一起電力隧道中220 kV電纜接頭爆炸機(jī)理的研究及應(yīng)對(duì)措施

黃順濤

摘 ?要：隨著城市化進(jìn)程的加快推進(jìn)，各種電壓等級(jí)的電力電纜遍布大街小巷，而由于各種原因?qū)е码娏﹄娎|發(fā)生爆炸事故時(shí)有發(fā)生，這給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來重大沖擊，乃至給社會(huì)和人民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重影響，文章通過對(duì)一起電力電纜接頭爆炸事故的機(jī)理分析，找出其爆炸原因，制定防范措施。

關(guān)鍵詞：電纜;爆炸;分析

中圖分類號(hào)：TM247 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）36-0082-04

1 ?概 ?述

2014年10月珠海電力隧道發(fā)生一起220 kV電纜由檢修轉(zhuǎn)運(yùn)行（送電）的運(yùn)行操作過程C相中間頭發(fā)生爆炸并起火，并造成敷設(shè)其上方的另外二相電纜被燒灼。受其影響，導(dǎo)致由該線送電的電廠窩電達(dá)半個(gè)月，并對(duì)澳供電可靠性大大降低。

2 ?故障調(diào)查及原因分析

2.1 ?情況調(diào)查

2.1.1 ?電纜概況及運(yùn)行維護(hù)情況

該故障電纜于2013年12月投運(yùn)，全長約10.446 km，全線采用電纜隧道敷設(shè)方式，三根電纜采用品字形布置。電纜型號(hào)為ZR-YJLW

02-1*2500 mm2，中間接頭型號(hào)為LSXI-220MC-1*2500 mm2，運(yùn)行過程每周進(jìn)行1次電纜隧道的巡視，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況;并已進(jìn)行了2次的環(huán)流檢測，及2次電纜接頭紅外檢測，均未發(fā)現(xiàn)異常。截至故障發(fā)生時(shí)，該電纜投運(yùn)未滿1年，也未發(fā)生過負(fù)荷情況。

2.1.2 ?現(xiàn)場檢查情況

①C相（#16）接頭短路、爆炸，爆炸起火，造成接頭完全損壞，同時(shí)造成敷設(shè)其上方的A、B相被燒灼電纜受損：電纜外護(hù)套燒熔下滴，鋁護(hù)套有局部燒損（未燒穿）。跳閘約2 h左右，現(xiàn)場還有明火及冒煙，滅火后，檢查現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該電纜接頭現(xiàn)場外殼絕緣環(huán)氧件除了下方有剩余外，其余完全被炸飛，最遠(yuǎn)一塊（約1 kg）距#16接頭約20 m，其余發(fā)散落在接頭周圍，環(huán)氧件內(nèi)部接頭已被絕緣體被燒空。接頭接地線外套被燒熔。電纜故障現(xiàn)場照片，如圖1所示。

②經(jīng)檢查，電纜隧道上方及內(nèi)部均無外力破壞痕跡，可排除外力破壞的的可能。電纜故障點(diǎn)隧道內(nèi)部和隧道外道路照片，如圖2所示。

2.2 ?原因分析

2.2.1 ?電纜及電纜接頭固定夾具送檢

為找出電纜爆炸原因，對(duì)故障接頭位置臨近的電纜、新作接頭附近電纜、搶修用電纜及電纜接頭固定夾具的取樣送科研機(jī)構(gòu)檢測分析。經(jīng)檢驗(yàn)：故障段電纜及搶修用電纜各性能參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求，金屬抱箍材質(zhì)符合要求，電纜及抱箍不是本次故障產(chǎn)生的原因。

2.2.2 ?非故障的兩個(gè)接頭送檢試驗(yàn)

非故障的兩個(gè)接頭送至中國電力科學(xué)研究院（武漢分院），試驗(yàn)檢測，檢測項(xiàng)目包括：局部放電試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)、操作沖擊試驗(yàn)。

