理如圖3所示。圖3中C1為線芯與金屬護(hù)層之間的電容，C2為金屬護(hù)層與大地之間的電容。單芯高壓電纜可視為標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形電容器，因此可按圓柱形電容計算模型計算C1與C2的值。

圖3 故障相電纜電氣原理

查閱該110 kV電纜工程竣工資料中的《110 kV電力電纜供貨技術(shù)協(xié)議》，可得到故障電纜的斷面結(jié)構(gòu)圖以及相關(guān)尺寸信息，如圖4所示。其中，D1=37.5 mm為電纜線芯的外徑，含線芯屏蔽層；D2=69.5 mm為主絕緣外徑，不含主絕緣外屏蔽層；D3=95.4 mm為波紋鋁護(hù)套外徑，不含瀝青涂層；D4=104 mm為電纜外徑，含石墨涂層。由廠家提供的絕緣介質(zhì)交聯(lián)聚乙烯的相對介電常數(shù)ε1=2.2，聚乙烯的相對介電常數(shù)ε2=2.3。l=750 m為電纜長度。

圖4 電纜斷面圖及相關(guān)尺寸

C1由電纜線芯和金屬護(hù)層構(gòu)成兩極，以交聯(lián)聚乙烯為絕緣介質(zhì)，計算如下：

由于故障相電纜存在金屬夾具橡膠保護(hù)墊層缺失的情況，可認(rèn)為電纜的石墨涂層通過鋁合金電纜固定夾與終端塔地網(wǎng)良好連接。C2由金屬護(hù)層和大地以構(gòu)成兩極，以聚乙烯為絕緣介質(zhì)，計算如下：

根據(jù)故障現(xiàn)場的檢查情況以及佛山電纜長期的運(yùn)行維護(hù)和工程管理經(jīng)驗(yàn)分析，造成石墨層脫落的主要原因有以下2點(diǎn)。

(1) 施工過程中對電纜外護(hù)層的保護(hù)力度不夠，在放纜施工或終端吊裝過程中發(fā)生了硬物剮蹭電纜外護(hù)層的情況。

(2) 石墨涂層的涂覆工藝不過關(guān)，未按國標(biāo)要求在聚乙烯層上施以均勻牢固的石墨層。當(dāng)外護(hù)層受到剮蹭時，石墨涂層極易脫落。目前國標(biāo)未給出針對石墨層附著力的檢測方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。石墨層脫落后，在光氧老化的作用下，聚乙烯材料的擊穿強(qiáng)度將不斷降低，同時裂紋的出現(xiàn)將減少外護(hù)層的有效絕緣厚度，外護(hù)層的整體擊穿電壓隨著老化程度的加深而急劇下降。

2.3 電纜金屬護(hù)層最大瞬時放電電流計算

金屬護(hù)層對地放電瞬間的等效電路模型如圖5所示，模型忽略了放電過程中接地回路的電感，查詢架空線路桿塔地網(wǎng)檢測記錄得終端塔接地電阻R=5.2 Ω。在高達(dá)數(shù)千伏的懸浮電壓作用下，耐壓水平已嚴(yán)重下降的電纜外護(hù)層隨時可能被擊穿，擊穿過程相當(dāng)于圖5中電容C2對地放電。

圖5 外護(hù)層擊穿瞬間的等效電路模型

依據(jù)圖5中的等效電路模型計算最大瞬時放電電流過程如下。

將式(5)的結(jié)果U1代入式(6)計算電容C2最大初始電壓|uc2|max，得出：

將|uc2|max與式(4)的結(jié)果C2與代入式(7)計算最大瞬時放電電流i(0)，得出：

放電結(jié)束后，如果金屬護(hù)層能夠有效接地，懸浮電壓將消失，否則金屬護(hù)層對地電容C2將會重新充電，并反復(fù)對地放電，造成放電點(diǎn)局部溫度急劇升高。故障如若不能得到及時處理，最終將導(dǎo)致電纜主絕緣發(fā)生熱擊穿。擊穿后狀況如圖6所示，擊穿部位的外護(hù)層已燒蝕殆盡，電纜線芯與金屬護(hù)層因高溫熔化，主絕緣嚴(yán)重碳化。

圖6 電纜主絕緣熱擊穿

3 預(yù)防措施

綜合上述分析與計算，造成本次故障的主要原因如下。

(1) 故障相電纜兩端金屬護(hù)層接地電纜被盜，金屬護(hù)層上產(chǎn)生了高達(dá)數(shù)千伏的懸浮電壓。

(2) 電纜外護(hù)層上石墨層脫落，聚乙烯層失去保護(hù)后發(fā)生了光氧老化，致使外護(hù)層絕緣性能下降。金屬護(hù)層反復(fù)對地放電所產(chǎn)生的巨大熱量誘發(fā)了電纜主絕緣的熱擊穿，最終導(dǎo)致電纜發(fā)生單相接地故障而停止供電。

為防止類似事故再次發(fā)生，建議電纜運(yùn)行部門采取如下預(yù)防措施。

(1) 加強(qiáng)電纜工程的監(jiān)管工作，及時制止、糾正任何可能造成電纜損傷的行為，并嚴(yán)格依據(jù)《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》對電纜工程進(jìn)行驗(yàn)收。

(2) 對于新建電纜戶外終端，應(yīng)遵循就近接地的原則，盡可能讓各相終端通過接地狀況良好的電纜支架或終端塔身就近接地，以降低接地電纜長度和被盜的幾率。

(3) 對于已建成且接地電纜存在被盜風(fēng)險的線路，應(yīng)擇機(jī)對具備改造條件的線路進(jìn)行接地電纜改短工作。對于不具備改造條件的線路，應(yīng)采取信息化監(jiān)控手段加強(qiáng)線路監(jiān)管，如加裝具備報警功能的接地電流在線監(jiān)測裝置或部署戶外場防入侵裝置。

1 GB50127-2007電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].

2 從 光，韓曉鵬，周作春，等.高壓單芯電纜接地系統(tǒng)破壞后的懸浮電壓分析[J].供用電，2009(5).

3 姚金霞.從一起電纜故障談超高壓電纜金屬護(hù)套的接地方式[J].高電壓技術(shù)，2004(S1).

4 楊貴河.電纜電容的計算[J].電器開關(guān)， 2010(1).

5 GB/T11017.2-2002額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜及其附件第二部分：額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜[S].

6 付 敏，郭寶星.聚乙烯材料熱及光氧老化的研究進(jìn)展[J]. 四川化工，2004(6).

7 楊傳譜，孫 敏，楊澤富.電路理論-時域與頻域分析[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，1998.

2013-09-12。

曾懿輝(1985-)，男，工程師，主要從事電力電纜運(yùn)行與維護(hù)工作。

王道龍(1983-)，男，工程師，主要從事電力電纜運(yùn)行與維護(hù)工作。

劉 高(1985-)，男，工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行與維護(hù)工作。