邊 航，王金鋒，楊大渭，喬文瑋，李高峰，鄭曉泉

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安710048；2.江蘇華能電纜股份公司，江蘇高郵225600；3.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

一種容易被誤判的XLPE電纜附件故障機(jī)理

邊 航1，王金鋒1，楊大渭1，喬文瑋2，李高峰3，鄭曉泉3

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安710048；2.江蘇華能電纜股份公司，江蘇高郵225600；3.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

附件擊穿或爆炸是一種最常見(jiàn)的XLPE電纜故障，常被判別為附件現(xiàn)場(chǎng)安裝缺陷導(dǎo)致的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)兩起附件擊穿事故分析發(fā)現(xiàn)，其根本原因是附件應(yīng)力錐所使用的橡膠材料不合格或電纜使用環(huán)境與設(shè)計(jì)運(yùn)行環(huán)境不一致。另外，國(guó)產(chǎn)電纜絕緣外徑不規(guī)范導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)附件安裝時(shí)與其匹配不好，這也是電纜附件的故障原因。

XLPE電纜；附件；橡膠；故障

0 引 言

由于城區(qū)架空線環(huán)境復(fù)雜多變，為保證城區(qū)輸配電安全，現(xiàn)代城市建設(shè)不允許城區(qū)出現(xiàn)35 kV及以上的高壓架空線，所以已有的高壓架空線改為電纜的“入地”工程正在各大城市舊城區(qū)改造項(xiàng)目中迅速推行?，F(xiàn)代電力電纜運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)正在急劇膨脹，電纜的安全運(yùn)行已成為城市供用電可靠性的根本保證。不同于一般的高壓電氣設(shè)備，電纜系統(tǒng)敷設(shè)距離長(zhǎng)，不可見(jiàn)，敷設(shè)環(huán)境多變，特別是電纜附件需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝或加工，易產(chǎn)生安裝缺陷，加之還要承受城市改建過(guò)程中的外力傷害，因此電纜系統(tǒng)故障已經(jīng)成為城市供用電最難監(jiān)測(cè)、也最難處理的故障。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］和［2］，電力設(shè)備中的絕緣弱點(diǎn)一般不在于絕緣材料自身的電氣絕緣強(qiáng)度，而在于真實(shí)電氣絕緣結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生的兩相界面和電場(chǎng)畸變位置。據(jù)文獻(xiàn)［3］，附件故障占電纜故障的31%，而沿面擊穿就占了附件故障的97%。特別是對(duì)于不同絕緣材料構(gòu)成的兩相界面，一般會(huì)由三種原因引發(fā)界面局部放電，一是兩種材料介電性能的差異，必然導(dǎo)致空間電荷在界面積累，使界面電場(chǎng)畸變；二是兩相界面結(jié)構(gòu)不完善所產(chǎn)生的微小間隙，由于氣體的擊穿強(qiáng)度遠(yuǎn)小于固體絕緣而引發(fā)局部擊穿放電；三是界面污染物或水分導(dǎo)致電場(chǎng)畸變引發(fā)局部放電。

對(duì)于高壓XLPE電纜附件，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可能會(huì)形成如下界面缺陷（見(jiàn)圖1）。

圖1 附件安裝時(shí)形成的絕緣缺陷

（1）外半導(dǎo)電層斷面與絕緣外表面所形成的角形結(jié)構(gòu)，這是剝離外半導(dǎo)電層時(shí)沒(méi)有按規(guī)范進(jìn)行留下的缺陷。

（2）在剝離外半導(dǎo)電層時(shí)絕緣表面被劃傷。據(jù)仿真分析，假定半導(dǎo)電層厚度為1 mm，剝離的斷面與絕緣層之間為絕對(duì)直角，割傷缺陷為寬0.5 mm，深1 mm的楔形。臺(tái)階缺陷的最高場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到9.16 kV/mm，而主絕緣割傷缺陷的最高電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到8.78 kV/mm，均遠(yuǎn)大于空氣的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)3 kV/mm，必然引發(fā)局部放電［4］。

（3）附件與電纜尺寸配合不好形成的薄層氣隙及兩相材料之間產(chǎn)生污染或水分等。

本文所描述的重點(diǎn)不在于上述顯著絕緣缺陷，而在于一種隱性缺陷，即分析電纜運(yùn)行5年之后的附件故障歸類(lèi)及故障形成原因。

1 故障案例分析

1.1 案例1

2015年4月的某天下午15時(shí)許，西寧電力局位于東海鎮(zhèn)郊區(qū)的一處連接110 kV架空線路XLPE電纜的瓷質(zhì)充油電纜終端發(fā)生爆炸，圖2為一組將該電纜終端解剖后的分析照片。

