中壓電纜應(yīng)力附件安裝工藝質(zhì)量缺陷原因分析

楊宇峰，馬婷婷

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技的飛速發(fā)展，電力電纜因其線間距離小，占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)綜合考慮電力輸送通道、運(yùn)行維護(hù)等因素，使得中壓電纜（6～35 kV）非常廣泛地應(yīng)用于城市電網(wǎng)、企業(yè)配電、光伏及風(fēng)力發(fā)電站、城市軌道交通、高鐵電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。中壓電力電纜的廣泛應(yīng)用使得電纜一旦發(fā)生事故，將會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響(直接損失∶間接損失∶社會(huì)損失為1∶4∶6)。因此，電纜的安全運(yùn)行是電力系統(tǒng)運(yùn)行安全和生產(chǎn)生活正常秩序的保障。電纜終端作為電纜絕緣設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，其故障約占電纜故障的70 %，其中電纜終端應(yīng)力附件工藝制作質(zhì)量缺陷在電纜附件故障中占有很高的比重。因此，加強(qiáng)電纜終端應(yīng)力附件工藝制作質(zhì)量管控及過程管理，對(duì)防止電纜終端故障來說顯得非常重要［1-5］。

1 電纜終端電場分析

1.1 中壓電纜結(jié)構(gòu)

中壓電纜(單芯、三芯)結(jié)構(gòu)如圖1所示[6-7]。電力電纜在能量傳輸?shù)倪^程中，芯線導(dǎo)體作為能量傳輸載體，其與大地之間具有較高的電位差，因此需要采用絕緣材料將其和大地之間進(jìn)行絕緣。綜合考慮電場分布的均勻度、電能傳輸?shù)目煽啃?、安全性等因素，電纜制造工藝上在絕緣層外部包繞一層金屬屏蔽層，絕緣層內(nèi)外表面各敷一層半導(dǎo)電層以起到均勻電場分布的作用。在運(yùn)行時(shí)，金屬屏蔽層可靠接地。因此從原理上說，在電纜內(nèi)部，導(dǎo)體和金屬屏蔽層之間形成了一個(gè)較為均勻的面電場，電應(yīng)力為徑向分布。

圖1 中壓電纜結(jié)構(gòu)

1.2 中壓電纜終端電場分布分析

1.2.1 電纜終端不做任何處理時(shí)的電場分析

中壓電纜終端在和其他電氣設(shè)備連接時(shí)，采用在線芯導(dǎo)體上壓接金屬端子，用緊固件進(jìn)行連接。

如果不對(duì)電纜終端的線芯導(dǎo)體和金屬屏蔽層之間進(jìn)行任何工藝處理，那么在終端表面位置，導(dǎo)體和屏蔽層之間的電場分布不再和電纜內(nèi)部一致，其在空氣介質(zhì)中的分布可以看作為極不均勻電場［7］。在電纜終端表面，空氣的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)低于電纜絕緣材料(主要為XLEP，ERP)，且電纜終端表面不平滑、雜質(zhì)殘留更加增強(qiáng)了表面電場的不均勻度，容易導(dǎo)致電場畸變，降低擊穿場強(qiáng)。因此電纜終端表面位置在很低的電壓下就會(huì)引起導(dǎo)體和屏蔽層之間的絕緣擊穿[7］。所以，不對(duì)電纜終端進(jìn)行工藝處理，就無法安全可靠的進(jìn)行電能傳輸。

1.2.2 電纜終端進(jìn)行處理后的電場分析

為了能保證電能持續(xù)安全地輸送，在電纜終端搭接處，需要對(duì)電纜終端進(jìn)行加強(qiáng)絕緣強(qiáng)度的工藝處理。其最直接的做法就是將金屬屏蔽層和絕緣表面的半導(dǎo)電層剝除一部分，增大芯線導(dǎo)體和金屬屏蔽層(半導(dǎo)電層)之間的距離，從而加強(qiáng)它們之間的絕緣強(qiáng)度。

在進(jìn)行電纜金屬屏蔽層(半導(dǎo)電層)剝除處理后，其電場分布(無應(yīng)力錐)如圖2所示。

圖2 電纜終端電場分布(無應(yīng)力錐)

