一起110 kV電纜GIS連接終端頭的故障研究分析

黃劍凱，趙建剛

（寶鋼股份武鋼有限公司能源環(huán)保部，湖北武漢 430083）

1 故障背景

2016年2月7日農(nóng)歷除夕日1：46時(shí)，寶鋼股份武鋼有限公司能源環(huán)保部某110 kV總降變電所1#主變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘、10 kVⅠ段母線失電。經(jīng)初步檢查原因?yàn)椋涸摽偨底冸娝?#主變GIS側(cè)110 kV電纜A相電纜終端頭發(fā)生對(duì)地短路放炮，造成部分區(qū)域停電，給生產(chǎn)帶來一定的影響。

圖1 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關(guān)側(cè)A相電纜頭故障外觀

圖2 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關(guān)

該總降變電所1#主變GIS側(cè)三相電纜頭采用氣體絕緣終端（GIS終端）。安裝在GIS端口設(shè)備上作為連接線。GIS終端用預(yù)制式終端來進(jìn)行應(yīng)力控制，采用乙丙橡膠或硅橡膠制作的應(yīng)力錐套在經(jīng)過處理的電纜絕緣上，搭蓋在絕緣上的屏蔽尺寸按電纜附件廠提供的參數(shù)，以保證終端內(nèi)外部的絕緣配合。從110 kV電纜開始使用到發(fā)生故障為止的20多年時(shí)間里，武漢鋼鐵有限公司110 kV線路電纜GIS終端安裝運(yùn)行共計(jì)189個(gè)，變壓器終端共計(jì)111個(gè)，合計(jì)300個(gè)。該總降變電所從1995年5月投運(yùn)開始主變110 kV電纜開關(guān)采用GIS終端運(yùn)行，2012年4月份對(duì)主變110 kV電纜進(jìn)行了大修更換，由上海某電纜附件公司提供附件并重新制作了GIS終端。在此次故障之前，從未發(fā)生故障。

2 研究分析

2.1 理論依據(jù)

從拆下的該總降變電所1#主變GIS側(cè)110 kV電纜A相電纜頭可以發(fā)現(xiàn)在電纜主絕緣本體發(fā)生了擊穿現(xiàn)象。

圖3 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關(guān)側(cè)A相電纜頭故障點(diǎn)

固體絕緣的擊穿形式有電擊穿、熱擊穿和化學(xué)擊穿。這幾種擊穿形式都與電壓的作用時(shí)間密切相關(guān)。由于2012年4月16日～19日對(duì)該總降變電所1#主變一次側(cè)110 kV電纜進(jìn)行過大修更換工作，電纜投運(yùn)時(shí)間短，熱擊穿和化學(xué)擊穿的因素可以排除，因此判斷電纜主絕緣的擊穿形式為電擊穿。

（1）電擊穿

電擊穿的特點(diǎn)是電壓作用時(shí)間短，擊穿電壓高，擊穿電壓和絕緣介質(zhì)溫度、散熱條件、介質(zhì)厚度、頻率等因素?zé)o關(guān)，但和電場的均勻程度關(guān)系極大。此外和絕緣介質(zhì)特性也有很大關(guān)系，如果絕緣介質(zhì)內(nèi)有氣孔或其他缺陷，會(huì)使電場發(fā)生畸變，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿電壓降低。在極不均勻電場及沖擊電壓作用下，絕緣介質(zhì)有明顯的不完全擊穿現(xiàn)象。不完全擊穿導(dǎo)致絕緣性能逐漸下降的效應(yīng)稱累積效應(yīng)。絕緣介質(zhì)擊穿電壓會(huì)隨沖擊電壓施加次數(shù)的增多而下降。由于該總降變電所1#主變GIS側(cè)110 kV電纜A相電纜頭主絕緣本體擊穿點(diǎn)正在電纜應(yīng)力錐的安裝處，為此我們對(duì)電纜應(yīng)力錐作為重點(diǎn)進(jìn)行檢查。