所有試驗(yàn)結(jié)果均合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)本項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，非故障接頭設(shè)計(jì)及電氣性能參數(shù)均符合要求。

2.2.3 ?C相故障接頭和非相故障接頭分別解體對(duì)比分析

①該故障電纜#16兩個(gè)非故障接頭送檢試驗(yàn)情況。

根據(jù)中國電力科學(xué)研究院（武漢分院）對(duì)故障電纜#16兩個(gè)非故障接頭的局部放電試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)、操作沖擊試驗(yàn)等所有試驗(yàn)結(jié)果顯示設(shè)計(jì)及電氣性能參數(shù)均合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

②接頭解體情況分析：

其一，該故障電纜#16C相故障接頭解體情況。

故障接頭解剖數(shù)據(jù)，如圖3所示。

根據(jù)解剖結(jié)果，故障接頭預(yù)制件向故障側(cè)（長端）整體偏移了25 mm，大于說明書要求的小于±5 mm的標(biāo)準(zhǔn)。

其二，該電纜#16其中一個(gè)非故障接頭解體情況。

兩個(gè)非故障中間接頭做完試驗(yàn)后，其中一個(gè)在中國電力科學(xué)研究院（武漢分院）完成解體工作。非故障接頭解剖數(shù)據(jù)，如圖4所示。

非故障接頭解剖數(shù)據(jù)，見表1。

由表1可知，非故障電纜接頭安裝尺寸及質(zhì)量均滿足安裝工藝要求。

其三，故障接頭預(yù)制件位置偏移原因分析。

造成故障接頭預(yù)制件位置偏移的原因有如下兩種可能：

可能一：安裝尺寸錯(cuò)誤導(dǎo)致預(yù)制件偏移

經(jīng)查詢記錄及施工經(jīng)辦人員：本工程接頭安裝人員均由廠家事先認(rèn)可的人員安裝施工，作業(yè)過程中，嚴(yán)格按照工藝要求作業(yè)，每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了檢查、記錄，并經(jīng)廠家代表確認(rèn)，監(jiān)理單位對(duì)每個(gè)接頭安裝均進(jìn)行了旁站記錄，其結(jié)果尺寸符合廠家安裝工藝要求，如圖5所示。

從非故障接頭解體情況看，安裝尺寸準(zhǔn)確，安裝工藝規(guī)范，且解體的故障與非故障接頭位于同一接頭區(qū)，安裝人員及廠家技術(shù)代表均為同一組人員，因此從接頭解體情況看，安裝記錄真實(shí)可信。非故障接頭現(xiàn)場解剖圖，如圖6所示。

可能二：故障后引起預(yù)制件位移。

從故障接頭解體現(xiàn)場看，預(yù)制件向長端偏移，故障接頭解體后觀察到以下情況：

其一，銅殼解剖后短端剩余部分預(yù)制橡膠件尾端半導(dǎo)電帶松動(dòng)現(xiàn)象。

故障接頭解開銅網(wǎng)時(shí)拍攝，短端與鋁護(hù)套連接的銅網(wǎng)解開后，看到預(yù)制橡膠件尾端包繞的半導(dǎo)電帶有松動(dòng)現(xiàn)象，如圖7、圖8所示。并且繞包不均勻，正常的施工工藝不可能允許如此明顯的問題存在，推斷預(yù)制橡膠件本體有位移，導(dǎo)致此現(xiàn)象發(fā)生。

其二，短端預(yù)制件內(nèi)主絕緣表面被熏黑。

故障接頭解體露出短端主絕緣，如圖9所示，圖中可看到主絕緣及預(yù)制件表面全部被熏黑，說明接頭故障短路瞬間，有一股強(qiáng)大的氣流通過接頭短端預(yù)制件與主絕緣之間的界面。

