高壓電纜故障探討

王　斌， 舒群力， 汪春萌， 屠曄煒， 鄧　濤， 姚群燕

（1.嘉興市恒光電力建設有限責任公司， 浙江　嘉興　314000；2.國網嘉興供電公司， 浙江　嘉興　314003）

引言

隨著中國經濟的快速發(fā)展，全社會用電量逐年增長，電網結構變得日益復雜。但低成本的蜘蛛網式的架空線不僅影響城鎮(zhèn)化的推進，也會給城市市容造成一定的負面影響，為加快城鎮(zhèn)化建設進程，提高土地資源利用率，由電纜入地工程代替架空線是現(xiàn)代化城市建設的必然趨勢。電纜敷設在地下，具有不占地面空間和維護費用較少的優(yōu)點，但隨著電纜的大量投運，電纜安裝工藝等因素所導致的電纜線路故障也越來越多[1，2]，本文以多年來從事電纜試驗和搶修工作中遇到的故障問題為依據(jù)，對導致高壓電纜故障的原因做簡要分析。

1　電纜制造原因

案例1：對A桿塔到B桿塔段電纜進行檢修試驗。現(xiàn)場試驗情況如下：該電纜主絕緣測試時，絕緣電阻合格。拆除1號直接接地箱接地體，對電纜金屬屏蔽層連同1號保護箱內保護器進行絕緣電阻測試，AC相絕緣電阻合格，B相絕緣異常并有接地現(xiàn)象。故對#1保護接地箱內B相保護器進行單獨試驗，發(fā)現(xiàn)B相保護器均已被擊穿，檢查確認B相保護器外觀良好。從試驗現(xiàn)象判斷，B相保護器應該承受不住感應電壓而被擊穿。B相保護器承受不住感應電壓的現(xiàn)象，基本判斷該B相電纜金屬屏蔽層在B相保護器擊穿前存在未有效接地現(xiàn)象，而A桿塔上1號直接接地線明確接地，故懷疑B相電纜金屬屏蔽層中間存在斷線現(xiàn)象（如圖1所示）。

隨后對B相電纜金屬屏蔽層的斷線情況進行試驗檢查，確認B相存在金屬屏蔽層斷線情況。結合B相金屬屏蔽層斷線情況和1號保護接地箱內B相保護器擊穿現(xiàn)象，判斷B相電纜金屬屏蔽層在運行中未接地，產生高感應電壓將保護器擊穿接地。對B相電纜解剖發(fā)現(xiàn)：該電纜金屬屏蔽層表面氧化發(fā)黑嚴重有發(fā)熱痕跡；金屬屏蔽層有褶皺和斷裂現(xiàn)象（如圖2所示）。對該檢修電纜的解剖情況印證如下：由于電纜金屬屏蔽層的褶皺斷裂情況導致通流能力降低，在感應電流的作用下有發(fā)熱現(xiàn)象，最終導致金屬屏蔽層斷裂造成不接地現(xiàn)象，從而產生感應電壓，隨著負荷的增加，感應電增大導致保護器承受不了而擊穿[3]。從現(xiàn)場的解剖情況判斷電纜金屬屏蔽層的褶皺斷裂可能由制造廠在電纜金屬屏蔽層包裹工序環(huán)節(jié)存在問題或是金屬屏蔽層包裹不緊實在電纜盤圈時受力擠壓形成褶皺甚至斷裂的情況，詢問相關專業(yè)人員也基本認同產品質量問題的判斷?？紤]到三相電纜為同一批次產品，搶修時將三相電纜進行重新敷設安裝。

圖1　電纜示意圖

圖2　B相電纜解剖圖

2　安裝質量原因

案例2：220 kV某某變新增3回35 kV電容器組電纜，在對3回電纜進行交流耐壓（串聯(lián)諧振方式加壓）試驗過程中發(fā)現(xiàn)電纜擊穿的情況。具體情況及參數(shù)如表1所示。

表1　煙雨變3回電纜交流耐壓試驗情況

整個試驗過程下來，明確放電位置為電纜終端處，而且試驗現(xiàn)象基本一致，懷疑由現(xiàn)場制作工藝問題造成。之后由安裝人員對多相故障電纜終端進行解剖，發(fā)現(xiàn)電纜終端半導電層屏蔽層（主絕緣外側）切口處向上20 mm左右處有放電痕跡（各電纜情況均相似），且半導電層切口處理不到位（如圖3所示）。

