110?kV交聯聚乙烯電纜本體擊穿事故分析

曾懿輝，王道龍，劉 高

(廣東電網公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

110?kV交聯聚乙烯電纜本體擊穿事故分析

曾懿輝，王道龍，劉 高

(廣東電網公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

針對一起110 kV交聯聚乙烯電纜本體擊穿事故，對電纜金屬護層懸浮電壓及電纜金屬護層最大瞬時放電電流進行了計算，分析并總結了事故發生的主要原因，最終提出了預防類似事故再次發生的相關措施。

交聯聚乙烯；熱擊穿；外護層；光氧老化；懸浮電壓

0 引言

隨著城市的發展，電力電纜因具有隱蔽性好、占地小、容量大、可靠性高、維護工作量少等特點，在城市輸電網中所占的比例逐年攀升。因此，保障電力電纜的安全運行對縮短用戶平均停電時間和提高供電可靠性有著十分重要的意義。目前，110 kV及以上電壓等級的單芯高壓電纜多采用波紋鋁護套作為金屬屏蔽層，為了限制金屬護層上產生的工頻感應電壓，在電纜線路設計中較多地采用了交叉互聯接地或帶保護器單端接地的金屬護層接地方式。在正常運行狀況下，這2種接地方式均能有效地限制金屬護層上的工頻感應電壓并抑制流過金屬護層的接地電流，但是在接地系統遭受意外破壞的情況下，金屬護層上可能產生過高的懸浮電壓，一旦外護層被擊穿，將產生更為嚴重的后果。

1 故障情況

某110 kV線路于2007年6月投運，電纜敷設方式為槽盒直埋，線路全長750 m，為電纜和架空的混合線路，電纜本體型號為YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2，金屬護層的接地方式為帶保護器單端接地，電纜金屬護層的接地方式如圖1(a)所示。故障前線路僅進行過線路投運試驗，各項試驗結果均合格，而周期為3年的預防性試驗尚未開展。該110 kV線路電纜段B相于2010年4月發生單相接地故障。經運行人員現場檢查發現以下現象。

(1) 位于小號側電纜終端塔上的三相電纜終端至保護接地箱的3段接地電纜全部被盜，大號側電纜終端塔上B相電纜終端至直接接地箱的一段接地電纜被盜，被盜后的電纜金屬護層的接地方式如圖1(b)所示。

(2) 線路故障點位于小號側電纜終端塔上B相電纜本體處，擊穿點如圖2(a)所示，鋁合金電纜固定夾連同電纜本體一同被擊穿。

圖1 故障前后電纜金屬護層接地方式

(3) 電纜外護層上存在石墨涂層脫落的現象，且石墨涂層脫落處有明顯的剮蹭痕跡，裸露在外的聚乙烯層已泛白并顯現明顯裂痕，如圖2(b)所示。

(4) 人工剝離石墨涂層的外護層，如圖2(c)所示，局部劣化的聚乙烯層與其他正常部分有著明顯的顏色區別，且表面存在粉化的裂紋。

(5) 三相電纜均存在鋁合金電纜固定夾內橡膠保護墊層缺失的情況。

圖2 事故現場檢查情況

2 故障原因分析

2.1 電纜金屬護層懸浮電壓計算

由于故障相電纜兩端的接地線均被盜竊，切斷了電纜金屬護層與終端塔地網之間的連接，導致故障相電纜金屬護層上的電壓由正常運行狀況下的工頻感應電壓轉變為接地線被盜狀況下的懸浮電壓，其故障狀態下的電氣原理如圖3所示。圖3中C1為線芯與金屬護層之間的電容，C2為金屬護層與大地之間的電容。單芯高壓電纜可視為標準的圓柱形電容器，因此可按圓柱形電容計算模型計算C1與C2的值。

圖3 故障相電纜電氣原理

查閱該110 kV電纜工程竣工資料中的《110 kV電力電纜供貨技術協議》，可得到故障電纜的斷面結構圖以及相關尺寸信息，如圖4所示。其中，D1=37.5 mm為電纜線芯的外徑，含線芯屏蔽層；D2=69.5 mm為主絕緣外徑，不含主絕緣外屏蔽層；D3=95.4 mm為波紋鋁護套外徑，不含瀝青涂層；D4=104 mm為電纜外徑，含石墨涂層。由廠家提供的絕緣介質交聯聚乙烯的相對介電常數ε1=2.2，聚乙烯的相對介電常數ε2=2.3。l=750 m為電纜長度。

圖4 電纜斷面圖及相關尺寸

C1由電纜線芯和金屬護層構成兩極，以交聯聚乙烯為絕緣介質，計算如下：

由于故障相電纜存在金屬夾具橡膠保護墊層缺失的情況，可認為電纜的石墨涂層通過鋁合金電纜固定夾與終端塔地網良好連接。C2由金屬護層和大地以構成兩極，以聚乙烯為絕緣介質，計算如下：

