220kV 電纜終端爆炸事故原因診斷及其電場(chǎng)仿真

楊代勇，李宏毅，王 朔，司昌健，趙春明，劉 聰，杜 海

（1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；2.吉林石化公司，吉林 吉林 132022；3.國(guó)網(wǎng)白城供電公司，吉林 白城 137000；4.長(zhǎng)春龍?jiān)措娏υO(shè)備有限公司，長(zhǎng)春 130033）

電力電纜與變壓器、斷路器、輸電線路等電力設(shè)備連接時(shí)，如果連接部位結(jié)構(gòu)不合理，極易造成電場(chǎng)分布不均，所以目前均采用電纜終端結(jié)構(gòu)連接，電纜終端內(nèi)應(yīng)力錐可以有效改善電場(chǎng)分布，保證設(shè)備正常運(yùn)行［1］。近些年，由電纜終端導(dǎo)致的事故頻發(fā)，一些事故是由于終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起，但多數(shù)事故是由電纜終端安裝工藝不良造成電場(chǎng)分布不均引起的。本文針對(duì)一起220kV 電纜終端爆炸事故，利用電場(chǎng)仿真進(jìn)行事故原因分析。

1 電纜終端爆炸事故情況

2011年12月03日，吉林省某電廠2號(hào)高備變間隔內(nèi)220kV C 相戶外式電纜終端正常運(yùn)行中爆炸，2號(hào)高備變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，高壓側(cè)斷路器跳閘，造成2號(hào)高備變間隔停電，4號(hào)發(fā)電機(jī)停機(jī)。電纜終端投運(yùn)日期為2010年7月，即投運(yùn)時(shí)間不到一年。事故前，2號(hào)高備變?yōu)闊醾溆脿顟B(tài)，設(shè)備帶全電壓，無(wú)負(fù)荷。故障錄波器記錄C 相最大故障接地電流11 850A，持續(xù)時(shí)間16ms。

2 電纜終端應(yīng)力錐部位結(jié)構(gòu)及事故原因初步分析

該廠2號(hào)高備變間隔220kV C 相戶外式電纜終端爆炸，瓷質(zhì)套管全部破碎，大體積碎片傾倒在C相與B 相電纜終端頭間，電纜終端頭內(nèi)載流線芯在應(yīng)力錐處燒斷。通過(guò)事故發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)檢查和應(yīng)力錐剖切檢查，初步判斷為電纜終端安裝工藝不良導(dǎo)致應(yīng)力錐處電場(chǎng)應(yīng)力集中，由局部放電缺陷逐步發(fā)展成貫穿性接地故障。

2.1 電纜終端應(yīng)力錐部位結(jié)構(gòu)

電纜終端頭設(shè)置應(yīng)力錐的目的是改善電纜終端根部電場(chǎng)分布，防止由于電纜根電場(chǎng)分布不勻?qū)е碌膬?nèi)部局部放電。爆炸事故中使用的電纜終端應(yīng)力錐部位結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2 故障原因初步分析

圖1 應(yīng)力錐部位結(jié)構(gòu)圖

對(duì)事故后的電纜部件按實(shí)際安裝位置對(duì)正，核對(duì)放電點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的各部件位置、電纜半導(dǎo)層插入應(yīng)力錐位置等，確定電纜終端有兩處放電點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖2、圖3、圖4。A 放電點(diǎn)為φ8mm 貫穿電纜主絕緣小孔，B放電點(diǎn)為大容量放電電弧貫穿電纜主絕緣留下的通道，周邊絕緣材料燒熔。

圖2 電纜終端放電位置

圖3 故障應(yīng)力錐解體檢查

圖4 電纜芯線燒斷位置

應(yīng)力錐解體檢查，放電電弧將應(yīng)力錐一側(cè)大部分撕裂，應(yīng)力錐內(nèi)有基本貫穿縱向的數(shù)條裂紋，應(yīng)力錐半導(dǎo)電層末端邊緣、撕裂的應(yīng)力錐硅橡膠斷面及半導(dǎo)電材料斷面有密集樹(shù)枝狀放電痕跡，應(yīng)力錐半導(dǎo)電層安全距離區(qū)一塊20 mm×30 mm 半導(dǎo)電材料脫落。應(yīng)力錐半導(dǎo)電層首端至與金屬保護(hù)管接觸部半導(dǎo)電層電弧大面積燒灼，電纜導(dǎo)電層剝離邊緣被電弧燒熔變形，電纜終端金屬保護(hù)管內(nèi)電纜半導(dǎo)電層被燒毀。

電纜終端制作是一件技術(shù)性很強(qiáng)、質(zhì)量控制要求極嚴(yán)格的工作，應(yīng)力錐內(nèi)半導(dǎo)電層起皺、硅油堆積或者絕緣表面存在氣泡或雜質(zhì)會(huì)造成應(yīng)力錐內(nèi)電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致應(yīng)力錐內(nèi)部局部放電，最終導(dǎo)致電纜終端絕緣擊穿。