圖3　電纜終端放電痕跡

發(fā)現(xiàn)放電痕跡位置恰巧為電纜最容易擊穿的位置。在制作電纜頭時，剝去主絕緣半導電屏蔽層后，改變了電纜原有的電場分布，將產生對絕緣極為不利的切向電場（沿導線軸向的電力線）。在剝去半導電屏蔽層后芯線的電力線向半導電屏蔽層斷口處集中，以及芯線對半導電屏蔽層切口的距離不同也會造成電場強度有大小，也會對電纜絕緣不利。因此在半導電屏蔽層斷口處就是電纜最容易擊穿的部位，為均勻分散斷口處的電場應力效果，一般采用應力錐或應力管處理使電場均勻分布[4]。從以上耐壓試驗現(xiàn)象基本判斷，電纜放電故障由應力錐與半導電層接觸面不足或未接觸造成。經過電纜終端制作圖示尺寸復核，發(fā)現(xiàn)各電纜終端制作時少算了電纜線芯壓接頭的孔深度尺寸。

由于電纜終端制作時，少算了電纜線芯壓接頭的孔深度尺寸，且半導電層切口處理不到位，致使電纜應力錐與半導電屏蔽間存在一定的間隙，未有效接觸。當交流耐壓時，半導電屏蔽層切口處場強不斷攀升，隨著時間的積累，最終導致間隙處主絕緣被擊穿放電。

案例3：110 kV某某變擴建工程新增多條20 kV電纜，在進行電纜交流耐壓過程中3號電容器組B相電纜發(fā)生了擊穿放電，現(xiàn)場當時已經在該電纜上施加試驗電壓45 kV/4 min左右（交接標準為45 kV/5 min）。該電纜擊穿放電后進行主絕緣電阻測試，儀器顯示主絕緣已經擊穿接地?？紤]到現(xiàn)場只有一相電纜擊穿，基本確定為安裝制作問題。在未告知耐壓試驗結果的情況下，詢問現(xiàn)場安裝人員電纜耐壓有擊穿情況下認為哪根最有可能。安裝人員明確回復為3號電容器B相電纜，并敘述該故障電纜制作中的問題所在。

安裝人員在進行該相電纜半導電屏蔽層劃割剝離時用力過大，直接傷到了主絕緣，在主絕緣上留下了很深的劃痕，該劃痕最深有2 mm左右，雖然而后進行主絕緣打磨，該劃痕未能完全打磨掉（如圖4所示）。安裝人員考慮到該電纜頭已經基本完工不想重做，就抱有僥幸心理，因而未將該情況告知現(xiàn)場負責人就進行下道工序。

圖4　電纜主絕緣受損引起擊穿放電

由于安裝人員制作中在主絕緣留下的劃痕成為主絕緣的薄弱點，最深處的劃痕在45 kV的試驗電壓下，隨著時間的累積效應，產生雪崩效應，最終擊穿放電[5]。該劃痕即使通過本次耐壓試驗，但在電纜長期運行下，還是會在電場強的作用下絕緣逐漸劣化，最終主絕緣耐受不住，造成電纜故障。

3　金屬屏蔽層接地方式錯誤

運行中的單芯電纜產生交變磁場，在該磁場磁力線交鏈金屬屏蔽層的作用下，在金屬屏蔽層中產生一定的感應電壓。感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流（負荷）成正比。金屬屏蔽層在電纜發(fā)生操作過電壓或短路接地故障等情況下會產生很高的感應電壓，該感應電壓會破壞金屬屏蔽層對地絕緣甚至發(fā)生擊穿。并且電力工程電纜設計規(guī)程要求：單芯電纜線路的金屬屏蔽層上任意一點的感應電壓不得大于100 V。因此金屬屏蔽層必須接地。因此電纜線路設計時一般根據(jù)電纜線路長度和負荷大小等因素一般采用以下幾種金屬屏蔽層接地方式：第一是兩端直接接地；第二是一端接地另一端懸空；第三是一端直接接地另一端經保護器接地第四是交叉互聯(lián)。

案例4：A變電站線路保護動作，線路開關跳閘。搶修班對該線路進行主絕緣測試，主絕緣合格。打開A變電站內1號直接接地箱時，發(fā)現(xiàn)該接地箱內部已經燒毀。清理1號直接接地箱，抽出金屬屏蔽層引出線，分別對ABC相金屬屏蔽層引出線進行絕緣測試，儀器顯示存在接地現(xiàn)象，試驗判斷為該電纜金屬屏蔽層存在故障。當天正值汛期，懷疑中間接頭井內保護接地箱已經泡水失效造成接地現(xiàn)象。打開中間接頭井，發(fā)現(xiàn)中間接頭和各接地箱均已泡水，基本符合初步判斷。打開中間接頭井內箱體時發(fā)現(xiàn)，1號保護接地箱與2號直接接地箱位置裝反。造成第一段電纜金屬屏蔽層兩端直接接地，第二段電纜金屬屏蔽層兩端均經保護器接地。查看變電站線路負荷，發(fā)現(xiàn)近期負荷不斷攀升，造成第一段金屬屏蔽層中的感應電流不斷加大，導致1號直接接地箱無法承受感應電流而燒毀，但對應的2號直接接地箱泡在水中而未燒毀。事故處理情況：拆除所有直接接地箱和保護接地箱，對3段電纜的金屬屏蔽層進行絕緣試驗和斷線情況檢查，絕緣電阻合格，并未發(fā)現(xiàn)斷線現(xiàn)象，判斷該電纜在金屬屏蔽層正確恢復后可正常投運（案例圖的示意圖如圖4所示）。