根據故障現場的檢查情況以及佛山電纜長期的運行維護和工程管理經驗分析，造成石墨層脫落的主要原因有以下2點。

(1) 施工過程中對電纜外護層的保護力度不夠，在放纜施工或終端吊裝過程中發生了硬物剮蹭電纜外護層的情況。

(2) 石墨涂層的涂覆工藝不過關，未按國標要求在聚乙烯層上施以均勻牢固的石墨層。當外護層受到剮蹭時，石墨涂層極易脫落。目前國標未給出針對石墨層附著力的檢測方法和相關標準。石墨層脫落后，在光氧老化的作用下，聚乙烯材料的擊穿強度將不斷降低，同時裂紋的出現將減少外護層的有效絕緣厚度，外護層的整體擊穿電壓隨著老化程度的加深而急劇下降。

2.3 電纜金屬護層最大瞬時放電電流計算

金屬護層對地放電瞬間的等效電路模型如圖5所示，模型忽略了放電過程中接地回路的電感，查詢架空線路桿塔地網檢測記錄得終端塔接地電阻R=5.2 Ω。在高達數千伏的懸浮電壓作用下，耐壓水平已嚴重下降的電纜外護層隨時可能被擊穿，擊穿過程相當于圖5中電容C2對地放電。

圖5 外護層擊穿瞬間的等效電路模型

依據圖5中的等效電路模型計算最大瞬時放電電流過程如下。

將式(5)的結果U1代入式(6)計算電容C2最大初始電壓|uc2|max，得出：

將|uc2|max與式(4)的結果C2與代入式(7)計算最大瞬時放電電流i(0)，得出：

放電結束后，如果金屬護層能夠有效接地，懸浮電壓將消失，否則金屬護層對地電容C2將會重新充電，并反復對地放電，造成放電點局部溫度急劇升高。故障如若不能得到及時處理，最終將導致電纜主絕緣發生熱擊穿。擊穿后狀況如圖6所示，擊穿部位的外護層已燒蝕殆盡，電纜線芯與金屬護層因高溫熔化，主絕緣嚴重碳化。

圖6 電纜主絕緣熱擊穿

3 預防措施

綜合上述分析與計算，造成本次故障的主要原因如下。

(1) 故障相電纜兩端金屬護層接地電纜被盜，金屬護層上產生了高達數千伏的懸浮電壓。

(2) 電纜外護層上石墨層脫落，聚乙烯層失去保護后發生了光氧老化，致使外護層絕緣性能下降。金屬護層反復對地放電所產生的巨大熱量誘發了電纜主絕緣的熱擊穿，最終導致電纜發生單相接地故障而停止供電。

為防止類似事故再次發生，建議電纜運行部門采取如下預防措施。

(1) 加強電纜工程的監管工作，及時制止、糾正任何可能造成電纜損傷的行為，并嚴格依據《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》對電纜工程進行驗收。

(2) 對于新建電纜戶外終端，應遵循就近接地的原則，盡可能讓各相終端通過接地狀況良好的電纜支架或終端塔身就近接地，以降低接地電纜長度和被盜的幾率。

(3) 對于已建成且接地電纜存在被盜風險的線路，應擇機對具備改造條件的線路進行接地電纜改短工作。對于不具備改造條件的線路，應采取信息化監控手段加強線路監管，如加裝具備報警功能的接地電流在線監測裝置或部署戶外場防入侵裝置。

1 GB50127-2007電力工程電纜設計規范[S].

2 從 光，韓曉鵬，周作春，等.高壓單芯電纜接地系統破壞后的懸浮電壓分析[J].供用電，2009(5).

3 姚金霞.從一起電纜故障談超高壓電纜金屬護套的接地方式[J].高電壓技術，2004(S1).

4 楊貴河.電纜電容的計算[J].電器開關， 2010(1).

5 GB/T11017.2-2002額定電壓110 kV交聯聚乙烯電力電纜及其附件第二部分：額定電壓110 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜[S].

6 付 敏，郭寶星.聚乙烯材料熱及光氧老化的研究進展[J]. 四川化工，2004(6).

7 楊傳譜，孫 敏，楊澤富.電路理論-時域與頻域分析[M]. 武漢：華中科技大學出版社，1998.

2013-09-12。

曾懿輝(1985-)，男，工程師，主要從事電力電纜運行與維護工作。

王道龍(1983-)，男，工程師，主要從事電力電纜運行與維護工作。

劉 高(1985-)，男，工程師，主要從事輸電線路運行與維護工作。