其三，短端剩余部分預(yù)制橡膠件內(nèi)殘留痕跡。

從非故障接頭解體情況看，切開預(yù)制件后，在應(yīng)力管內(nèi)對(duì)應(yīng)屏蔽罩位置兩邊殘留兩道明顯痕跡，如圖10所示。

而從故障接頭解體情況看，在長、短端兩邊各留下了兩道痕跡，兩道痕跡間距約20 mm，如圖11、圖12所示，這兩道痕跡應(yīng)是預(yù)制件爆炸后移位產(chǎn)生。

其四，類似電纜接頭爆炸案例。

2009年11月，110 kV南澳B線C相1#接頭故障時(shí)，由于擊穿過程中的巨大短路能量使電纜線芯空間的空氣劇烈膨脹，膨脹的氣體必須有向外宣泄的通道，氣體由長段排出，巨大的后推力力量使預(yù)制件只能向銅殼短端推進(jìn)，使絕緣體向短端移動(dòng)了約25 cm，并造成短端銅殼與其連接的塑料制件分離，并壓縮了短端電纜鋁護(hù)套。如圖13、圖14所示。

該接頭故障引起預(yù)制件位移原因，故障接頭預(yù)制件安裝工藝為現(xiàn)場往返拖拉錐形式，這種安裝工藝將導(dǎo)致安裝完后，存在向長端的反應(yīng)力集中在長端預(yù)制件內(nèi)，在接頭發(fā)生故障短路時(shí)，反應(yīng)力得到釋放，拉動(dòng)預(yù)制件向長端位移。同時(shí)，從故障頭短端預(yù)制件內(nèi)表面及電纜主絕緣表面全部被熏黑情況來看，爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流往短端方向通過預(yù)制件及電纜之間的界面，推動(dòng)預(yù)制件向長端位移。另外，解剖的故障接頭長、短端兩邊各留下的間距約20 mm兩道痕跡，與解剖實(shí)際位移基本一致。

綜合以上情況分析判斷，并從本次故障及非故障接頭解體情況看，本次故障接頭預(yù)制件位移是由本次故障造成的。

③故障接頭擊穿原因分析

其一，放電通道分析。

從故障現(xiàn)場的電纜頭情況看，長端預(yù)制件炸裂燒毀，只剩下電纜線芯，線芯完整，無斷股、燒損的現(xiàn)象，如圖15所示。從解剖情況看，長端殘留絕緣表面上有明顯放電通道，如圖16所示，故障電流通過順序：壓接管-編織帶（已燒熔）-屏蔽罩，最后沿絕緣表面通道逐漸變寬，如圖17～圖19所示，因長端預(yù)制件及絕緣燒損，未能觀察到放電通道末端，從長端殘留預(yù)制件上可見明顯裂紋，接頭預(yù)制件內(nèi)部存在黑色物質(zhì)，未見電纜主絕緣表面形成的明顯放電通道。

根據(jù)電纜接頭頭的結(jié)構(gòu)，其擊穿過程有三種可能，如圖20所示，第一種如紅色路徑所示，為預(yù)制件本體擊穿：通常為預(yù)制件質(zhì)量不良引起，國內(nèi)目前也發(fā)生多起這類情況，通常會(huì)在預(yù)制件外表面形成擊穿圓孔，一般不會(huì)炸裂整個(gè)預(yù)制件，從本次故障接頭解剖情況看，在殘留預(yù)制件體未見明顯放電通道。第二種如藍(lán)色路徑所示，為沿面擊穿：通常從金屬屏蔽罩、應(yīng)力管（內(nèi)半導(dǎo)電層）沿電纜絕緣與預(yù)制件界面至應(yīng)力錐形成擊穿通道。從本次故障接頭解剖情況看，從屏蔽罩至殘留電纜主絕緣表面存在明顯放電通道。第三種如綠色路徑所示，通常由于安裝尺寸錯(cuò)誤，導(dǎo)致應(yīng)力錐未起到改善電場分布作用，導(dǎo)致電場集中，超過擊穿場強(qiáng)，直接在應(yīng)力錐部位造成電纜主絕緣擊穿，從本次故障接頭解剖情況看，長端露出的該部位電纜線芯完整，無斷股、燒損的現(xiàn)象，沒有放電痕跡，可以排除。

