曹京滎， 查顯光， 陳 杰， 周遠(yuǎn)翔， 譚 笑， 李陳瑩， 胡麗斌

(1. 國網(wǎng)電力系統(tǒng)人工智能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院)， 江蘇 南京 211103；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024; 3. 清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快以及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電量逐年增高，電力電纜的需求量正在飛速增長[1-3]。由于電力電纜采用封閉式緊湊型結(jié)構(gòu)，且絕大多數(shù)為固體擠塑材料絕緣材料，一旦發(fā)生故障往往存在定位難、修復(fù)周期長、停電損失大的問題[4-6]。

電纜線路由電纜本體及附件組成，而電纜附件是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)。電纜內(nèi)因造成電纜故障的事件中，有90%都是由于附件原因造成。許多高壓電纜線路接頭施工階段存在的隱患漸漸暴露出來，高壓電纜接頭故障率逐年增加[7-8]。因此，分析電纜故障原因并有針對(duì)性地提出施工改進(jìn)措施和建議，對(duì)于保證電纜線路可靠性，降低電纜故障率具有重要意義[9]。目前國內(nèi)外的研究主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的電纜絕緣材料的破壞機(jī)理進(jìn)行分析[10-16]，包括絕緣材料內(nèi)部電樹枝老化、空間電荷等問題，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)電纜終端現(xiàn)場(chǎng)施工缺陷與故障原因的關(guān)聯(lián)分析研究較少。

本文針對(duì)220 kV電纜故障終端開展分析，得出電纜故障原因，并提出處置建議，為防范類似故障提供借鑒。

1 電纜終端事故過程

2017年1月24日5時(shí)17分，某220 kV高壓電纜線路發(fā)生A相接地短路故障，開關(guān)三相跳開后重合不成功。故障電流43.81 A(二次值、CT變比2500/5)，一次故障電流21 905 A，故障測(cè)距距離東青變5.7 km。

經(jīng)故障巡查發(fā)現(xiàn)，220 kV線3號(hào)桿A相電纜終端頭損壞。該220 kV線投運(yùn)于2015年，線路全長6.069 km，為架空-電纜混合線路。電纜型號(hào)為ZC-YJLW03-Z 127/220-1×2500 mm2，電纜終端型號(hào)為YJZWC4。

2 故障終端檢測(cè)

2.1 解體檢查

對(duì)故障電纜終端進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象主要呈現(xiàn)以下特征：

(1) 終端接頭封鉛脫離，尾管炸裂；

(2) 三元乙丙橡膠預(yù)制件部分遺失，部分銅網(wǎng)剝離缺失；

(3) 在應(yīng)力錐內(nèi)部半導(dǎo)電零位線上2 cm絕緣處發(fā)生擊穿；

(4) 在應(yīng)力錐內(nèi)部擊穿點(diǎn)上部出現(xiàn)裂痕，電纜絕緣表面碳化嚴(yán)重，并且出現(xiàn)燒痕；

(5) 擊穿點(diǎn)部位絕緣外半導(dǎo)電層外翻,并且在擊穿點(diǎn)背側(cè)應(yīng)力錐底部位置距離外半導(dǎo)電層末端55 mm；

(6) 應(yīng)力錐半導(dǎo)電層末端往下20 mm和50 mm處半導(dǎo)電層過渡段傾斜(見圖1)。

圖1 終端擊穿故障解體檢測(cè)Fig.1 Detection of the breakdown failure of terminal

2.2 X射線檢測(cè)

對(duì)解體后的電纜終端應(yīng)力錐部位及電纜主絕緣進(jìn)行X 射線檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示：

(1) 電纜絕緣擊穿通道，沿下部軸向方向傾斜(見圖2a)，溝壑碳化區(qū)域未發(fā)現(xiàn)與線芯貫穿通道；

(2) 電纜撕裂面內(nèi)部貫穿到銅芯，撕裂處與擊穿點(diǎn)沿銅芯貫通(見圖2b)。

圖2 X射線檢測(cè)結(jié)果Fig.2 X-ray test results

結(jié)合以往電纜故障分析經(jīng)驗(yàn)，可能導(dǎo)致本次故障的原因主要包括如下幾個(gè)方面：

(1) 電纜附件安裝過程存在施工缺陷；

(2) 電纜本體存在質(zhì)量問題；

(3) 電纜附件應(yīng)力錐設(shè)計(jì)存在問題；

(4) 電纜附件應(yīng)力錐材料存在問題。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電力電纜附件絕緣材料和應(yīng)力錐材料進(jìn)行性能分析，其均滿足相應(yīng)的電纜標(biāo)準(zhǔn)。由圖1可知，電纜外半導(dǎo)層存在打磨不平現(xiàn)象，過渡不平滑。此外，根據(jù)電纜附件廠家提供的終端安裝記錄，電纜外半導(dǎo)電層外徑測(cè)量值114.9 mm，應(yīng)力錐內(nèi)徑測(cè)量值為106 mm，過盈量 8.9 mm，高于安裝工藝要求11.2%(安裝工藝為4～8 mm)。由此可見，電纜附件安裝過程存在一定施工缺陷。

