高壓電纜終端擊穿故障的分析與處理

孫永輝，王馥玨， 韓宇澤

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院， 南京 210098； 2.南京供電公司， 南京 210000)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市用電量迅速增長(zhǎng)，新增輸電線路也逐年增加。但限于城市規(guī)劃、環(huán)境景觀、線路走廊的要求，城市輸電線路越來(lái)越多地采用高壓電纜[1-4]。以南京地區(qū)為例，目前35 kV及以上電壓等級(jí)電纜線路總長(zhǎng)度約1 300 km，其中110～220 kV電纜線路近1 000 km，且仍以至少100 km/年(回路長(zhǎng)度)的速度遞增，電纜正逐漸承擔(dān)起主干輸電線路的作用，電網(wǎng)對(duì)其供電可靠性的要求也愈加強(qiáng)烈。

然而隨著電纜線路日益增多和運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，龐大而復(fù)雜的電纜網(wǎng)時(shí)常發(fā)生故障，電纜運(yùn)行中發(fā)生的設(shè)備故障也明顯增多。本文介紹了一起110 kV電纜戶外終端擊穿故障，通過(guò)對(duì)事故電纜終端的解剖分析，最終確定了故障原因，并針對(duì)性地提出了預(yù)防類似事故發(fā)生的措施及建議，為今后同類問(wèn)題的解決提供了有益的嘗試。

1 設(shè)備概況

110 kV某甲線為架空線-電纜混合輸電線路(見圖1)，線路中共計(jì)有兩段電纜，分別為#A塔至#B塔段以及#C塔至乙變電站段，其中，#A塔至#B塔段長(zhǎng)250 m，#C塔至乙變電站段長(zhǎng)365 m，敷設(shè)形式：排管；電纜型號(hào)：YJLW03-Z-64/110-1*800。乙變電站內(nèi)為GIS終端，#A塔、#B塔及#C塔為復(fù)合套管式戶外終端，兩段電纜線路接地方式均采用單點(diǎn)接地，其中乙變電站內(nèi)及#B塔為保護(hù)接地側(cè)，#A塔和#C塔為直接接地側(cè)，該線路于2008年5月投運(yùn)。

2 事故情況

2016年11月7日5時(shí)20分，110 kV某甲線跳閘，一段重合不成，故障測(cè)距：距離甲變10.39 kM，故障相：C相。經(jīng)故障點(diǎn)查找，發(fā)現(xiàn)#C塔C相電纜終端尾管處存在放電燒灼痕跡，如圖2所示，隨后對(duì)故障終端進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)如圖3所示。

通過(guò)對(duì)故障終端的解剖，發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)位于電纜半導(dǎo)電斷口下方約60 mm處，為一直徑約為35 mm大小的孔洞，具體位置如圖4所示。并且擊穿位置沿電纜絕緣屏蔽層一周均有長(zhǎng)期放電痕跡，且屏蔽層與電纜絕緣本體出現(xiàn)脫離。在電纜終端尾管處，銅編織線與尾管完全脫離，電纜鋁護(hù)套表面也存在腐蝕現(xiàn)象，局部已經(jīng)出現(xiàn)穿孔。

圖2 故障電纜終端

圖3 故障擊穿點(diǎn)

圖4 故障電纜終端結(jié)構(gòu)示意圖

3 事故原因分析

3.1 系統(tǒng)模型建立

根據(jù)實(shí)際故障情況以及故障電纜終端的結(jié)構(gòu)特性，建立包括電纜線芯、電纜絕緣、電纜絕緣屏蔽層、半導(dǎo)電阻水層、鋁護(hù)套、電纜外護(hù)套、附件應(yīng)力錐、錐托、應(yīng)力錐罩、絕緣劑、復(fù)合套管、尾管、密封繞包半導(dǎo)電帶、鉛帶、銅網(wǎng)、環(huán)氧泥、防水帶、熱縮管、空氣等的分析模型如圖5所示[5-6]。

