220 kV高壓預(yù)制式電纜中間接頭故障分析與處理

，，， ，， (.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6004；.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 6004)

0 引 言

高壓電力電纜在城市地下電網(wǎng)、發(fā)電廠、變電站等場所應(yīng)用廣泛，但近年來，隨著新建電纜工程的快速擴(kuò)張，高壓電纜及接頭故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。歷數(shù)近年的幾起重大電網(wǎng)事故，均由電纜故障引起，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大、社會影響嚴(yán)重[1-8]。如2013年6月上海500 kV三靜5191電纜線路接頭發(fā)生故障擊穿引起地鐵停運(yùn)；2016年6月陜西110 kV韋曲變電站35 kV出線電纜接頭故障引起電纜溝失火；2016年8月大連66 kV電纜接頭故障后引起同通道內(nèi)電纜燒損短路跳閘等。

由于電纜及附件的絕緣設(shè)計(jì)裕度較大而有效的檢測方法少，安裝過程中產(chǎn)生的潛在缺陷，通常難以通過絕緣電阻、交流耐壓等常規(guī)交接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此類高壓電纜接頭若運(yùn)行于城市電網(wǎng)的重要干線中，將嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。下面以某地由某附件供應(yīng)商統(tǒng)一安裝的220 kV電纜中間接頭造成的多次絕緣擊穿故障為研究對象，對比分析了接頭的解體情況和施工工藝等問題，深度剖析了電纜線路的中間接頭頻繁出現(xiàn)絕緣擊穿的根本原因，以期為高壓電纜的安裝、管理提供借鑒參考。

1 電纜中間接頭故障基本情況

某220 kV甲、乙電纜線路為兩變電站的共通道聯(lián)絡(luò)線，互為備用線路，線路均敷設(shè)于隧道內(nèi)，型號為YJLW02-127/220-1×2 000 mm2，各含中間接頭5組以及GIS終端和戶外終端各1組。

甲線3號電纜接頭B相在線路新投時(shí)，發(fā)生絕緣擊穿故障，接頭起火，并引起臨近電纜損傷。故障后，對修復(fù)后的電纜線路按照國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11316-2014《電力電纜線路試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，重新進(jìn)行1.7U0(216 kV)耐壓試驗(yàn)時(shí)，甲線5號接頭C相(非搶修接頭)在升壓至151 kV時(shí)發(fā)生絕緣擊穿，A、B相電纜通過耐壓試驗(yàn)；而乙線5號接頭A相(非搶修接頭)在升壓至189 kV時(shí)發(fā)生絕緣擊穿。甲線3號電纜接頭燒損嚴(yán)重，已無法辨識接頭內(nèi)放電通道，如圖1所示。

圖1 甲線3號電纜接頭B相燒損嚴(yán)重

經(jīng)核對，甲、乙線電纜接頭均由同一電纜附件供應(yīng)商A供貨，并負(fù)責(zé)安裝。但甲、乙線實(shí)際采用的并不是A供應(yīng)商生產(chǎn)的硅橡膠絕緣預(yù)制件，而是采用B供應(yīng)商生產(chǎn)的以三元乙丙橡膠為主絕緣的預(yù)制件。

2 電纜中間接頭的解體分析

由于甲線3號故障電纜接頭燒損嚴(yán)重，難以辨識放電通道，因此選取在耐壓試驗(yàn)過程中發(fā)生絕緣擊穿的甲線5號接頭C相、乙線5號接頭A相進(jìn)行了對比分析。

2.1 電纜中間接頭的擊穿現(xiàn)象分析

解剖過程中發(fā)現(xiàn)，甲、乙線5號接頭外觀均完好，接地銅殼內(nèi)防水膠未見破損，去除接地網(wǎng)外的繞包帶材后，發(fā)現(xiàn)絕緣預(yù)制件半導(dǎo)電層斷開側(cè)的端部存在絕緣擊穿點(diǎn)，擊穿點(diǎn)孔徑均較小，如圖2所示。