圖5　電纜線路示意圖

案例5：35 kV某玻璃廠線路電纜故障：電纜頭燒毀，兩端屏蔽層引出線燒斷。在搶修中查閱設計圖紙發(fā)現(xiàn)該線路當初投產時設計采用了金屬屏蔽層一端接地另一端懸空的方式。但安裝單位錯誤地將該電纜金屬屏蔽層進行了兩端都接地。該情況下在金屬屏蔽層中產生的感應電流與導線負荷電流基本上為同一數(shù)量級，只適用于負荷小的短電纜。該廠故障線路電纜投產后很長一段時間內負荷并不大，因此該電纜一直可靠運行著。但近期該廠用電負荷不斷增加，長期處于滿負荷甚至過負荷運行。因而導致電纜金屬屏蔽層無法承受過大的感應電流而燒斷，繼而造成電纜頭主絕緣擊穿而燒毀?？紤]到該線路電纜金屬屏蔽層承受過大電流，不排除全線電纜內部有金屬屏蔽層燒化甚至斷裂現(xiàn)象，基本上認為該電纜已經報廢。

圖6　電纜受外力破壞

4　外力破壞

案例6：某某變電所35 kV某某線路開關跳閘，線路保護顯示線路單相接地故障?，F(xiàn)場對線路主絕緣電阻進行測試，確認為永久性接地。利用電纜故障系統(tǒng)裝置對該線路電纜故障點位置進行定位，根據(jù)電纜敷設路徑，大致確定該故障點位置在一建筑施工工地內。試驗人員到該建筑施工工地內查看，確認樓盤土建施工將線路電纜外力破壞造成線路電纜單相接地故障而線路開關跳閘（如圖6所示）。后對建筑施工工地內部分電纜進行改道敷設后，電纜經過耐壓等相關試驗后順利投產。

5　預防措施

1）電纜終端和電纜中間接頭制作人員應持證上崗。

2）對于電纜制作應根據(jù)廠家安裝制作說明書，將說明書書中的制作尺寸，制作工藝流程等技術要點在現(xiàn)場電纜施工方案中詳細體現(xiàn)，做好方案相關簽發(fā)審批流程。

3）嚴格按照廠家安裝說明書進行制作電纜頭，派專業(yè)人員嚴管制作過程，有條件的可以要求廠家進行現(xiàn)場指導，確保對制造工藝的質量控制。

4）充分考慮電纜制作時的天氣溫度、環(huán)境濕度以及周圍灰塵等因素，嚴禁為趕進度工期而不進行有效控制。

5）電纜終端頭、中間接頭制作中做好密封處理以及防水防潮處理，不得使用劣質或過期的密封膠和防水材料。

6）加強電纜工程相關資料管理及歸檔，應包含以電纜廠家資料、附件廠家資料、電纜路徑走向、中間接頭位置、監(jiān)理見證記錄、金屬屏蔽層接地方式、安裝報告、試驗報告等。

7）根據(jù)電纜路徑走向，在沿線做好“電力電纜警示樁”，嚴禁施工開挖破壞電纜。

8）加強電纜運維巡視，特別是對電纜終端頭和中間接頭進行紅外測溫，提前發(fā)現(xiàn)電纜故障。關注電纜負荷變化情況，特別是滿負荷或過負荷情況下，應加強巡視。

9）選用新型的接地箱，實時采集金屬屏蔽層感應電流和感應電壓，一旦發(fā)生異常進行故障預警。

10）解決金屬屏蔽層接地箱泡水問題，從而降低電纜故障。

[1]杜宏超.電力電纜故障診斷定位系統(tǒng)研究[D].西安：西安電子科技大學，2013．

[2]劉輝.電纜故障診斷理論與關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學，2012．

[3]張棟國.電纜故障分析與測試[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4]劉毅剛，許繼葵.高壓電纜外護套故障及對策[J].高電壓技術，2001，27（b7）：38-39.

[5]王少華，葉自強，梅冰笑.電力電纜故障原因及檢測方法研究[J].電工電氣，2011（5）：48-52.