圖2 電纜終端解剖照片

圖2b顯示，最終擊穿位置出現(xiàn)在應(yīng)力錐正下方。圖2c和圖2d為擊穿期間沿絕緣表面的爬電與電弧灼燒痕跡，顯示放電途徑為電纜芯導(dǎo)體至擊穿位置的絕緣表面，表明此時(shí)應(yīng)力錐絕緣與電纜絕緣之間存在顯著間隙。螺旋狀放電痕跡足以證明該附件在向右扭轉(zhuǎn)套入電纜絕緣時(shí)形成的右螺旋狀應(yīng)力或微間隙。作為充油終端，該間隙此時(shí)成為事實(shí)上的油隙，該處結(jié)構(gòu)也成為典型的應(yīng)力錐絕緣—螺旋狀油隙—電纜絕緣三層結(jié)構(gòu)。圖2e和圖2f顯示，硅橡膠應(yīng)力錐出現(xiàn)顯而易見(jiàn)的材料老化痕跡，表明硅橡膠材料老化收縮或彈力下降是導(dǎo)致終端應(yīng)力錐絕緣與電纜絕緣之間出現(xiàn)間隙的根本原因。

1.2 案例2

2014年6月26日，京博石化控股公司某電纜溝道35 kV電纜接頭爆炸。由于沒(méi)有見(jiàn)到已經(jīng)被破壞掉的接頭損傷痕跡和解剖時(shí)的照片，僅依據(jù)所見(jiàn)到的接頭內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)照片分析如下（見(jiàn)圖3）。

（1）假定圖3b中的三根電纜由左至右分別為A、B、C相。由碳化和灼燒痕跡可見(jiàn)：A、C兩相絕緣表面碳化痕跡色澤近似，A相上部絕緣表面有顯著電弧環(huán)繞灼燒痕跡。顯示在電纜接頭爆炸前，有較長(zhǎng)時(shí)間的沿面爬電出現(xiàn)，A相上部分首先出現(xiàn)大能量拉弧，顯示爆炸主要由A相沿面閃絡(luò)造成大量高壓氣體引發(fā)。十分巧合的是，該案例沿絕緣表面放電路徑幾乎與案例1完全相同，也呈現(xiàn)右螺旋特征，這進(jìn)一步證實(shí)了安裝時(shí)形成的右螺旋應(yīng)力對(duì)附件絕緣老化的影響。

圖3 事故分析圖

（2）A、C兩相裸露纜芯導(dǎo)體位置的端面和銅導(dǎo)體表面碳化痕跡明顯，顯示沿絕緣表面爬電路徑并沒(méi)有被導(dǎo)體接頭上方的半導(dǎo)電橡膠層阻斷，即爬電路徑直接由電纜外屏蔽層經(jīng)由已被剝離外半導(dǎo)電層的絕緣表面到達(dá)纜芯銅導(dǎo)體，而沒(méi)有經(jīng)由纜芯導(dǎo)體上方的半導(dǎo)電層。這表明事故時(shí)該半導(dǎo)電層與金屬接頭處于分離狀態(tài)（圖4位置①）。

（3）接頭內(nèi)部絕緣表面存在長(zhǎng)而深的刀痕以及凹凸不平的絕緣表面剝離痕跡（見(jiàn)圖3c），顯示該接頭完全由“外行”施工。但針對(duì)本次事故，由于B相并未出現(xiàn)放電碳化痕跡，表明這種外行施工尚不屬于引發(fā)本次事故的直接原因。但必然存在較為明顯的局部放電，這種安裝質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重縮短電纜接頭的運(yùn)行壽命。即使本次水分不進(jìn)入，該接頭仍然可能在短期失效或爆炸。

（4）運(yùn)行人員描述。該電纜接頭已經(jīng)運(yùn)行三年才出現(xiàn)事故，出現(xiàn)事故前曾數(shù)次報(bào)告“接地”。后來(lái)電纜溝被水淹沒(méi)，爆炸后拆解電纜接頭，其中有大量水分。當(dāng)初附件選購(gòu)人員描述，該附件為國(guó)產(chǎn)件，應(yīng)力錐乙丙橡膠材料也為國(guó)產(chǎn)，顯示該電纜接頭在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力錐材料逐漸收縮，水分逐漸滲入應(yīng)力錐與電纜絕緣界面因材料收縮而產(chǎn)生的螺旋狀縫隙，是導(dǎo)致此次接頭爆炸的根本原因。

圖4 事故時(shí)接頭各部分相對(duì)位置分析圖

2 討 論

為討論方便，先將電纜附件絕緣常見(jiàn)擊穿路徑畫(huà)于圖5。由圖5可知，無(wú)論是安裝缺陷、應(yīng)力錐絕緣與電纜本體絕緣尺寸匹配不好、還是絕緣老化缺陷，應(yīng)力錐絕緣與電纜本體絕緣界面是否完善是電纜附件絕緣擊穿判定首先要考慮的因素。而這三者的區(qū)分，我們認(rèn)為首先應(yīng)從電纜故障出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)判定。為此我們做出了電纜附件絕緣故障歸類(lèi)浴盆曲線圖（見(jiàn)圖6）。

