電纜頭故障分析與處理

周成軍

（新疆有色冶金設計研究院有限公司 烏魯木齊 830000）

近年來，礦業發展較快，礦山多位于戈壁深山，為礦山送電的線路普遍較長。由于交通不便，礦山35kV變電站大多采用箱式變電站。箱式變電站具有整體式，占地面積小，安裝方便，土建工作量小的特點。由于其特殊的形式，其電源進線多為電纜進線。但電纜頭頻繁故障，給企業帶來了許多不便，特別是對于礦山井下工作的人員安全帶來隱患。

哈密圖拉爾根銅鎳礦35 kV變電站于2008年投運，投運初期，礦山仍處于建設階段，負荷較輕，為500～600 kW。在這段時間，進線電纜頭每隔幾個月就擊穿一次，2008～2009年發生故障8次。

圖拉爾根銅鎳礦地處中蒙邊界，屬哈密地區電網白山泉110 kV變電站的供電范圍，白山泉110 kV變電站安裝兩臺40 MVA三圈變，35 kV側出線4條，投運3條（葫蘆銅鎳礦、境兒泉和圖拉爾根銅鎳礦），線路長度均在40～55 km。圖拉爾根銅鎳礦35 kV電源就由此變電站出線，導線規格為LGJ-185/30，線路長55.3 km，桿塔形式為鐵橫擔砼桿。線路終端桿與圖拉爾根35 kV變電站為電纜連接，電纜規格為ZRYJG22-26/351X185。35 kV線路終端桿上采用室外型熱縮套管作電纜頭，在終端桿上安裝有避雷器HY5WS5-51/170。

電纜故障均為35 kV線路終端桿上電纜頭擊穿，起初認為電纜頭質量不合格和電纜頭制作不規范，但在使用各種品牌的電纜頭并嚴格按照標準和廠家要求制作安裝，電纜頭還是多次擊穿，最后只能從系統角度找原因。

系統過電壓主要有以下幾個方面：一是外過電壓即雷電過電壓，二是內過電壓即暫時過電壓和操作過電壓。在電纜頭故障時，線路并未受到雷擊。那么造成電纜頭擊穿應是內過電壓，電纜頭擊穿時，經查記錄白山泉和礦山35 kV變電站亦無任何操作。那就是暫時過電壓，過電壓一般是由于線路空載、接地故障或甩負荷和因操作故障引起線路諧振過電壓。經查電纜頭擊穿時，均有系統35 kV線路接地故障發生。由于35線路分布范圍廣、線路長，且戈壁風沙大，造成線路瞬間接地時有發生。線路長電容電流較大形成弧光間歇性過電壓。

35 kV電力系統的接地方式有中性點不接地系統、中性點經消弧線圈接地系統和中性點經電阻接地系統。在中性點不接地系統中，單相接地故障允許系統持續運行2 h。當系統對地電容電流達一定值時，就會發生間歇性電弧熄滅、重燃的多次重復過程，從而引起單相接地弧光過壓，電壓值為3～4 p.u.。單相間歇性電弧故障產生的過壓值高低一般隨接地方式不同而異。中性點不接地系統≤3.5p.u.；中性點經消弧線圈接地系統≤3.2 pu；中性點經電阻接地系統≤2.5 p.u.。

弧光在交流電壓升高到一定值時發生，在電壓接近過零時熄滅，周而復始，這些殘壓致使線路中出現高次諧波，高次諧波將疊加到線路的正弦波上，致使電壓升高。這些諧波沿線路向兩端行進，碰到波阻抗不同的結點處會被反射，與原來的高壓再疊加，所以弧光過電壓可能升得較高。

內部過電壓得不到有效限制使絕緣壽命大大降低。避雷器的放電電壓為相電壓的4倍以上按躲過內部過電壓設計。而且避雷器接在相對地之間對發生在相與相之間的操作過電壓根本起不到限制作用。在內部過電壓的長期持續作用下聚乙烯交聯電纜等固體絕緣設備的運行壽命大大降低，形成絕緣的薄弱環節，導致對地擊穿。