由圖2可知，在屏蔽層隔斷處，出現(xiàn)電場應(yīng)力集中現(xiàn)象，其分布特點(diǎn)為：有強(qiáng)軸向分量的極不均勻電場。在電纜內(nèi)部，電場基本按照徑向均勻分布，在電纜終端，電場嚴(yán)重畸變是由軸向分量引起的。軸向分量引起的屏蔽層(半導(dǎo)電層)割斷處的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致絕緣表面電場畸變，降低絕緣耐電強(qiáng)度，容易引起局部放電。經(jīng)過時(shí)間的累積，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電纜擊穿，引發(fā)電纜終端事故[1，8]。

為了降低屏蔽層(半導(dǎo)電層)割斷處場強(qiáng)的嚴(yán)重集中，分散應(yīng)力分布，降低電纜軸向場強(qiáng)分布，防止電纜事故發(fā)生，在中壓電纜終端工藝處理中通常采用裝設(shè)應(yīng)力管或應(yīng)力錐的方式[1，8］。

對(duì)于中壓電纜，主要采用冷縮頭和熱縮頭的工藝方式，隨著技術(shù)發(fā)展，冷縮頭因其制作工藝的簡單、絕緣性能良好已占據(jù)市場主流。冷縮頭主要采用應(yīng)力錐方式降低屏蔽層(半導(dǎo)電層)斷口處的應(yīng)力集中問題。在屏蔽層(半導(dǎo)電層)增加應(yīng)力錐后，電纜終端電場分布如圖3所示。由圖可知，應(yīng)力錐的存在，降低了電纜終端極不均勻電場中的軸向分量，增加了徑向分量。使電纜在終端的電場分布趨于均勻，降低場強(qiáng)集中的作用還是很明顯的［1,8］。根據(jù)相關(guān)研究，對(duì)于10 kV電纜，在外半導(dǎo)電層切斷處，無應(yīng)力管時(shí)最大場強(qiáng)為74.5 kV/cm，有應(yīng)力管時(shí)最大場強(qiáng)為31.3 kV/cm,未達(dá)到無應(yīng)力管時(shí)最大場強(qiáng)的1/2[1］。

圖3 電纜終端電場分布(有應(yīng)力錐)

由以上分析可知，冷縮電纜終端安裝質(zhì)量的可靠性是保障電力電纜安全運(yùn)行的保障，尤其應(yīng)力錐(管)的工藝安裝的質(zhì)量對(duì)電纜事故的形成與否有著至關(guān)重要的決定性作用。

實(shí)際工作中就出現(xiàn)過某變電站35 kV電纜終端應(yīng)力錐安裝不合格的情況。近年也發(fā)生過兩起35 kV電纜冷縮終端因應(yīng)力錐安裝工藝不合格所造成的電纜終端擊穿事故。

2 電纜應(yīng)力錐安裝工藝質(zhì)量缺陷原因分析

2.1 分析的必要性

電纜終端的安裝是一個(gè)比較復(fù)雜的技術(shù)工作，尤其對(duì)于有著非常重要作用的應(yīng)力附件來說，安裝質(zhì)量需要嚴(yán)格按照廠家技術(shù)要求和工藝規(guī)定的技術(shù)方法進(jìn)行施工才能得到保證，否則將會(huì)造成缺陷隱患，進(jìn)而造成電纜運(yùn)行過程中的突發(fā)事故。如引言中所述，在目前中壓電纜在城市電網(wǎng)、交通、發(fā)電領(lǐng)域極為廣泛的應(yīng)用環(huán)境下，事故造成的嚴(yán)重社會(huì)后果、經(jīng)濟(jì)后果、安全后果是不言而喻的。

對(duì)電纜終端應(yīng)力錐工藝質(zhì)量不合格原因進(jìn)行分析和判斷，從而找到切實(shí)可行的改進(jìn)措施以加強(qiáng)質(zhì)量保障，將會(huì)有效降低終端事故率，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全和社會(huì)生產(chǎn)生活秩序。

2.2 缺陷原因分析及防范措施

電纜終端的制作工序，屬于隱蔽性工序作業(yè)范疇，電纜終端制作完成后，無法直觀看出其工藝質(zhì)量是否符合技術(shù)規(guī)范要求。除去電纜及電纜終端本身質(zhì)量缺陷，單從應(yīng)力錐工藝安裝不合格造成質(zhì)量缺陷方面分析其原因，提出有效規(guī)避的方法［2-3］。