圖5 兩相界面導(dǎo)致電纜終端絕緣擊穿分析圖

由圖6可知，除偶然外力或終端進(jìn)水導(dǎo)致的絕緣故障外，一般可以認(rèn)為：

（1）運(yùn)行5年以內(nèi)電纜附件的擊穿事故可以歸結(jié)為安裝缺陷或附件與電纜絕緣本體尺寸匹配不好所致。在對(duì)電纜附件解剖進(jìn)行事故認(rèn)定時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查絕緣表面半導(dǎo)電層斷面是否存在棱角，安裝過(guò)程中，在對(duì)絕緣外半導(dǎo)電層進(jìn)行剝離時(shí)絕緣表面是否留下刀痕，安裝是否存在污穢，以及放電痕跡是否從此開(kāi)始發(fā)展等，然后根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)最終判定。

（2）運(yùn)行3～12年內(nèi)的電纜附件事故可以初步歸結(jié)為電纜附件選型不當(dāng)或附件生產(chǎn)選材不當(dāng)所致。比如案例1爆炸事故的電纜終端已使用正好10年，可以基本排除附件安裝不當(dāng)問(wèn)題。在解剖過(guò)程中從電纜上抽出終端應(yīng)力錐非常困難，可以排除電纜終端與電纜的安裝匹配不當(dāng)問(wèn)題。從電纜終端絕緣的老化裂紋可以確定屬于電纜終端應(yīng)力錐絕緣老化所致。西寧地區(qū)海拔2 295 m左右，晝夜溫差大（最大溫差16℃），少雨，夜晚寒冷（冬天最低溫-12℃左右），氣壓低，暴露在露天的終端會(huì)經(jīng)歷遠(yuǎn)比海拔1 000 m以下更為嚴(yán)酷的冷熱循環(huán)及低氣壓。由此提示，在選購(gòu)高海拔露天電力設(shè)備時(shí)，應(yīng)充分考慮氣候環(huán)境因素所導(dǎo)致的材料老化問(wèn)題。案例2的35 kV接頭爆炸事故的電纜運(yùn)行時(shí)間正好3年，已歸結(jié)為電纜附件材料選用不當(dāng)，附件材料回彈力逐漸下降，導(dǎo)致附件與電纜絕緣兩相之間逐步出現(xiàn)間隙所致。

（3）12～25年為電纜的穩(wěn)定運(yùn)行期，此期間電纜附件絕緣擊穿事故主要為局部絕緣缺陷所導(dǎo)致的長(zhǎng)期局部放電。

圖6 電纜附件故障原因歸類(lèi)圖

3 結(jié) 論

（1）導(dǎo)致高壓XLPE電纜附件故障的原因依次為：安裝不當(dāng)；附件與電纜絕緣尺寸不匹配；附件選型與環(huán)境因素不符；附件應(yīng)力錐所用橡膠材料不合格；附件材料正常老化等。

（2）0～5年為電纜附件事故高發(fā)區(qū)，電纜附件故障可以歸結(jié)為安裝不當(dāng)、附件與電纜絕緣尺寸不匹配、附件應(yīng)力錐所用橡膠材料不合格等；5～10年為電纜附件質(zhì)量考察區(qū)，附件故障原因可歸結(jié)為附件應(yīng)力錐所用橡膠材料不合格、電纜附件選型不符合運(yùn)行環(huán)境等；10～30年為高壓電纜附件穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，運(yùn)行在該區(qū)段的高壓電纜附件故障原因主要為絕緣正常老化；30年以上屬于電纜事故上升期，為電纜附件絕緣壽命終了，迅速老化所致。

（3）導(dǎo)致電纜附件故障的各種因素會(huì)有交集，具體因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際解剖分析綜合判定。

［1］ 劉其昶編.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中絕緣結(jié)構(gòu)總論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［2］ 金維芳編.電介質(zhì)物理學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］ 古亮.交聯(lián)聚乙烯-硅橡膠界面電痕破化現(xiàn)象研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［4］ 周鳳爭(zhēng)，孟慶霖，朱曉輝，等.10 kV電纜附件典型缺陷仿真與絕緣故障分析［J］.絕緣材料，2011，44（4）：67-69.

A K ind of Easy to be M isjudged Accessories Fault M echanism of XLPE Cable

BIAN Hang1，WANG Jin-feng1，YANG Da-wei1，QIAOWen-wei2，LIGao-feng3，ZHENG Xiao-quan3
（1.Stade Grade of Shanxi Electric Power Company，Xi'an 710048，China；2.Jiangsu Huaneng Cable Co.，Ltd.，Gaoyou 225600，China；3.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

Accessories explosion or insulation breakdown is one of themost common fault phenomenon of XLPE cable，the reason that caused this fault often be discriminate as on-site installation defects.It is found that，by analyzing one of accessories breakdown accident，the primary cause is that the elasticmaterialwhich accessories stress corn used was unqualified or cable operation environment inconformity with the design environment.In addition，there is another reason that causes XLPE cable accessories fault，the domestic cable insulation diameter is not standard that certainly causes gaps between standard accessories and cable insulation.

XLPE cable；accessories；elastic；fault

TM247.1

：A

：1672-6901（2016）06-0030-04

2016-03-29

邊 航（1964-），男，高級(jí)工程師.

作者地址：陜西西安市柿園路218號(hào)［710048］.