某風(fēng)電場(chǎng)35 kV 電纜中間接頭故障原因及防范措施研究

李 飛

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230088）

交聯(lián)聚乙烯電纜不僅具有優(yōu)秀的機(jī)械性能、電氣性能和耐熱性，而且有著安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，該電纜在電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。電纜中間接頭是電纜線路的重要組成部分，能夠在連接電纜線路的同時(shí)保持電纜的絕緣性能，進(jìn)而保證電纜線路的連續(xù)性和完整性。電纜中間接頭為多層固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生電場(chǎng)集中現(xiàn)象[1]。中間接頭一般采用現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式，容易受到工藝水平、安裝環(huán)境等因素的影響成為電纜的絕緣薄弱點(diǎn)，可能引發(fā)絕緣擊穿。因此，電纜中間接頭是電纜故障的主要發(fā)生部位[2]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電纜附件內(nèi)部缺陷誘發(fā)的故障占總事故的70%以上，其中超過(guò)60%的故障為中間接頭故障[3]。

1 故障概況

某風(fēng)電場(chǎng)35 kV 電纜X回集電線路運(yùn)行監(jiān)控畫面顯示“零流Ⅰ段動(dòng)作”。該線路的斷路器跳閘，所帶的10 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)。通過(guò)檢查保護(hù)測(cè)控裝置得到3I0為4.821 A、時(shí)間為0.103 s，而繼電器的保護(hù)定值為3.150 A、0.100 s。故障前，電纜運(yùn)行載流量并未超過(guò)設(shè)計(jì)值，且無(wú)過(guò)載現(xiàn)象。X回集電線路的電纜為交聯(lián)聚乙烯電纜，型號(hào)為ZC-YJLV22-26/35 kV，規(guī)格為3×400 mm2，在農(nóng)田直埋敷設(shè)。

2 判斷故障位置

現(xiàn)場(chǎng)檢查X回集電線路所連接的10 臺(tái)箱式變壓器，未發(fā)現(xiàn)異常。打開(kāi)箱式變壓器的隔離開(kāi)關(guān)，測(cè)量各變壓器間電纜的主絕緣電阻。其中：1 號(hào)箱式變壓器至2 號(hào)箱式變壓器的B 相集電線路電纜的主絕緣電阻為0.02 MΩ，A 相主絕緣電阻為4 300 MΩ，C 相主絕緣電阻為4 240 MΩ，其他集電線路電纜的主絕緣電阻均大于1 000 MΩ。測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，1 號(hào)箱式變壓器至2 號(hào)箱式變壓器的集電線路電纜的B 相發(fā)生接地故障。

通過(guò)電纜故障定位檢測(cè)儀測(cè)試2 號(hào)箱式變壓器處的B 相電纜，測(cè)量出故障點(diǎn)距離2 號(hào)箱式變壓器約740 m。查閱集電線路圖發(fā)現(xiàn)線路總長(zhǎng)為1 800 m，共包含4 個(gè)中間接頭，故障點(diǎn)位于電纜第2 中間接頭處。

用挖掘機(jī)挖出故障電纜，發(fā)現(xiàn)電纜中間接頭保護(hù)殼明顯開(kāi)裂，可以確定故障位置為中間接頭。切除故障中間接頭后，利用兆歐表分別測(cè)量1 號(hào)箱式變壓器和2 號(hào)箱式變壓器的B 相電纜的主絕緣電阻，主絕緣電阻均大于1 000 MΩ，說(shuō)明B 相電纜僅有1 處接地故障，位于第2 中間接頭處。

3 解剖檢查和絕緣水樹檢測(cè)

3.1 解剖檢查

截取故障中間接頭進(jìn)行解剖檢查。去除外保護(hù)殼后發(fā)現(xiàn)，保護(hù)殼橫向的密封防水膠較為完整，而縱向的密封防水膠不均勻，縱向保護(hù)殼開(kāi)裂，露出中間接頭橡膠預(yù)制件，進(jìn)水嚴(yán)重。電纜端部露出的電纜鎧裝層已發(fā)生銹蝕。去除保護(hù)殼端部的密封帶時(shí)發(fā)現(xiàn)，密封帶內(nèi)部有明顯的水珠。故障相中間接頭端部的電纜線芯表面已出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕碳化，端部的橡膠件有明顯的開(kāi)裂和燒蝕現(xiàn)象。

