10 kV電力電纜中間接頭施工工藝缺陷的研究

喬丕凡 ，張 玉 ，曹華明 ，李豐祿 ，韋立坤

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司昌樂(lè)縣供電公司，山東 濰坊 262400；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司壽光市供電公司，山東 濰坊 262700）

0 引言

隨著電網(wǎng)改造工程進(jìn)行，電力電纜的應(yīng)用日益廣泛。交聯(lián)聚乙烯電纜因其具有易敷設(shè)、維護(hù)簡(jiǎn)單、耐高溫和絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)的電力線路中，并逐步取代油紙電纜和架空線路，成為電網(wǎng)發(fā)展的主流［1-3］。

相對(duì)于電纜本體，電纜附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，對(duì)施工人員的技能水平和作業(yè)環(huán)境要求高，任何細(xì)微的缺陷均可在附件中形成薄弱點(diǎn)，引發(fā)絕緣擊穿，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)供電的可靠性，甚至?xí)绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行［4，5］。

本文模擬了7種在電纜附件施工過(guò)程中形成的典型缺陷，進(jìn)行了仿真分析，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量問(wèn)題均導(dǎo)致電纜附件發(fā)生故障，對(duì)電力線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響。

1 缺陷模擬

1.1 應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未有效搭接

電纜施工過(guò)程中施工尺寸不準(zhǔn)確是造成應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未有效搭接的主要原因，如電纜端部切割尺寸過(guò)長(zhǎng)、外半導(dǎo)電層去除尺寸過(guò)大等均會(huì)造成該種缺陷。模擬電纜半導(dǎo)電層剝除尺寸為193 mm（標(biāo)準(zhǔn)工藝為157 mm），應(yīng)力錐端部與外半導(dǎo)電層未有效搭接，應(yīng)力錐端部距離電纜外半導(dǎo)電層末端約10 mm，如圖1所示。

圖1 中間接頭應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未有效搭接

1.2 應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層搭接過(guò)頭

電纜施工過(guò)程中施工尺寸不準(zhǔn)確也會(huì)造成應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層搭接過(guò)頭，如電纜端部切割尺寸過(guò)短、外半導(dǎo)電層去除尺寸過(guò)小等會(huì)造成該種缺陷。模擬電纜外半導(dǎo)電層剝除后，外半導(dǎo)電層切斷處到附件定位標(biāo)記距離為80 mm（標(biāo)準(zhǔn)工藝為50 mm），導(dǎo)致接頭安裝后，接頭內(nèi)應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層搭接過(guò)頭，如圖2所示。

圖2 電纜接頭應(yīng)力錐與電纜外半導(dǎo)電層搭接過(guò)頭

1.3 電纜絕緣表面處理不干凈

施工環(huán)境不整潔、施工工藝粗糙、絕緣表面清潔不到位、應(yīng)力錐內(nèi)表面清潔不到位等是造成電纜絕緣表面處理不干凈的主要原因。模擬電纜絕緣表面存在半導(dǎo)電顆粒，在電纜絕緣表面涂半導(dǎo)電顆粒點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)3，直徑1～2 mm，圓周方向不規(guī)則分布，如圖3所示。

1.4 電纜絕緣表面有凹坑

半導(dǎo)電層剝除工藝不規(guī)范、絕緣打磨不到位或打磨過(guò)度都會(huì)造成電纜絕緣表面有凹坑，模擬施該種缺陷，電纜絕緣表面有凹坑，形狀為長(zhǎng)5 mm，寬2 mm，坑深1 mm，如圖4所示。

圖3 電纜一端絕緣上人工涂半導(dǎo)電黑點(diǎn)

圖4 電纜絕緣切斷處有凹坑

1.5 電纜絕緣表面有縱向刀痕

半導(dǎo)電層剝除工藝不規(guī)范、絕緣打磨不到位會(huì)造成電纜絕緣表面有縱向刀痕，模擬剝除半導(dǎo)電層過(guò)程中在絕緣表面產(chǎn)生縱向刀痕，深1 mm，長(zhǎng)80 mm，如圖5所示。