建立故障終端計(jì)算模型[7-9]，等效出故障電纜終端計(jì)算的集總電路如圖6所示。

針對(duì)故障電纜段，電纜絕緣相對(duì)介電常數(shù)εi=2.5，電纜外護(hù)套相對(duì)介電常數(shù)εs=8，空氣相對(duì)介電常數(shù)ε空=1，真空絕對(duì)介電常數(shù)ε0=8.85E-12F/m，故障點(diǎn)處電纜絕緣外屏蔽體積電阻率ρ1=0.2～0.4 Ω·m，應(yīng)力錐半導(dǎo)電體積電阻率ρ2=0.4～0.7 Ω·m。

應(yīng)用下式計(jì)算電路元件電阻R、電容C以及容抗X：

式中：Db為電纜絕緣外徑；Da為電纜導(dǎo)體外徑；f為頻率；S為電纜導(dǎo)體截面積；L為電纜段長(zhǎng)。計(jì)算出圖6中各元件參數(shù)為

R1=35～60 Ω

R2=10～25 Ω

Xi=6E04-8E04Ω

XS=1E03～2E03Ω

X雜=1E08Ω

圖5 故障電纜終端計(jì)算分析模型

圖6 故障電纜終端計(jì)算分析模型

3.2 計(jì)算分析

由于在故障解剖中發(fā)現(xiàn)接地銅編織線與電纜鋁護(hù)套及終端尾管完全脫離，但密封環(huán)氧泥材料混合均勻，固化良好，且經(jīng)檢測(cè)，電纜終端塔站柱未發(fā)現(xiàn)有沉降現(xiàn)象發(fā)生。因此，我們懷疑本次故障跟接地銅編織線的連接情況有關(guān)，對(duì)銅編織線連接點(diǎn)不同狀態(tài)進(jìn)行了分析：

1) 接地銅編織線與電纜鋁護(hù)套及終端尾管連接正常情況下：

R地=0 Ω，Ua=0 V，電纜鋁護(hù)套接地正常。

2) 接地銅編織線存在虛焊，進(jìn)而導(dǎo)致尾管進(jìn)潮，銅編織線與電纜鋁護(hù)套及終端尾管處焊接點(diǎn)存在氧化腐蝕時(shí)：

R地將逐漸增大，Ua也將逐漸增強(qiáng)，接地電流I地經(jīng)R地入地，同時(shí)加速銅編織線焊接點(diǎn)的腐蝕。

3) 銅編織線焊接點(diǎn)繼續(xù)受到腐蝕：

R地持續(xù)增大，并增大到R1、R2開始影響電路，接地電流I地經(jīng)R地和R1+R2流入大地，同時(shí)銅編織線焊接點(diǎn)繼續(xù)受到腐蝕。

4) 銅編織線焊接點(diǎn)繼續(xù)受到腐蝕，并完全脫離：

R地繼續(xù)增大，并最終不對(duì)電路起主要影響，由于XS、X雜阻抗值相對(duì)R1+R2更大。并且電路中故障接地電流I地≈U0/Xi≈1 A，主要流經(jīng)R1+R2進(jìn)入大地，Ua≈80 V。R1+R2(故障點(diǎn)處電纜絕緣外屏蔽電阻+應(yīng)力錐半導(dǎo)電層電阻)將在I地影響下發(fā)熱，并且R1發(fā)熱尤為嚴(yán)重[10]。

因此，通過(guò)分析電纜終端銅編織線焊接點(diǎn)不同連接狀態(tài)下的接地電流流經(jīng)情況，初步確認(rèn)故障由于接地銅編織線焊接點(diǎn)受到腐蝕脫離失效引起[11]。最終導(dǎo)致電纜鋁護(hù)套接地失效，進(jìn)而引起故障點(diǎn)電纜絕緣外屏蔽和應(yīng)力錐半導(dǎo)電層上流經(jīng)較大接地電流，導(dǎo)致故障點(diǎn)電纜絕緣屏蔽發(fā)熱嚴(yán)重，絕緣失效，最終導(dǎo)致?lián)舸┕收稀?/p>