3 電場(chǎng)強(qiáng)度分析

為了探析電纜施工缺陷對(duì)電纜附件電場(chǎng)，依據(jù)附件商提供的220 kV YJZWC4電纜終端圖紙，采用有限元分析方法對(duì)電纜附件內(nèi)部進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算分析。

如圖3所示，電場(chǎng)仿真計(jì)算范圍取電纜終端中部840×338 mm的矩形區(qū)域，包括電纜銅導(dǎo)體、電纜外半導(dǎo)電層、電纜附件應(yīng)力錐、電纜附件應(yīng)力錐罩等結(jié)構(gòu)，該區(qū)域?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度最高、變化最大區(qū)域。

圖3 仿真區(qū)域示意Fig.3 Diagram of simulation area

仿真過程中，對(duì)220 kV瓷套終端模型施加128 kV的電壓，并依據(jù)長纜附件提供的參數(shù)，對(duì)仿真區(qū)域不同材料進(jìn)行了定義。同時(shí)，針對(duì)電纜外半導(dǎo)電過渡處打磨良好以及打磨不平等現(xiàn)象分別進(jìn)行電場(chǎng)仿真。

3.1 電纜外半導(dǎo)電過渡處打磨良好

此時(shí)，電纜終端應(yīng)力錐與電纜緊密貼合，電纜終端電勢(shì)如圖4所示，電纜終端電勢(shì)等位線如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)其等位線均勻分布，未發(fā)現(xiàn)明顯電場(chǎng)畸變點(diǎn)。

圖4 220 kV瓷套終端電勢(shì)分布Fig.4 Potential distribution of 220 kV terminal

圖5 220 kV瓷套終端等位線分布Fig.5 Equipotential line distribution of 220 kV terminal

圖6為220 kV瓷套終端電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖，從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大點(diǎn)位于電纜本體主絕緣中，值為6.6 kV/mm，小于GB/T 18890.2—2015 中規(guī)定的交聯(lián)聚乙烯擊穿場(chǎng)強(qiáng)30 kV/mm[17]。應(yīng)力錐絕緣中電場(chǎng)最大值為4.6 kV/mm，小于長纜附件提供的三元乙丙橡膠材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)35 kV/mm。

圖6 220 kV瓷套終端電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.6 Electric field distribution of 220 kV terminal

3.2 電纜外半導(dǎo)電過渡處打磨不良

若電纜終端應(yīng)力錐與電纜貼合不良，則會(huì)在電纜絕緣與應(yīng)力錐絕緣交界面存在微小氣隙。此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度如圖7所示，在氣隙處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，為9 kV/mm，大于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致局部放電出現(xiàn)。

圖7 220 kV瓷套終端電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.7 Electric field distribution of 220 kV terminal

3.3 故障原因分析

綜合分析上述檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，外半導(dǎo)電層過渡處打磨不平、電纜附件應(yīng)力錐過盈量超過技術(shù)文件要求。當(dāng)電纜半導(dǎo)電過渡處打磨不平時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣與應(yīng)力錐絕緣交界面存在微小氣隙，在220 kV線路運(yùn)行電壓作用下會(huì)引起局部放電從而引起絕緣劣化，從而導(dǎo)致絕緣材料內(nèi)部電樹枝老化或者擊穿現(xiàn)象發(fā)生[18-20]；當(dāng)電纜附件應(yīng)力錐過盈量超標(biāo)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力錐在預(yù)擴(kuò)張過程中形成機(jī)械損傷而導(dǎo)致電氣性能下降。仿真發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力錐、電纜表面貼合良好時(shí)，運(yùn)行電壓下應(yīng)力錐、電纜主絕緣最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為4.6 kV/mm、6.6 kV/mm，均遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，而應(yīng)力錐、電纜表面貼合不良交界面存在微小氣隙時(shí)，運(yùn)行電壓下氣隙內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為9 kV/mm，大于空氣3 kV/mm的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，表明運(yùn)行電壓下氣隙內(nèi)部存在放電現(xiàn)象。

在上述因素的綜合作用下，電纜主絕緣與電纜附件應(yīng)力錐交界面局部放電現(xiàn)象增加、電纜附件硅橡膠預(yù)制件絕緣性能下降從而引發(fā)該處絕緣擊穿導(dǎo)致電纜終端故障。

4 結(jié)語

電纜終端應(yīng)力錐、電纜表面貼合不良、交界面存在微小氣隙時(shí)，在運(yùn)行電壓下，氣隙內(nèi)部長期放電引起主絕緣破壞是造成電纜故障的原因。

建議加強(qiáng)電纜終端制作單位工藝技術(shù)水平，切實(shí)提高電纜附件現(xiàn)場(chǎng)制作質(zhì)量；加強(qiáng)電纜終端制作現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)監(jiān)督工作，仔細(xì)核查應(yīng)力錐尺寸過盈量、電纜外半導(dǎo)電層過渡平整性等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；針對(duì)同批次在運(yùn)電纜終端進(jìn)行排查，重點(diǎn)篩查應(yīng)力錐過盈量等技術(shù)參數(shù)；對(duì)發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力錐過盈量嚴(yán)重超標(biāo)的電纜終端，采用電纜局放重癥監(jiān)護(hù)等裝備進(jìn)行局部放電情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)局放量有增大趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。