圖5 電纜一端絕緣表面有縱向刀痕

1.6 電纜接頭彎曲過(guò)大

電纜端部校直不到位、施工過(guò)程中受外力影響等會(huì)造成電纜接頭部位彎曲過(guò)大，模擬該種缺陷如圖6所示。

圖6 電纜接頭部位彎曲

1.7 電纜接頭密封不到位

電纜密封工藝不到位、運(yùn)行過(guò)程中電纜損傷等容易造成電纜接頭密封不嚴(yán)，模擬電纜接頭在安裝前往絕緣表面灑水，絕緣表面受潮，如圖7所示。

圖7 電纜一端絕緣表面灑水

2 有限元仿真分析

采用Magnet軟件對(duì)上述模擬缺陷進(jìn)行有限元仿真分析，設(shè)置導(dǎo)體材料為銅，絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，應(yīng)力錐材料為預(yù)制橡膠（電導(dǎo)率 σ=10-5S／m），外屏蔽層為半導(dǎo)電材料 （電導(dǎo)率σ=2×10-4S／m），設(shè)置電纜線芯電位為10 kV，屏蔽層為0電位，靜電力常量 k=9.0×109N·m2／C2。 研究表明，當(dāng)應(yīng)力控制材料的電導(dǎo)率時(shí)，其表面的電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)超過(guò)10 kV／cm，遠(yuǎn)低于空氣的電離場(chǎng)強(qiáng)，可以保證不會(huì)發(fā)生局部放電［3］。

2.1 應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未有效搭接

仿真結(jié)果如圖8所示，應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層末端均形成場(chǎng)強(qiáng)集中，應(yīng)力錐末端電場(chǎng)強(qiáng)度為11.6 kV／cm，外半導(dǎo)電層末端電場(chǎng)強(qiáng)度為12.9 kV／cm，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖8 未搭接缺陷接頭仿真結(jié)果

2.2 應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層搭接過(guò)頭

仿真結(jié)果如圖9所示，應(yīng)力錐失去電場(chǎng)應(yīng)力控制作用，電纜絕緣表面、絕緣與半導(dǎo)電層過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生較為明顯的場(chǎng)強(qiáng)集中，電場(chǎng)強(qiáng)度為9.3 kV／cm，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖9 搭接過(guò)頭缺陷接頭仿真結(jié)果

2.3 電纜絕緣表面處理不干凈

仿真結(jié)果如圖10所示，絕緣表面模擬半導(dǎo)電顆粒處電場(chǎng)強(qiáng)度很小，導(dǎo)致絕緣表面場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，半導(dǎo)電顆粒過(guò)渡區(qū)域勢(shì)必形成場(chǎng)強(qiáng)集中，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖10 電纜絕緣表面有半導(dǎo)電黑點(diǎn)仿真結(jié)果

2.4 電纜絕緣表面有凹坑

凹坑距離電纜半導(dǎo)電端口5mm，形狀為長(zhǎng)5 mm，寬2 mm，深1 mm，仿真結(jié)果如圖11所示，凹坑處形成較為明顯的場(chǎng)強(qiáng)集中，電場(chǎng)強(qiáng)度為8.9 kV／cm，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖11 電纜絕緣表面有凹坑仿真結(jié)果

2.5 電纜絕緣表面有縱向刀痕

刀痕形狀為深1 mm，長(zhǎng)80 mm，仿真結(jié)果如圖12所示，刀痕處形成較為明顯的帶狀場(chǎng)強(qiáng)集中，電場(chǎng)強(qiáng)度為7.7 kV／cm，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖12 電纜絕緣表面有縱向刀痕仿真結(jié)果

2.6 電纜接頭彎曲過(guò)大和密封不到位

該兩種缺陷難以通過(guò)有限元仿真分析做出直觀判斷，本文將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)做出驗(yàn)證。

2.7 仿真結(jié)果分析

電纜接頭應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未有效搭接和搭接過(guò)頭，應(yīng)力錐對(duì)改善電纜接頭處電場(chǎng)分布無(wú)任何實(shí)際意義，半導(dǎo)電層斷口處形成較為明顯的場(chǎng)強(qiáng)集中，且電場(chǎng)強(qiáng)度較高，易發(fā)生局部放電造成擊穿事故，對(duì)電力線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響最為嚴(yán)重。應(yīng)加強(qiáng)電纜施工工藝和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過(guò)程管控，嚴(yán)格附件安裝人員資質(zhì)審查和工藝水平考核，完善責(zé)任追溯機(jī)制和規(guī)范驗(yàn)收。

絕緣表面半導(dǎo)電顆粒造成電場(chǎng)分布不均，易發(fā)生懸浮放電。該處缺陷也是較為常見(jiàn)的故障類(lèi)型，管理單位應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，附件安裝現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度和清潔程度應(yīng)符合工藝要求，嚴(yán)禁在雨、霧、風(fēng)沙等嚴(yán)重污染的環(huán)境中安裝電纜附件。

電纜絕緣表面凹坑和刀痕均造成局部場(chǎng)強(qiáng)集中，且電場(chǎng)強(qiáng)度高，易發(fā)生氣隙放電，應(yīng)加強(qiáng)附件安裝人員技能培訓(xùn)，提高附件安裝工藝質(zhì)量，加強(qiáng)工藝質(zhì)量管控。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