解剖檢查三芯中間接頭，沿軸向切開(kāi)中間接頭主體部分，發(fā)現(xiàn)A、C 相內(nèi)部的電纜絕緣表面已全部發(fā)黑且有明顯的電樹枝。其中，A 相電纜絕緣表面明顯發(fā)黃，靠近導(dǎo)體連接管處顏色最深，由導(dǎo)體向電纜屏蔽方向逐漸變淺，且絕緣表面未見(jiàn)明顯的碳化痕跡。

中間連接管外纏有半導(dǎo)電帶材。測(cè)量3 處的外徑發(fā)現(xiàn)，外徑明顯小于電纜外徑，不滿足工藝文件中盡量與電纜纏平的要求。中間連接管端部的半導(dǎo)電帶材存在明顯的燒蝕痕跡，連接管對(duì)應(yīng)位置也存在明顯的燒蝕碳化痕跡。中間接頭主體部分的內(nèi)表面同樣存在燒蝕碳化痕跡。

沿軸向切開(kāi)B 相電纜中間接頭的主體部分后，發(fā)現(xiàn)電纜絕緣表面已全部發(fā)黑且延續(xù)至電纜絕緣屏蔽處。電纜主絕緣表面和中間接頭主體的內(nèi)表面均存在明顯的電樹枝，出現(xiàn)碳化燒蝕、老化變脆現(xiàn)象，無(wú)法分辨電纜絕緣屏蔽斷口的位置。

紅芯和黃芯的鋁導(dǎo)體連接管共壓接4 道，壓接處未清理毛刺，壓痕間距不一致。連接管兩端對(duì)應(yīng)位置的電纜導(dǎo)體表面存在明顯的環(huán)切刀痕，刀痕的間距不一致，且刀痕與電纜絕緣層之間存在一定距離，如圖1所示。B 相連接管管口兩側(cè)的導(dǎo)體表面存在明顯的燒損現(xiàn)象。經(jīng)與A、C 相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，燒損處應(yīng)為環(huán)切刀痕處，刀痕處與電纜絕緣層和連接管管口均有一定距離。導(dǎo)體表面的環(huán)切刀痕產(chǎn)生于剝切電纜絕緣層。根據(jù)安裝工藝文件的尺寸要求可以推測(cè)出，刀痕位置與導(dǎo)體連接管管口位置基本一致。解剖檢查發(fā)現(xiàn)連接管管口處縫隙內(nèi)的填充帶材較少，可以推測(cè)出在安裝時(shí)導(dǎo)體連接管管口與電纜絕緣層之間的空隙較小。在運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)體連接管過(guò)熱導(dǎo)致電纜絕緣層回縮，使空隙變大。

分別沿徑向和軸線解剖A、C 相的導(dǎo)體連接管，可以看出A、C 相導(dǎo)體連接管壓接部位的徑向斷面壓接較為密實(shí)，但是軸向斷面壓接不緊實(shí)，存在個(gè)別單絲脫落的現(xiàn)象。

3.2 絕緣水樹檢測(cè)

參照《中壓交聯(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗(yàn)方法和要求》（DL/T 1070—2007），在電纜絕緣層上選取30 個(gè)厚度約0.65 mm 的試片進(jìn)行水樹檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)三芯電纜的絕緣層中均存在大量領(lǐng)結(jié)狀水樹。電纜絕緣層的最大領(lǐng)結(jié)狀水樹，如圖2 所示。

