一種容易被誤判的XLPE電纜附件故障機理

邊 航，王金鋒，楊大渭，喬文瑋，李高峰，鄭曉泉

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安710048；2.江蘇華能電纜股份公司，江蘇高郵225600；3.西安交通大學，陜西西安710049）

一種容易被誤判的XLPE電纜附件故障機理

邊 航1，王金鋒1，楊大渭1，喬文瑋2，李高峰3，鄭曉泉3

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安710048；2.江蘇華能電纜股份公司，江蘇高郵225600；3.西安交通大學，陜西西安710049）

附件擊穿或爆炸是一種最常見的XLPE電纜故障，常被判別為附件現(xiàn)場安裝缺陷導致的問題。通過對兩起附件擊穿事故分析發(fā)現(xiàn)，其根本原因是附件應力錐所使用的橡膠材料不合格或電纜使用環(huán)境與設計運行環(huán)境不一致。另外，國產(chǎn)電纜絕緣外徑不規(guī)范導致標準附件安裝時與其匹配不好，這也是電纜附件的故障原因。

XLPE電纜；附件；橡膠；故障

0 引 言

由于城區(qū)架空線環(huán)境復雜多變，為保證城區(qū)輸配電安全，現(xiàn)代城市建設不允許城區(qū)出現(xiàn)35 kV及以上的高壓架空線，所以已有的高壓架空線改為電纜的“入地”工程正在各大城市舊城區(qū)改造項目中迅速推行。現(xiàn)代電力電纜運行網(wǎng)絡正在急劇膨脹，電纜的安全運行已成為城市供用電可靠性的根本保證。不同于一般的高壓電氣設備，電纜系統(tǒng)敷設距離長，不可見，敷設環(huán)境多變，特別是電纜附件需要在現(xiàn)場安裝或加工，易產(chǎn)生安裝缺陷，加之還要承受城市改建過程中的外力傷害，因此電纜系統(tǒng)故障已經(jīng)成為城市供用電最難監(jiān)測、也最難處理的故障。

根據(jù)文獻［1］和［2］，電力設備中的絕緣弱點一般不在于絕緣材料自身的電氣絕緣強度，而在于真實電氣絕緣結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生的兩相界面和電場畸變位置。據(jù)文獻［3］，附件故障占電纜故障的31%，而沿面擊穿就占了附件故障的97%。特別是對于不同絕緣材料構(gòu)成的兩相界面，一般會由三種原因引發(fā)界面局部放電，一是兩種材料介電性能的差異，必然導致空間電荷在界面積累，使界面電場畸變；二是兩相界面結(jié)構(gòu)不完善所產(chǎn)生的微小間隙，由于氣體的擊穿強度遠小于固體絕緣而引發(fā)局部擊穿放電；三是界面污染物或水分導致電場畸變引發(fā)局部放電。

對于高壓XLPE電纜附件，在現(xiàn)場安裝時可能會形成如下界面缺陷（見圖1）。

圖1 附件安裝時形成的絕緣缺陷

（1）外半導電層斷面與絕緣外表面所形成的角形結(jié)構(gòu)，這是剝離外半導電層時沒有按規(guī)范進行留下的缺陷。

（2）在剝離外半導電層時絕緣表面被劃傷。據(jù)仿真分析，假定半導電層厚度為1 mm，剝離的斷面與絕緣層之間為絕對直角，割傷缺陷為寬0.5 mm，深1 mm的楔形。臺階缺陷的最高場強達到9.16 kV/mm，而主絕緣割傷缺陷的最高電場強度達到8.78 kV/mm，均遠大于空氣的平均擊穿場強3 kV/mm，必然引發(fā)局部放電［4］。

（3）附件與電纜尺寸配合不好形成的薄層氣隙及兩相材料之間產(chǎn)生污染或水分等。

本文所描述的重點不在于上述顯著絕緣缺陷，而在于一種隱性缺陷，即分析電纜運行5年之后的附件故障歸類及故障形成原因。

1 故障案例分析

1.1 案例1

2015年4月的某天下午15時許，西寧電力局位于東海鎮(zhèn)郊區(qū)的一處連接110 kV架空線路XLPE電纜的瓷質(zhì)充油電纜終端發(fā)生爆炸，圖2為一組將該電纜終端解剖后的分析照片。