（2）應(yīng)力錐

電纜終端或電纜接頭處金屬護(hù)套或屏蔽層斷開處的電場會(huì)發(fā)生畸變，在電纜的金屬護(hù)套或外半導(dǎo)體屏蔽層開斷處，其軸向電場分量最大，或者說軸向應(yīng)力最集中。對(duì)剝?nèi)ヒ欢ㄩL度的金屬護(hù)套或外半導(dǎo)體屏蔽層的電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)電壓的逐漸升高，在金屬護(hù)套或外半導(dǎo)體屏蔽層的邊緣處發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，使該處主絕緣發(fā)生碳化，最終發(fā)生電纜主絕緣電擊穿事故。因此在電纜的金屬護(hù)套或外半導(dǎo)體屏蔽層開斷處是電纜發(fā)生絕緣擊穿故障最多的位置。

為了改善絕緣屏蔽層斷開處的電場分布，解決方法有幾何法（采用應(yīng)力錐和反應(yīng)力錐）和參數(shù)法兩種。應(yīng)力錐是用來增加高壓電纜絕緣屏蔽直徑的錐形裝置，以將接頭或終端內(nèi)的電場強(qiáng)度控制在規(guī)定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。應(yīng)力錐是最常見的改善局部電場分布方法，從電氣的角度上看，也是最可靠和最有效的方法。應(yīng)力錐通過將絕緣屏蔽層的切斷點(diǎn)進(jìn)行延伸，使零電位形成喇叭狀，改善了絕緣屏蔽層的電場分布，減低了電暈產(chǎn)生的可能性，減少了絕緣的破壞，從而保證了電纜線路的安全運(yùn)行。在110 kV及以上的電纜附件中，采用由工廠生產(chǎn)的預(yù)制應(yīng)力錐，這種應(yīng)力錐面比較接近理論計(jì)算曲線。如圖4所示。

圖4 110 kV GIS氣體絕緣終端結(jié)構(gòu)圖

2.2 故障分析

為準(zhǔn)確分析故障，2016年3月3日我們要求電纜頭制作安裝廠家，對(duì)與該總降變電所1#主變110 kV GIS開關(guān)側(cè)A相電纜頭同時(shí)制作的B、C相電纜頭拆卸檢查。

圖5 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關(guān)側(cè)B相電纜頭

圖6 B相電纜頭應(yīng)力錐安裝位置所做標(biāo)記

圖7 B相電纜頭應(yīng)力錐拆除后安裝位置所做標(biāo)記

廠家提供的GIS/變壓器電纜終端（干式）安裝說明書的尺寸如圖8所示。

圖8 廠家提供的電纜頭安裝說明書參數(shù)

安裝說明書要求在外半導(dǎo)電屏蔽層過渡斜坡處，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的距離小于15 mm，根據(jù)這個(gè)要求，經(jīng)過計(jì)算：應(yīng)力錐底部與外半導(dǎo)電屏蔽層過渡斜坡最低點(diǎn)的理論最小距離為：

最小距離=應(yīng)力錐距離-主絕緣剝切長度-外半導(dǎo)電屏蔽層過渡斜坡最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的距離

我們對(duì)應(yīng)力錐的長度尺寸進(jìn)行實(shí)際測量為250 mm，但是電纜主絕緣剝切尺寸為240 mm，從B相電纜頭應(yīng)力錐拆除后安裝位置所做標(biāo)記實(shí)測的最低點(diǎn)距離僅為4 mm，這樣的安裝尺寸與安裝說明書要求尺寸嚴(yán)重不符。因此大家一致認(rèn)為，安裝尺寸錯(cuò)誤是導(dǎo)致該總降變電所1#主變110 kV GIS開關(guān)側(cè)A相電纜頭故障的直接原因。且110 kV電纜A相電纜頭應(yīng)力錐處電纜主絕緣屏蔽層受損、應(yīng)力錐與電纜和環(huán)氧套管之間的配合存在缺陷，是造成事故的主要原因。

通過廠家了解，2012年4月16日～19日對(duì)該總降變電所1#主變一次側(cè)110 kV電纜進(jìn)行過大修更換工作期間，110 kV GIS電纜頭附件生產(chǎn)廠家對(duì)原GIS電纜頭附件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改良，應(yīng)力錐等核心部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，對(duì)電纜主絕緣電纜主絕緣剝切安裝尺寸也進(jìn)行了變更，新應(yīng)力錐長度為270 mm，而電纜主絕緣剝切尺寸為240 mm。廠家承認(rèn)，將老尺寸應(yīng)力錐錯(cuò)誤放到了按照新應(yīng)力錐設(shè)計(jì)的電纜頭附件中，施工人員施工時(shí)未檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致安裝尺寸錯(cuò)誤，致使事故發(fā)生。