圖2 電纜絕緣層的最大領(lǐng)結(jié)狀水樹

4 故障原因分析

4.1 中間接頭防水密封較差

故障的主要原因是中間接頭防水密封較差，水分進(jìn)入導(dǎo)致絕緣層受潮。集電線路電纜和中間接頭直埋在農(nóng)田中，長(zhǎng)期處于潮濕和浸水環(huán)境，會(huì)加重絕緣水樹老化。電纜和中間接頭的絕緣層表面受潮后，其沿面泄漏電流增大，導(dǎo)致沿面路徑發(fā)熱并出現(xiàn)水分蒸發(fā)現(xiàn)象。局部電流密度較大的部位會(huì)優(yōu)先形成干燥帶，導(dǎo)致沿面電壓分配不均勻。干燥帶分擔(dān)的電壓較高造成電弧放電，導(dǎo)致電纜絕緣層表面過(guò)熱，引起絕緣老化，同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中間接頭主體的內(nèi)表面、連接管管口和主絕緣表面出現(xiàn)局部絕緣碳化燒蝕，形成電樹枝。絕緣層的碳化會(huì)引起絕緣層表面的閃絡(luò)現(xiàn)象，導(dǎo)致中間接頭被沿面放電擊穿。

4.2 中間接頭制作工藝較差

中間接頭制作工藝較差是故障的次要原因。中間接頭的導(dǎo)體連接管連接不緊密，使其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，加速主體橡膠件的絕緣老化?？赡軐?dǎo)致中間接頭過(guò)熱的原因如下。

第一，導(dǎo)體連接管壓接不緊實(shí)。根據(jù)A、C 相電纜連接管的解剖結(jié)果，導(dǎo)體連接管壓接不緊實(shí)會(huì)導(dǎo)致連接管處的電阻過(guò)大，引發(fā)過(guò)熱現(xiàn)象。

第二，高壓屏蔽管與連接管之間的接觸電阻較大。連接管纏繞半導(dǎo)電帶后的外徑小于兩側(cè)的電纜外徑，不滿足工藝文件中“盡量與電纜纏平”的要求，導(dǎo)致高壓屏蔽管與連接管之間的接觸電阻較大。

第三，連接管兩側(cè)導(dǎo)體的電阻較大。連接管兩側(cè)導(dǎo)體表面的刀痕會(huì)增大此處的導(dǎo)體電阻，加劇發(fā)熱現(xiàn)象。

導(dǎo)體連接管壓接工藝較差也會(huì)導(dǎo)致壓坑變形，出現(xiàn)毛刺和刀痕，導(dǎo)致電場(chǎng)畸變、局部場(chǎng)強(qiáng)集中，產(chǎn)生絕緣薄弱點(diǎn)[4]。導(dǎo)體連接管處過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體連接管口與電纜絕緣層之間的間隙變大，而空氣的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主絕緣的介電常數(shù)，因此空隙中的場(chǎng)強(qiáng)增大。因?yàn)閮烧叩哪碗妶?chǎng)強(qiáng)度相差較大，所以空隙中會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，加速電纜絕緣老化[5-7]。

根據(jù)解剖結(jié)果，故障相中間接頭橡膠件主體的高壓屏蔽管兩端和應(yīng)力錐部分的半導(dǎo)電部位燒損嚴(yán)重，原因可能是電纜絕緣受熱發(fā)生回縮或?qū)w連接管與導(dǎo)體之間出現(xiàn)滑動(dòng)。導(dǎo)體連接管與導(dǎo)體之間出現(xiàn)滑動(dòng)會(huì)增加其兩側(cè)電纜絕緣層之間的距離，使高壓屏蔽管不能完全覆蓋導(dǎo)體連接部位。這樣會(huì)導(dǎo)致高壓屏蔽管兩端和應(yīng)力錐無(wú)法起到均化電場(chǎng)的作用，使得附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，加速電纜絕緣老化。

5 結(jié)語(yǔ)

為防止重復(fù)發(fā)生此類電纜故障，保證風(fēng)電場(chǎng)直埋電纜集電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在電纜安裝和檢修過(guò)程中應(yīng)注意：對(duì)于長(zhǎng)期處于潮濕和浸水環(huán)境下的中間接頭，應(yīng)充分考慮其防水密封要求；在檢修過(guò)程中應(yīng)對(duì)中間接頭進(jìn)行局部放電檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷；電纜中間接頭應(yīng)由專業(yè)人員嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝說(shuō)明書進(jìn)行制作，并應(yīng)采用合理且規(guī)范的導(dǎo)體連接管壓接工藝；加強(qiáng)對(duì)安裝過(guò)程的監(jiān)督和管控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正，并建立責(zé)任追溯機(jī)制，同時(shí)對(duì)于安裝關(guān)鍵環(huán)節(jié)要留存影像資料。