圖2 電纜終端解剖照片

圖2b顯示，最終擊穿位置出現(xiàn)在應力錐正下方。圖2c和圖2d為擊穿期間沿絕緣表面的爬電與電弧灼燒痕跡，顯示放電途徑為電纜芯導體至擊穿位置的絕緣表面，表明此時應力錐絕緣與電纜絕緣之間存在顯著間隙。螺旋狀放電痕跡足以證明該附件在向右扭轉(zhuǎn)套入電纜絕緣時形成的右螺旋狀應力或微間隙。作為充油終端，該間隙此時成為事實上的油隙，該處結(jié)構(gòu)也成為典型的應力錐絕緣—螺旋狀油隙—電纜絕緣三層結(jié)構(gòu)。圖2e和圖2f顯示，硅橡膠應力錐出現(xiàn)顯而易見的材料老化痕跡，表明硅橡膠材料老化收縮或彈力下降是導致終端應力錐絕緣與電纜絕緣之間出現(xiàn)間隙的根本原因。

1.2 案例2

2014年6月26日，京博石化控股公司某電纜溝道35 kV電纜接頭爆炸。由于沒有見到已經(jīng)被破壞掉的接頭損傷痕跡和解剖時的照片，僅依據(jù)所見到的接頭內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)照片分析如下（見圖3）。

（1）假定圖3b中的三根電纜由左至右分別為A、B、C相。由碳化和灼燒痕跡可見：A、C兩相絕緣表面碳化痕跡色澤近似，A相上部絕緣表面有顯著電弧環(huán)繞灼燒痕跡。顯示在電纜接頭爆炸前，有較長時間的沿面爬電出現(xiàn)，A相上部分首先出現(xiàn)大能量拉弧，顯示爆炸主要由A相沿面閃絡造成大量高壓氣體引發(fā)。十分巧合的是，該案例沿絕緣表面放電路徑幾乎與案例1完全相同，也呈現(xiàn)右螺旋特征，這進一步證實了安裝時形成的右螺旋應力對附件絕緣老化的影響。

圖3 事故分析圖

（2）A、C兩相裸露纜芯導體位置的端面和銅導體表面碳化痕跡明顯，顯示沿絕緣表面爬電路徑并沒有被導體接頭上方的半導電橡膠層阻斷，即爬電路徑直接由電纜外屏蔽層經(jīng)由已被剝離外半導電層的絕緣表面到達纜芯銅導體，而沒有經(jīng)由纜芯導體上方的半導電層。這表明事故時該半導電層與金屬接頭處于分離狀態(tài)（圖4位置①）。

（3）接頭內(nèi)部絕緣表面存在長而深的刀痕以及凹凸不平的絕緣表面剝離痕跡（見圖3c），顯示該接頭完全由“外行”施工。但針對本次事故，由于B相并未出現(xiàn)放電碳化痕跡，表明這種外行施工尚不屬于引發(fā)本次事故的直接原因。但必然存在較為明顯的局部放電，這種安裝質(zhì)量會嚴重縮短電纜接頭的運行壽命。即使本次水分不進入，該接頭仍然可能在短期失效或爆炸。

（4）運行人員描述。該電纜接頭已經(jīng)運行三年才出現(xiàn)事故，出現(xiàn)事故前曾數(shù)次報告“接地”。后來電纜溝被水淹沒，爆炸后拆解電纜接頭，其中有大量水分。當初附件選購人員描述，該附件為國產(chǎn)件，應力錐乙丙橡膠材料也為國產(chǎn)，顯示該電纜接頭在運行過程中應力錐材料逐漸收縮，水分逐漸滲入應力錐與電纜絕緣界面因材料收縮而產(chǎn)生的螺旋狀縫隙，是導致此次接頭爆炸的根本原因。

圖4 事故時接頭各部分相對位置分析圖

2 討 論

為討論方便，先將電纜附件絕緣常見擊穿路徑畫于圖5。由圖5可知，無論是安裝缺陷、應力錐絕緣與電纜本體絕緣尺寸匹配不好、還是絕緣老化缺陷，應力錐絕緣與電纜本體絕緣界面是否完善是電纜附件絕緣擊穿判定首先要考慮的因素。而這三者的區(qū)分，我們認為首先應從電纜故障出現(xiàn)的時間來判定。為此我們做出了電纜附件絕緣故障歸類浴盆曲線圖（見圖6）。