從本次故障接頭解剖看，接頭預(yù)制件長端擊穿通道的一側(cè)內(nèi)表面有許多不規(guī)則放電通道，如圖21所示，從預(yù)制件內(nèi)半導(dǎo)電層與預(yù)制件硅橡膠接觸面開始產(chǎn)生的刷狀放電通道，可能原因分析如下：

第一接頭預(yù)制件內(nèi)部半導(dǎo)電層與硅橡膠接觸面間有毛刺，或存在氣隙等缺陷，由于這些缺陷部位的場強(qiáng)非常集中，運(yùn)行一段時(shí)間達(dá)到臨界場強(qiáng)后，產(chǎn)生局部放電，并發(fā)展為刷狀放電通道;

第二接頭設(shè)計(jì)不合理，但該型號(hào)接頭已通過型式試驗(yàn)及預(yù)鑒定試驗(yàn)，沒有理由表明其設(shè)計(jì)不合理，該原因可以排除。

綜上所述，導(dǎo)致預(yù)制件內(nèi)半導(dǎo)電層與硅橡膠接觸面產(chǎn)生的刷狀放電通道是由于接頭內(nèi)部存在缺陷。

其二，操作過程中導(dǎo)致接頭擊穿原因分析。

本次接頭故障是在220 kV環(huán)琴甲線操作合閘送電過程中發(fā)生，該故障電纜故障時(shí)合閘時(shí)錄波圖，如圖22所示。

從錄波圖可以看出，C相處于峰值時(shí)合閘。通過ATP仿真軟件計(jì)算可知，本次事故的系統(tǒng)過電壓最大值出現(xiàn)在終端站側(cè)，而不在接頭故障點(diǎn)處。如果所有接頭質(zhì)量完好，本次故障不應(yīng)在C相#16接頭處，說明C相#16接頭本身已存在缺陷。

其三，本次故障頭擊穿原因分析。

根據(jù)以上推斷，本次故障接頭存在缺陷，從解體的故障接頭可以明顯看到預(yù)制件內(nèi)半導(dǎo)電層與硅橡膠接觸面有刷狀局放通道，說明預(yù)制件內(nèi)半導(dǎo)電層與硅橡膠接觸面可能存在氣隙或毛刺等缺陷，在運(yùn)行過程中界面產(chǎn)生局部放電，進(jìn)而形成刷狀局放通道，屬于預(yù)制件質(zhì)量問題。合閘瞬間的過電壓加速刷狀局放通道擊穿，造成本次故障直接原因。同時(shí)，在該故障電纜合閘時(shí)錄波圖可以看出，C相剛好處于負(fù)峰值時(shí)合閘，使得該相合閘過電壓值達(dá)到極大值，加上本線路為220 kV長距離電纜線路，因此合閘時(shí)產(chǎn)生的極值過電壓是本次故障的間接原因。

3 ?預(yù)防措施

①盡可能在中間電纜頭安裝防爆滅火系統(tǒng);

②為保證進(jìn)入隧道的工作人員人身安全，制定隧道補(bǔ)充管理要求（規(guī)定涉及的電纜線路需進(jìn)行運(yùn)行方式調(diào)整或較大負(fù)荷調(diào)整時(shí)，須通知隧道內(nèi)人員撤離）;

③加強(qiáng)隧道內(nèi)電纜接頭局部放電帶電檢測，并開展“局放”在線監(jiān)測技術(shù)的研究;

④嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)新建或新做接頭的110 kV以上電纜線路，盡量采用交流耐壓試驗(yàn)，避免采用24 h空載代替耐壓試驗(yàn);

⑤為保證進(jìn)入隧道的工作人員人身安全，進(jìn)行智能巡檢系統(tǒng)的可行性調(diào)研;

⑥綜合國內(nèi)兄弟單位的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，為防止類似事件發(fā)生，進(jìn)一步開展長距離電纜線路及此類接頭的擊穿機(jī)理的研究。

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