(1) 制作人員技術(shù)及職業(yè)素養(yǎng)因素及防范措施。目前，電纜終端制作的整個(gè)過程是由人工作業(yè)完成。因此，技術(shù)人員的技術(shù)能力及職業(yè)素養(yǎng)直接決定電纜終端的制作質(zhì)量。電纜終端的制作是一項(xiàng)技術(shù)要求比較高的工作，因此，進(jìn)行電纜終端制作的人員應(yīng)該經(jīng)過專業(yè)技能培訓(xùn)并持證上崗(應(yīng)急管理部主管的特種作業(yè)證書：電力電纜證書)，取得證書后還需要在經(jīng)驗(yàn)豐富人員的指導(dǎo)下進(jìn)行一定的實(shí)踐鍛煉，同時(shí)進(jìn)行技術(shù)考核及職業(yè)素養(yǎng)考核合格后方可進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)。

(2) 施工企業(yè)管理因素及防范措施。隨著多年電力工程市場改革的推進(jìn)，電力民營企業(yè)也在蓬勃發(fā)展。與此同時(shí)，隨著電網(wǎng)系統(tǒng)一線施工用工方式的改變、社會(huì)電力施工市場的深刻變革，也造成了電力施工市場主體技術(shù)和管理的良莠不齊。有些企業(yè)在追求利益的同時(shí)，不重視企業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)和施工工序質(zhì)量管理，是造成電纜終端應(yīng)力錐制作質(zhì)量缺陷的很重要的原因。因此，施工企業(yè)應(yīng)本著企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理念，加強(qiáng)技術(shù)人員的培訓(xùn)、培養(yǎng)以及嚴(yán)格施工工序的質(zhì)量管理，提高施工質(zhì)量，履行社會(huì)責(zé)任，贏得市場口碑。

(3) 業(yè)主監(jiān)管因素及防范措施。電纜終端應(yīng)力錐安裝質(zhì)量作為容易造成事故的一個(gè)重要環(huán)節(jié)、一個(gè)重要的隱蔽性工序，在業(yè)主方監(jiān)管工作上應(yīng)該得到足夠地位的重視。根據(jù)多年的從業(yè)經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)，有些代表業(yè)主方的監(jiān)理公司及業(yè)主方的管理人員對(duì)電纜終端制作過程的監(jiān)督管理并不重視。為了防止因制作工藝質(zhì)量不合格引起電纜事故，在電纜制作時(shí)，作為監(jiān)管方，首先應(yīng)認(rèn)真核實(shí)制作人員的從業(yè)資格證書及技術(shù)能力；其次在制作過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行隱蔽工程的監(jiān)督管理程序。業(yè)主方的嚴(yán)格監(jiān)管，對(duì)于制作質(zhì)量的提升會(huì)有事半功倍的效果。

(4) 電纜運(yùn)行后的監(jiān)控管理。電纜終端應(yīng)力錐的制作缺陷一般會(huì)有一個(gè)時(shí)段的發(fā)展過程，常常會(huì)以熱擊穿的方式表現(xiàn)出來。應(yīng)力錐安裝的缺陷引起的強(qiáng)電場畸變的未改善，會(huì)引發(fā)終端電場嚴(yán)重畸變處電導(dǎo)電流增加，或者在局部放電作用下引發(fā)介質(zhì)損耗發(fā)熱，介質(zhì)在熱的長期作用下絕緣劣化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。因?yàn)榻^緣劣化有一個(gè)發(fā)展過程，同時(shí)會(huì)伴隨發(fā)熱現(xiàn)象，因此在電纜投入運(yùn)行后，運(yùn)行人員可以通過熱成像設(shè)備加強(qiáng)對(duì)電纜終端的巡檢監(jiān)控。如果條件具備，可對(duì)重要電纜終端安裝在線監(jiān)測裝置，對(duì)其發(fā)熱情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如有異?？梢蕴嵩绨l(fā)現(xiàn)，避免事故發(fā)生。

3 結(jié)束語

以上通過中壓電纜終端電場分布情況的分析可知，在電纜終端制作過程中，應(yīng)力錐(管)安裝工藝不良是造成電纜投運(yùn)后終端事故的直接原因。由于中壓電纜在電力系統(tǒng)中不同領(lǐng)域行業(yè)廣泛應(yīng)用，它已與人們的生產(chǎn)生活緊密相連、息息相關(guān)。終端事故的發(fā)生將會(huì)嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活以及社會(huì)的秩序，甚至威脅到生命安全。因此在電力電纜終端制作過程中，無論是施工方還是業(yè)主方都需要從人的因素方面和管理方面層層把關(guān)，提升關(guān)注度和管理度，做到防患未然。