圖5 兩相界面導致電纜終端絕緣擊穿分析圖

由圖6可知，除偶然外力或終端進水導致的絕緣故障外，一般可以認為：

（1）運行5年以內(nèi)電纜附件的擊穿事故可以歸結(jié)為安裝缺陷或附件與電纜絕緣本體尺寸匹配不好所致。在對電纜附件解剖進行事故認定時，應仔細檢查絕緣表面半導電層斷面是否存在棱角，安裝過程中，在對絕緣外半導電層進行剝離時絕緣表面是否留下刀痕，安裝是否存在污穢，以及放電痕跡是否從此開始發(fā)展等，然后根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)最終判定。

（2）運行3～12年內(nèi)的電纜附件事故可以初步歸結(jié)為電纜附件選型不當或附件生產(chǎn)選材不當所致。比如案例1爆炸事故的電纜終端已使用正好10年，可以基本排除附件安裝不當問題。在解剖過程中從電纜上抽出終端應力錐非常困難，可以排除電纜終端與電纜的安裝匹配不當問題。從電纜終端絕緣的老化裂紋可以確定屬于電纜終端應力錐絕緣老化所致。西寧地區(qū)海拔2 295 m左右，晝夜溫差大（最大溫差16℃），少雨，夜晚寒冷（冬天最低溫-12℃左右），氣壓低，暴露在露天的終端會經(jīng)歷遠比海拔1 000 m以下更為嚴酷的冷熱循環(huán)及低氣壓。由此提示，在選購高海拔露天電力設備時，應充分考慮氣候環(huán)境因素所導致的材料老化問題。案例2的35 kV接頭爆炸事故的電纜運行時間正好3年，已歸結(jié)為電纜附件材料選用不當，附件材料回彈力逐漸下降，導致附件與電纜絕緣兩相之間逐步出現(xiàn)間隙所致。

（3）12～25年為電纜的穩(wěn)定運行期，此期間電纜附件絕緣擊穿事故主要為局部絕緣缺陷所導致的長期局部放電。

圖6 電纜附件故障原因歸類圖

3 結(jié) 論

（1）導致高壓XLPE電纜附件故障的原因依次為：安裝不當；附件與電纜絕緣尺寸不匹配；附件選型與環(huán)境因素不符；附件應力錐所用橡膠材料不合格；附件材料正常老化等。

（2）0～5年為電纜附件事故高發(fā)區(qū)，電纜附件故障可以歸結(jié)為安裝不當、附件與電纜絕緣尺寸不匹配、附件應力錐所用橡膠材料不合格等；5～10年為電纜附件質(zhì)量考察區(qū)，附件故障原因可歸結(jié)為附件應力錐所用橡膠材料不合格、電纜附件選型不符合運行環(huán)境等；10～30年為高壓電纜附件穩(wěn)定運行區(qū)，運行在該區(qū)段的高壓電纜附件故障原因主要為絕緣正常老化；30年以上屬于電纜事故上升期，為電纜附件絕緣壽命終了，迅速老化所致。

（3）導致電纜附件故障的各種因素會有交集，具體因素應根據(jù)實際解剖分析綜合判定。

［1］ 劉其昶編.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設計原理中絕緣結(jié)構(gòu)總論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［2］ 金維芳編.電介質(zhì)物理學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［3］ 古亮.交聯(lián)聚乙烯-硅橡膠界面電痕破化現(xiàn)象研究［D］.天津：天津大學，2010.

［4］ 周鳳爭，孟慶霖，朱曉輝，等.10 kV電纜附件典型缺陷仿真與絕緣故障分析［J］.絕緣材料，2011，44（4）：67-69.

A K ind of Easy to be M isjudged Accessories Fault M echanism of XLPE Cable

BIAN Hang1，WANG Jin-feng1，YANG Da-wei1，QIAOWen-wei2，LIGao-feng3，ZHENG Xiao-quan3
（1.Stade Grade of Shanxi Electric Power Company，Xi'an 710048，China；2.Jiangsu Huaneng Cable Co.，Ltd.，Gaoyou 225600，China；3.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

Accessories explosion or insulation breakdown is one of themost common fault phenomenon of XLPE cable，the reason that caused this fault often be discriminate as on-site installation defects.It is found that，by analyzing one of accessories breakdown accident，the primary cause is that the elasticmaterialwhich accessories stress corn used was unqualified or cable operation environment inconformity with the design environment.In addition，there is another reason that causes XLPE cable accessories fault，the domestic cable insulation diameter is not standard that certainly causes gaps between standard accessories and cable insulation.

XLPE cable；accessories；elastic；fault

TM247.1

：A

：1672-6901（2016）06-0030-04

2016-03-29

邊 航（1964-），男，高級工程師.

作者地址：陜西西安市柿園路218號［710048］.