3.3 故障點(diǎn)絕緣外屏蔽發(fā)熱溫升分析

基于上述的計(jì)算分析，本研究根據(jù)如圖7所示電纜終端接地銅編織線焊接點(diǎn)脫離這一故障特性，對(duì)故障點(diǎn)周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[12]，并在有限元分析軟件中，依據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況，對(duì)模型添加材料屬性參數(shù)，進(jìn)行電熱耦合的仿真分析。

圖7 故障點(diǎn)情況

對(duì)故障點(diǎn)電纜絕緣外屏發(fā)熱溫升進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖8所示，接地銅編織線焊接點(diǎn)完全腐蝕斷裂后，故障點(diǎn)絕緣外屏蔽發(fā)熱，將產(chǎn)生高于環(huán)境溫度約65 ℃的溫升。

圖8 故障點(diǎn)絕緣外屏蔽溫升分析

對(duì)故障點(diǎn)附近電纜鋁護(hù)套電壓進(jìn)行仿真分析，如圖9結(jié)果所示，接地銅編織線焊接點(diǎn)完全腐蝕脫離后，電纜鋁護(hù)套電壓約為80 V。

圖9 電纜鋁護(hù)套電壓分析

對(duì)故障點(diǎn)絕緣外屏蔽電流密度進(jìn)行仿真分析，如圖10結(jié)果所示，銅編織線焊接點(diǎn)完全腐蝕脫離后，故障點(diǎn)絕緣外屏蔽電流密度約為4 400 A/m2。

圖10 故障點(diǎn)絕緣外屏蔽電流密度分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，選取兩種邊界條件計(jì)算故障點(diǎn)的溫度區(qū)間。

1) 夏季時(shí)(南京夏季平均氣溫29 ℃)，故障設(shè)備滿負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)的故障點(diǎn)溫度情況：

如圖11結(jié)果所示，夏季，故障設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)絕緣外屏蔽溫度約為106 ℃。

圖11 故障點(diǎn)絕緣外屏蔽最高溫度分析

2) 冬季時(shí)(南京東季平均氣溫3 ℃)，故障設(shè)備空載條件下運(yùn)行時(shí)的故障點(diǎn)溫度情況：

如圖12結(jié)果所示，冬季，故障設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)絕緣外屏蔽溫度約為69 ℃。

圖12 故障點(diǎn)絕緣外屏蔽最高溫度分析

綜上，分析結(jié)果顯示，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)溫度將在69 ℃～106 ℃范圍內(nèi)浮動(dòng)，并且這只是將夏(29 ℃)、冬(3 ℃)兩季的平均氣溫作為環(huán)境溫度，實(shí)際上南京炎夏最高氣溫可達(dá)到39 ℃以上，故障點(diǎn)的最高溫度也將相應(yīng)升高。交聯(lián)聚乙烯電纜的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行溫度應(yīng)低于90 ℃，該電纜終端內(nèi)部故障點(diǎn)處絕緣溫度將長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)規(guī)定值，導(dǎo)致絕緣不斷劣化，進(jìn)而絕緣失效，最終發(fā)生擊穿故障。

4 故障定性及處理措施

通過(guò)上述計(jì)算，并調(diào)閱了該線路近一年的接地環(huán)流與終端紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析判斷。可以判定110 kV某甲線#C塔C相電纜終端擊穿故障原因?yàn)椋弘娎|終端接地銅編織線存在虛焊，密封不良進(jìn)而進(jìn)潮，引起接地銅編織線焊接點(diǎn)受到腐蝕并脫離，最終導(dǎo)致電纜鋁護(hù)套接地失效，使鋁護(hù)套存在懸浮電壓，致使繞包在鋁護(hù)套上的鉛帶、銅網(wǎng)與錐托和接地端存在電位差，進(jìn)而引起故障點(diǎn)電纜絕緣屏蔽和應(yīng)力錐半導(dǎo)電層上電流密度較大，導(dǎo)致故障點(diǎn)電纜絕緣屏蔽發(fā)熱嚴(yán)重，并使電纜絕緣長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行溫度超過(guò)90 ℃，最終致使電纜絕緣劣化并失效，進(jìn)而引起擊穿故障。