3 電場(chǎng)仿真分析

使用電場(chǎng)仿真軟件ANSYS對(duì)電纜終端安裝時(shí)存在極小汽泡、混入極小雜質(zhì)2種情況進(jìn)行了電場(chǎng)仿真。

3.1 電場(chǎng)仿真模型和參數(shù)設(shè)置

電纜終端電場(chǎng)集中及分布不均部位主要在應(yīng)力錐安裝處，依照應(yīng)力錐實(shí)際結(jié)構(gòu)，針對(duì)這個(gè)部位建立電場(chǎng)仿真模型（見(jiàn)圖5）。

圖5 應(yīng)力錐電場(chǎng)仿真模型

當(dāng)模型區(qū)域內(nèi)最大直徑遠(yuǎn)小于工頻電磁場(chǎng)波形尺寸時(shí)，模型區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)為緩變電場(chǎng)或似穩(wěn)場(chǎng)，電場(chǎng)分布符合靜電場(chǎng)的分布規(guī)律，所以采用靜電場(chǎng)仿真代替工頻交變電場(chǎng)仿真結(jié)果。本文中靜電場(chǎng)仿真模型材料屬性相對(duì)介電常數(shù)εr設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 電場(chǎng)仿真材料屬性參數(shù)

3.2 電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

3.2.1 應(yīng)力錐安裝部位正常情況

無(wú)雜質(zhì)缺陷時(shí)，應(yīng)力錐部位安裝部位的電場(chǎng)分布見(jiàn)圖6。

圖6 正常時(shí)應(yīng)力錐安裝部位電場(chǎng)分布云圖

3.2.2 應(yīng)力錐安裝部位混入氣泡

當(dāng)混入雜質(zhì)缺陷（氣泡或?qū)щ婋s質(zhì)）時(shí)，應(yīng)力錐電位和電場(chǎng)整體分布情況與圖6相似。

針對(duì)應(yīng)力錐半導(dǎo)體延伸部位正下方有直徑1 mm 半圓氣泡（電纜主絕緣外表面），進(jìn)行電場(chǎng)仿真，電場(chǎng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖7。從圖7b中可以看出，氣泡缺陷處場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)位于半圓的右下角（氣泡內(nèi)側(cè)），其值為Emax＝5.99×106V／m。

3.2.3 應(yīng)力錐安裝部位混入導(dǎo)電雜質(zhì)

針對(duì)應(yīng)力錐半導(dǎo)體舌頭正下方有直徑1mm 半圓導(dǎo)電雜質(zhì)（電纜主絕緣外表面），進(jìn)行電場(chǎng)仿真，電場(chǎng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖8。

圖7 應(yīng)力錐安裝部位混入氣泡時(shí)的電場(chǎng)分布云圖

從圖8b中可以看出，缺陷處場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)位于半圓的左下方，其值為Emax＝4.46×106V／m。

圖8 應(yīng)力錐安裝部位混入導(dǎo)電雜質(zhì)時(shí)的電場(chǎng)分布云圖

3.3 電場(chǎng)仿真結(jié)果分析

微小的氣泡或?qū)щ婋s質(zhì)對(duì)電位分布影響不大，但會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度局部分布不均勻，導(dǎo)致氣泡、導(dǎo)電雜質(zhì)所在局部區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度畸變，同時(shí)由圖7a、圖8a可知，應(yīng)力錐半導(dǎo)體延伸部位頂端存在電場(chǎng)強(qiáng)度較為集中的點(diǎn)，在工頻電磁場(chǎng)長(zhǎng)期作用下，氣泡或?qū)щ婋s質(zhì)所在部位產(chǎn)生局部放電，局部放電產(chǎn)生后，會(huì)加速缺陷周邊絕緣的劣化，進(jìn)一步造成缺陷周邊電場(chǎng)分布畸變，形成惡性循環(huán)，逐步形成放電通道時(shí)，向電場(chǎng)強(qiáng)度畸變最大部位發(fā)展（半導(dǎo)體延伸部位頂端），最終形成貫穿性放電。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電纜終端各部件解體檢查、主絕緣放電擊穿特征、短路能量、電纜及電纜附件出廠（包括車間）生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)、安裝記錄等綜合分析認(rèn)為，電纜終端爆炸原因?yàn)閼?yīng)力錐在安裝時(shí)存在局部質(zhì)量控制疏漏，A 處放電點(diǎn)（圖2）附近存在氣泡或雜質(zhì)，導(dǎo)致A 處運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)局部電場(chǎng)分布不均先期放電，后延應(yīng)力錐半導(dǎo)電層轉(zhuǎn)移到B 放電點(diǎn)（圖2）形成大容量貫穿性放電，電弧產(chǎn)生的具大壓力導(dǎo)致電纜終端頭瓷套爆炸。為防止日后出現(xiàn)此類事故，需嚴(yán)格控制電纜終端安裝工藝。

［1］卓金玉.電力電纜終端結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力錐電場(chǎng)數(shù)值分析和模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，15（2）：15－19.