2.3 存在的問題

通過對(duì)故障電纜終端頭樣本實(shí)地解剖以及對(duì)同時(shí)間制作的另兩相（B、C）電纜終端頭的檢查分析，造成A相電纜終端頭放炮的原因是廠家安裝人員當(dāng)初的安裝質(zhì)量和錯(cuò)誤造成。其質(zhì)量缺陷所表現(xiàn)的問題如下：

（1）附件供貨及安裝廠家在2012年左右對(duì)其提供的110 kV電纜GIS終端附件進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，存在著新舊產(chǎn)品同時(shí)能供貨的過渡期。安裝人員現(xiàn)場使用的電纜預(yù)處理尺寸為改型后的尺寸（長240 mm），但安裝的主要附件即預(yù)制應(yīng)力錐為改型前的老產(chǎn)品（長250 mm），存在著電纜附件與電纜預(yù)處理尺寸不配套的問題。

（2）廠家現(xiàn)場安裝人員在制作安裝110 kV電纜GIS終端頭中，使用改型前的老式預(yù)制應(yīng)力錐按改型后的電纜預(yù)處理尺寸進(jìn)行安裝，存在著安裝后的預(yù)制應(yīng)力錐與預(yù)處理的電纜絕緣外屏蔽未有效搭接的問題，造成電纜運(yùn)行后，終端頭內(nèi)電纜絕緣外屏蔽切斷處電應(yīng)力未得到改善，形成尖端放電，日久必導(dǎo)致電纜頭放炮停電，見圖9、圖10、圖11。

圖9 故障電纜頭中所安裝的預(yù)制應(yīng)力錐的測量長度圖（250 mm長的應(yīng)力錐對(duì)應(yīng)安裝的電纜外屏蔽剝切尺寸為195 mm）

圖10 故障電纜頭解剖后電纜預(yù)處理中絕緣外屏蔽剝切尺寸圖（此尺寸應(yīng)安裝長275 mm的預(yù)制應(yīng)力錐）

圖11 110 kV電纜GIS終端頭故障解剖的原內(nèi)部安裝圖

（3）廠家在供貨備料時(shí)，存在裝箱錯(cuò)誤，將老式附件混裝其中，給現(xiàn)場施工安裝人員帶來安裝質(zhì)量隱患。

3 問題解決

針對(duì)此次故障，我們制定了整改措施：

（1）安排計(jì)劃，在規(guī)定時(shí)間前完成對(duì)全部110 kV電纜頭及現(xiàn)場側(cè)電纜接頭檢查、測溫，并將結(jié)果報(bào)主管技術(shù)部門備案。對(duì)2012年左右，同批次安裝的電纜頭進(jìn)行拆開檢查，如有問題立即整改。檢查情況如表1所示。

表1 GIS終端頭檢查情況匯總表

（2）今后，在廠家安裝110 kV及以上電纜附件時(shí)，安裝人員須有連續(xù)3年以上的安裝經(jīng)驗(yàn)。要對(duì)關(guān)鍵工藝過程進(jìn)行攝像、拍照，質(zhì)量記錄要有安裝人員的現(xiàn)場簽名確認(rèn)，并與其他交工資料一并存檔。

（3）組織開展高壓電纜終端頭運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和試驗(yàn)裝置應(yīng)用的調(diào)研，視效果進(jìn)行推廣應(yīng)用。2月29日，委托中國電力科學(xué)研究院武漢高壓實(shí)驗(yàn)所專業(yè)人員對(duì)該總降變電所110 kV全部GIS電纜頭做局部放電測試，從專業(yè)人員給出的測試結(jié)果看，GIS電纜頭運(yùn)行正常。

4 結(jié)論

通過對(duì)某總降變電所1#主變一次A相GIS電纜終端頭故障進(jìn)行分析、研究，找出了導(dǎo)致事故發(fā)生的原因，即：這起110 kV GIS電纜頭故障是一起典型的施工質(zhì)量責(zé)任事故，施工人員未按照工藝要求對(duì)電纜頭的附件進(jìn)行檢查，使得電纜頭安裝現(xiàn)場的質(zhì)量控制記錄形同虛設(shè)。為此我們提出了有針對(duì)性的糾正和預(yù)防措施，以確保110 kV電纜類似故障不重復(fù)發(fā)生，保證電纜正常安全運(yùn)行。