按照模擬缺陷的要求，搭建好現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電氣回路，如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電氣回路

3.1 局部放電試驗(yàn)及結(jié)果

按照 GB／T 12706.4—2008《額定電壓 1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件第4部分：額定電壓6 kV到35 kV電力電纜附件試驗(yàn)要求》的規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)回路進(jìn)行局部放電檢測(cè)，施加工頻電壓15 kV，局部放電量要求≤10 pC，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 15 kV工頻電壓下局部放電檢測(cè)結(jié)果

結(jié)論：應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未有效搭接和絕緣表面有凹坑2處缺陷的試驗(yàn)回路能檢測(cè)到明顯的局部放電量，如圖14～15所示。其他缺陷試驗(yàn)回路均無(wú)超過(guò)背景的可見(jiàn)放電。

圖14 絕緣凹坑缺陷局放檢測(cè)結(jié)果

圖15 未搭接缺陷局放檢測(cè)結(jié)果

3.2 工頻電壓試驗(yàn)及結(jié)果

按照 GB／T 12706.4—2008《額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件第4部分：額定電壓6 kV到35 kV電力電纜附件試驗(yàn)要求》規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)回路進(jìn)行工頻電壓試驗(yàn)，施加工頻電壓，加壓時(shí)間5 min，要求無(wú)一次閃絡(luò)、擊穿及過(guò)熱，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 39 kV工頻電壓下，加壓5 min耐壓試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論：電纜絕緣表面有縱向刀痕，耐壓試驗(yàn)1 min時(shí)，接頭發(fā)生擊穿，如圖16所示。

圖16 絕緣表面刀痕發(fā)生爬穿

3.3 雷電沖擊試驗(yàn)及結(jié)果

按照 GB／T 12706.4—2008《額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件第4部分：額定電壓6 kV到35 kV電力電纜附件試驗(yàn)要求》規(guī)定，對(duì)各試驗(yàn)回路進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)，加壓±95 kV各10次，無(wú)閃絡(luò)、不擊穿。

3.4 負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)及結(jié)果

按照 GB／T 12706.4—2008《額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件第4部分：額定電壓6 kV到35 kV電力電纜附件試驗(yàn)要求》規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)回路進(jìn)行恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)，施加工頻電壓23 kV，參考選取電纜的載流量為500 A，進(jìn)行20次循環(huán)試驗(yàn)（電纜導(dǎo)體加熱5 h，冷卻3 h），如圖17所示。

圖17 恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 工頻電壓23 kV，載流量為500 A時(shí)，恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論：在進(jìn)行至第17個(gè)恒壓負(fù)荷循環(huán)周期時(shí)，電纜絕緣表面有凹坑的試驗(yàn)回路發(fā)生擊穿，如圖18所示。在進(jìn)行至第19個(gè)恒壓負(fù)荷循環(huán)周期時(shí)，應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層搭接過(guò)頭的試驗(yàn)回路發(fā)生擊穿事故，如圖19所示。

圖18 凹坑缺陷接頭發(fā)生擊穿事故

圖19 搭接過(guò)頭缺陷接頭發(fā)生擊穿事故

4 結(jié)語(yǔ)

電纜接頭應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未搭接和搭接過(guò)頭、電纜絕緣表面處理不干凈、表面有凹坑和縱向刀痕等缺陷，通過(guò)短時(shí)間的工頻耐壓試驗(yàn)和負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)會(huì)發(fā)生擊穿；電纜絕緣受潮、電纜接頭彎曲過(guò)大等施工缺陷，由于水樹(shù)和電樹(shù)的形成是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要長(zhǎng)期運(yùn)行才會(huì)逐漸暴露出來(lái)，受試驗(yàn)條件限制，不能在較短時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證；電纜絕緣表面有凹坑、應(yīng)力錐與外半導(dǎo)電層未搭接等缺陷也可以通過(guò)高頻局部放電試驗(yàn)來(lái)判別。

為有效避免因現(xiàn)場(chǎng)施工導(dǎo)致電纜附件發(fā)生故障的情況，建議采取措施：加強(qiáng)電纜施工現(xiàn)場(chǎng)管控，尤其是對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵工藝的質(zhì)量管控，建立責(zé)任追溯機(jī)制，完善電纜附件安裝工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，提高電纜附件的安裝質(zhì)量，確保電纜接頭滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求；強(qiáng)化運(yùn)行監(jiān)測(cè)和日常巡視，采用紅外熱成像等技術(shù)手段對(duì)電纜附件進(jìn)行周期性檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理；采用OWTS振蕩波局部放電測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)電纜及附件隱患和缺陷進(jìn)行測(cè)試和定位。