接頭內(nèi)電纜表面放電痕跡如圖3所示。放電點(diǎn)均起始于電纜主絕緣斷口與金屬導(dǎo)體連接處，經(jīng)絕緣預(yù)制件，沿預(yù)制件與電纜主絕緣間的界面延伸發(fā)展，在主絕緣表面、預(yù)制件內(nèi)表面均形成明顯的放電發(fā)展通道。

(a)甲線5號電纜接頭 (b)乙線5號電纜接頭圖2 甲、乙線耐壓試驗(yàn)中形成的擊穿點(diǎn)

圖3 甲、乙線故障接頭內(nèi)電纜表面燒損情況

對絕緣預(yù)制件放電位置進(jìn)行切片觀察，可見放電點(diǎn)均起始于高壓導(dǎo)體連接管半導(dǎo)電帶繞包端部與預(yù)制件內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽體的接觸處，當(dāng)電弧發(fā)展到預(yù)制件靠近零電位的端部半導(dǎo)電體后，由于絕緣距離不足，電弧經(jīng)預(yù)制件內(nèi)部的主絕緣三元乙丙橡膠，形成貫穿性放電通道，如圖4所示。

圖4 甲、乙線電纜接頭故障擊穿面

2.2 電纜及接頭的施工安裝工藝分析

事故發(fā)生后，根據(jù)供應(yīng)商先后提供的A、B兩種電纜接頭安裝說明書，發(fā)現(xiàn)甲、乙線電纜接頭采用的施工工藝與供應(yīng)商B的初始安裝工藝存在差異，在關(guān)鍵部位的施工工藝存在變動。

2.2.1 電纜接頭關(guān)鍵部位的施工工藝變更

1)絕緣預(yù)制件的擴(kuò)徑方法不同

供應(yīng)商A對供應(yīng)商B生產(chǎn)的三元乙丙橡膠絕緣預(yù)制件擴(kuò)徑方法，沿用了其對硅橡膠預(yù)制件的擴(kuò)徑方法，即在對電纜預(yù)處理后，通過導(dǎo)向錐，用鏈條葫蘆將預(yù)制件拉到電纜一側(cè)，壓接好導(dǎo)體接續(xù)管、包繞半導(dǎo)電帶后，再將預(yù)制件拉到中間連接處，擴(kuò)徑方法如圖5所示。

圖5 供應(yīng)商A對絕緣預(yù)制件的擴(kuò)徑方法

供應(yīng)商B采用的是通過專用擴(kuò)張工具對預(yù)制件預(yù)擴(kuò)徑后，密封保存，并于4 h內(nèi)使用。擴(kuò)張時(shí)，沿著導(dǎo)引桿，套好錐頭、擴(kuò)張管，并把導(dǎo)引桿支撐固定到小車上。待處理完中間接續(xù)管后，將預(yù)擴(kuò)張的絕緣件套裝在電纜上，定位準(zhǔn)確后，拔出擴(kuò)張管，使預(yù)制件收縮在電纜上，其擴(kuò)徑示意圖見圖6。

圖6 供應(yīng)商B對絕緣預(yù)制件的擴(kuò)徑方法

絕緣預(yù)制件擴(kuò)徑方法的差異會影響橡膠件的收縮性和受力的均勻性，且拖拉方式容易將預(yù)制件內(nèi)側(cè)未處理干凈的雜質(zhì)帶到絕緣表面，引起沿面放電。

2)金屬導(dǎo)體接續(xù)管外的處理工藝不同

供應(yīng)商A沿用其繞包帶材的舊工藝，即甲、乙線電纜接頭仍是在導(dǎo)體連接管外側(cè)繞包半導(dǎo)電帶，如圖7(a)所示。接續(xù)管外采用半導(dǎo)電帶繞包的方式對安裝人員的繞包工藝要求高，若繞包不良而形成較多縫隙，則局部區(qū)域絕緣電阻偏大，會改變半導(dǎo)電帶內(nèi)的電場分布，引起局部放電。而供應(yīng)商B的電纜接頭采用的是在高壓導(dǎo)體連接管外安裝金屬屏蔽罩形成等電位空間的處理方式，工藝相對簡化，如圖7(b)所示。