因此，110 kV某甲線#C塔C相電纜終端擊穿故障的主要原因?yàn)椋弘娎|終端安裝工藝不達(dá)標(biāo)，引起電纜設(shè)備故障，造成線路跳閘。

110 kV某甲線#C塔C相電纜終端擊穿后，運(yùn)行人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并連夜開展了故障搶修和終端解剖工作，分析故障原因，恢復(fù)送電，在事故地點(diǎn)安裝了一組全新電纜終端，并重點(diǎn)關(guān)注了造成本次故障的安裝環(huán)節(jié)——接地銅編織線的焊接與環(huán)氧泥混合的工藝過(guò)程，確保安裝工藝符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖13所示。

同時(shí)，在110 kV某甲線全線終端檢查過(guò)程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)#B塔A相電纜終端封鉛部位有疑似放電痕跡，作業(yè)人員剖開熱縮管后發(fā)現(xiàn)，銅編織帶附近同樣存在嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，且與電纜終端連接點(diǎn)處于脫落邊緣狀態(tài)，如圖14所示。因此，運(yùn)行人員隨即決定對(duì)該組終端進(jìn)行更換處理，及時(shí)消除了這起運(yùn)行隱患，避免了同類故障的發(fā)生，保障了線路的安全可靠運(yùn)行。

圖13 110 kV某甲線#C塔電纜終端安裝過(guò)程

圖14 110 kV某甲線#B塔A相電纜終端

5 結(jié)論

通過(guò)分析總結(jié)本起故障的發(fā)生原因，可以發(fā)現(xiàn)，電纜附件的安裝質(zhì)量直接影響其可靠運(yùn)行能力。因此，查找出電纜附件安裝過(guò)程中存在的弊端，進(jìn)一步規(guī)范和強(qiáng)化相應(yīng)的管理措施，成為提高電纜供電可靠性，降低高壓電纜故障率的一項(xiàng)迫切的任務(wù)。基于這一目標(biāo)，本研究提出以下建議：

1) 加強(qiáng)附件安裝單位及人員的資格審查及考核評(píng)價(jià)，提升高壓電纜施工人員的技能水平。

2) 規(guī)范電纜附件安裝工程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件與標(biāo)準(zhǔn)，核查現(xiàn)場(chǎng)人員安裝資格，對(duì)安裝作業(yè)過(guò)程全程記錄，并做好影像資料的流程。

3) 針對(duì)戶外電纜終端塔，采用自主研發(fā)的電纜終端塔防沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電纜終端站柱進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，避免因沉降而引起電纜終端故障擊穿。

4) 強(qiáng)化電纜附件安裝工程驗(yàn)收，通過(guò)增加首件驗(yàn)收、隨工驗(yàn)收、轉(zhuǎn)序驗(yàn)收等方式，把控電纜附件安裝重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

5) 提升電纜運(yùn)維管理人員專業(yè)水平，注重員工專業(yè)技能鍛煉，鼓勵(lì)員工動(dòng)手實(shí)踐操作，增強(qiáng)員工現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)。

6) 深入推進(jìn)電纜附件質(zhì)量追溯機(jī)制，全程追蹤入網(wǎng)電纜附件設(shè)備安裝全過(guò)程，針對(duì)可能存在家族性缺陷的電纜附件產(chǎn)品進(jìn)行追蹤，降低因產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題帶來(lái)的運(yùn)行設(shè)備安全隱患。