線路負荷較低也是產生內部過電壓的一個原因，線路的容抗與線路兩側變壓器感抗形成LC回路，較易造成諧振。

白山泉變電站在設計中已考慮35 kV線路長，電容電流大，易形成弧光接地。為減少建弧率，在中性點安裝有消弧線圈。但在實際運行中，并未投入。

圖拉爾根側經檢查，變電站10 kV的電容補償2×600 kVar全部投入。造成過補，35 kV側功率因數達－0.5。

為此解決的方法是：白山泉側主變35kV中性點自動跟蹤消弧線圈投入，圖拉爾根側根據切除電容補償。經1年的運行，電纜頭沒有再發生故障。同時，經過2年的建設，礦山也進入生產階段，負荷增大4300 kW，電容補償再次投入，線路運行至今，電纜頭擊穿故障再沒有發生。

總結原因，造成電纜頭頻繁故障的原因是多方面的，系統過電壓的成因復雜，每一個環節均應注意。

首先在系統設計上需綜合考慮防范系統過電壓，除采用避雷器的防雷電過電壓外，對接地故障和操作引起的弧光過電壓及諧振過電壓應特別注意。

空間間歇性弧光過電壓對系統絕緣危害最大。

目前多采用消弧線圈作為防止措施，消弧線圈接地具有降低建弧率的作用，但不能消除電弧，有可能加大過電壓指標。采用小電阻接地方式配合重合閘，對供電的可靠性應更為合適。

變電站電容補償裝置的設置對系統安全運行也很重要，設置整組投切的電容器組，在負荷不穩定或在與補償容量不協調情況下，要么過補要么欠補，都會對系統諧振過電壓埋下隱患。

其次是電纜頭的制作和安裝。

由于電纜頭內部特別是絕緣層與外半導體層交界處的電場畸變，形成了局部電場很高的應力效應，電場沒有了束縛，被釋放出來，在絕緣層表面形成電壓梯度，造成了距半導層切斷處越近，電場強度就越強的情況，易引發局部放電，形成了電纜線路中的薄弱點，也因此最易發生事故。所以外半導層切斷處是電力電纜最容易發生事故的地方。在外半導層處加裝應力控制單元可有效地改變電場畸變問題，因而在制作戶內、戶外終端時，要精心處理好外半導體層切斷處的工藝，斷口光滑平整，臺階處要削成坡形，絕緣層表面要處理干凈，無刀痕和凹凸不平，無殘留半導電顆粒和雜質。

礦山所處環境惡劣，氣候復雜多變、風沙大，高寒，早晚溫差大，冬夏季節凍土層凍融變化復雜。桿塔上電纜固定綁扎工藝不規范，長期受風力影響造成，電纜線芯與絕緣層之間易形成楔形間隙，由于電纜線芯由多股銅線絞合而成，使靠近線芯的絕緣層表面凹凸不平。電纜的絕緣層在持續工頻電壓的作用下，靠近線芯的電場強度最強。間隙中局部場強要比周圍絕緣層的場強大，在間隙中可能產生局部放電。因此在安裝固定電纜時，要防止電纜頭隨風搖擺對芯線多次彎曲扭轉造成絕緣損傷。

溫差較大地區宜使用全冷縮電纜頭，由于全冷縮電力電纜附件實際上就是彈性電纜附件；也就是說利用液體硅橡膠本身的彈性在工廠預先擴張好放入塑料及支撐條。到現場套到指定位置，抽掉支撐條使其自然收縮。這種冷縮附件具有良好的“彈性”，可以避免由于大氣環境、電纜運行中負載高低產生的電纜熱脹冷縮。即“電纜呼吸”所產生的絕緣之間的空隙，造成的擊穿事故。而熱縮附件的最大缺點就是本身不具有彈性，不能與電纜同呼吸。故全冷縮的附件用于溫差大、受氣候環境影響大的地域使用是最佳的選擇。冷縮電纜終端絕緣性能優異，耐老化，防腐蝕，密封性能好，抗電痕性能好且硅橡膠彈性好，與電纜界面結合緊密，應力控制與絕緣復合為一體，有效解決了電纜屏蔽斷面處應力集中的問題，保證電纜的安全運行。

另外，35 kV高壓交聯電纜應避免施工單位進行直流耐壓試驗，要嚴格執行采用交流耐壓試驗的行業要求，僅對新做終端或接頭后的電纜進行直流耐壓試驗，因為它對發現接頭內部的缺陷還是有效的。

[1]交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合.中華人民共和國電力工業部，1997.

[2]張殿生,等.電力工程高壓送電線路設計手冊.中國電力出版社，2002.

[3][德]L.Heinhold，R.Stubbe（Hrsg）著，門漢文，崔國璋，王海譯.電力電纜及電線.中國電力出版社，2001.