圖7 金屬接續(xù)管外處理工藝

此外，解體中發(fā)現(xiàn)乙線5號接頭內(nèi)繞包的半導(dǎo)電帶封口處已翹起，未按工藝要求將尾端壓入已纏好的半導(dǎo)電帶下方，但不排除是在預(yù)制件擴(kuò)徑時(shí)拖拉過程中造成的可能性。

圖8 乙線5號接頭內(nèi)半導(dǎo)電包帶封口翹起

2.2.2 電纜封鉛工藝差引起本體灼傷

在乙線5號電纜接頭解體過程中發(fā)現(xiàn)，接頭兩側(cè)封鉛處的電纜本體上均有鋁護(hù)套壓成的凹痕，電纜本體嚴(yán)重?zé)齻妶D9。燒灼現(xiàn)象說明接頭安裝人員對封鉛工藝控制不佳，封鉛時(shí)間過長，導(dǎo)致電纜過熱、灼燒，長期運(yùn)行后可能會引起本體擊穿故障。

圖9 乙線5號電纜接頭封鉛處電纜本體上燒灼痕跡

除以上問題外，經(jīng)核對，甲、乙線5號接頭的安裝尺寸均在廠家工藝要求范圍內(nèi)，絕緣預(yù)制件均與電纜本體有效搭接，未見明顯異常。

3 電纜接頭產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量分析

在甲、乙線5號接頭解體過程中，發(fā)現(xiàn)絕緣預(yù)制件中部和端部的半導(dǎo)電體與絕緣體的交界面情況不同。端部的絕緣材料與半導(dǎo)電體交界面為平直過度，用萬用表粗測，絕緣材料電阻為∞，半導(dǎo)電材料電阻約為1～20 kΩ，兩種材料分界明顯；而預(yù)制件中部的交界處基本平直，但表層略呈灰色波紋狀，交界處的電阻約為2～30 MΩ，介于半導(dǎo)電體與絕緣體之間，為生產(chǎn)過程中打磨所致。打磨處理后，若殘留碎屑未清理干凈，容易在預(yù)制件擴(kuò)張的拖、拉過程中將半導(dǎo)電顆粒等雜質(zhì)帶到電纜絕緣表面，引起沿面放電。

在事故的后續(xù)分析處理中，嘗試對絕緣預(yù)制件材料進(jìn)行檢測，但由于三元乙丙橡膠材料性質(zhì)偏硬、顏色較深，通過切片等進(jìn)行材料分析的效果不佳。雖材料性能檢測受限，但結(jié)合B供應(yīng)商生產(chǎn)的電纜接頭在國內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行多年故障發(fā)生率較低、總體運(yùn)行情況較好的客觀事實(shí)，基本可排除該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、質(zhì)量方面的問題。

圖10 乙線接頭內(nèi)部絕緣材料與半導(dǎo)電體界面

4 電纜及接頭故障的主要原因分析

根據(jù)兩個(gè)電纜接頭的解體情況，繪制對應(yīng)的放電擊穿通道示意如圖11所示。放電點(diǎn)均起始于高壓導(dǎo)體連接管半導(dǎo)電帶繞包端部與預(yù)制件內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽接觸處，高壓電位經(jīng)半導(dǎo)電屏蔽引至圓弧形端部后，沿預(yù)制件與電纜本體間的界面形成沿面放電。當(dāng)電弧發(fā)展到預(yù)制件靠近零電位的端部半導(dǎo)電體后，由于絕緣距離不足，電弧經(jīng)預(yù)制件內(nèi)部的主絕緣三元乙丙橡膠，形成貫穿性放電擊穿通道。

圖11 甲、乙線5號電纜接頭擊穿通道示意圖

故障接頭解體后，發(fā)現(xiàn)擊穿后的接頭內(nèi)部現(xiàn)象類似，放電通道類似，在電纜本體表面和預(yù)制件內(nèi)形成的燒蝕痕跡也類似，因此判斷事故為同一原因引起。基于放電均起始于導(dǎo)體接續(xù)管外半導(dǎo)電帶邊緣處、電纜主絕緣表面均存在沿面放電的特征，認(rèn)為絕緣預(yù)制件的擴(kuò)徑方法、導(dǎo)體接續(xù)管外的工藝變更與接頭多次在耐壓試驗(yàn)中發(fā)生擊穿有主要關(guān)系。

三元乙丙橡膠絕緣預(yù)制件的生產(chǎn)過程中，由于材料較硬，成型后存在的毛邊需打磨處理。若打磨后的殘留碎屑未清理干凈，容易在預(yù)制件擴(kuò)張的拖、拉過程中將半導(dǎo)電顆粒等雜質(zhì)帶到電纜絕緣表面，引起沿面放電。因此接頭產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝須與其安裝方法相匹配，在未經(jīng)供應(yīng)商B或其他正規(guī)檢測機(jī)構(gòu)認(rèn)可的情況下，隨意變更電纜接頭的關(guān)鍵施工工藝，無法保證絕緣預(yù)制件安裝后仍能達(dá)到設(shè)計(jì)性能。

根據(jù)GB/T 18890-2015《額定電壓220 kV (Um=252 kV) 交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的相關(guān)要求，當(dāng)包含附件安裝工藝在內(nèi)的制造工藝發(fā)生改變，且這種改變可能會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生不利影響時(shí)，應(yīng)對電纜系統(tǒng)重新進(jìn)行型式試驗(yàn)，否則不應(yīng)直接應(yīng)用于電纜工程。

5 結(jié) 論

1)220 kV甲、乙線電纜接頭故障率高，解體現(xiàn)象類似，放電擊穿通道一致?；诜烹娋鹗加趯?dǎo)體接續(xù)管外半導(dǎo)電帶邊緣處、均存在沿面放電的特征，認(rèn)為供應(yīng)商A在關(guān)鍵部位隨意變更供應(yīng)商B的施工工藝，即絕緣預(yù)制件的擴(kuò)徑方法、導(dǎo)體接續(xù)管外的處理工藝，造成產(chǎn)品安裝后無法達(dá)到設(shè)計(jì)性能，是造成本次事故的主要原因。

2)電纜接頭的生產(chǎn)工藝須與其安裝方法匹配，當(dāng)包含附件安裝工藝在內(nèi)的制造工藝發(fā)生改變，且這種改變可能會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生不利影響時(shí)，應(yīng)對電纜系統(tǒng)重新進(jìn)行型式試驗(yàn)，否則不應(yīng)直接應(yīng)用于電纜工程。

3)建議盡快建立健全電力行業(yè)內(nèi)電纜接頭制作的培訓(xùn)、取證、認(rèn)證等系列管理模式，加強(qiáng)對接頭制作工藝過程的有效監(jiān)督管理，從源頭降低電纜接頭故障發(fā)生率。

4)鑒于本次電纜接頭故障引起同通道內(nèi)其他鄰近電纜線路燒損，建議在多回高壓電纜運(yùn)行的電纜通道內(nèi)，完善防火防爆措施，對在建、新建、遷改的高壓電纜線路，在投運(yùn)前應(yīng)同步完成通道內(nèi)防火防爆措施的全覆蓋。此外，建議在物質(zhì)采購環(huán)節(jié)，增加在高壓電纜接頭內(nèi)須使用非可燃性填充膠的要求，從源頭降低電纜及通道內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，避免電纜群傷。

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