一起電力隧道中220 kV電纜接頭爆炸機理的研究及應對措施

黃順濤

摘 ?要：隨著城市化進程的加快推進，各種電壓等級的電力電纜遍布大街小巷，而由于各種原因?qū)е码娏﹄娎|發(fā)生爆炸事故時有發(fā)生，這給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來重大沖擊，乃至給社會和人民生命和財產(chǎn)安全帶來嚴重影響，文章通過對一起電力電纜接頭爆炸事故的機理分析，找出其爆炸原因，制定防范措施。

關(guān)鍵詞：電纜;爆炸;分析

中圖分類號：TM247 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0082-04

1 ?概 ?述

2014年10月珠海電力隧道發(fā)生一起220 kV電纜由檢修轉(zhuǎn)運行（送電）的運行操作過程C相中間頭發(fā)生爆炸并起火，并造成敷設(shè)其上方的另外二相電纜被燒灼。受其影響，導致由該線送電的電廠窩電達半個月，并對澳供電可靠性大大降低。

2 ?故障調(diào)查及原因分析

2.1 ?情況調(diào)查

2.1.1 ?電纜概況及運行維護情況

該故障電纜于2013年12月投運，全長約10.446 km，全線采用電纜隧道敷設(shè)方式，三根電纜采用品字形布置。電纜型號為ZR-YJLW

02-1*2500 mm2，中間接頭型號為LSXI-220MC-1*2500 mm2，運行過程每周進行1次電纜隧道的巡視，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況;并已進行了2次的環(huán)流檢測，及2次電纜接頭紅外檢測，均未發(fā)現(xiàn)異常。截至故障發(fā)生時，該電纜投運未滿1年，也未發(fā)生過負荷情況。

2.1.2 ?現(xiàn)場檢查情況

①C相（#16）接頭短路、爆炸，爆炸起火，造成接頭完全損壞，同時造成敷設(shè)其上方的A、B相被燒灼電纜受損：電纜外護套燒熔下滴，鋁護套有局部燒損（未燒穿）。跳閘約2 h左右，現(xiàn)場還有明火及冒煙，滅火后，檢查現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該電纜接頭現(xiàn)場外殼絕緣環(huán)氧件除了下方有剩余外，其余完全被炸飛，最遠一塊（約1 kg）距#16接頭約20 m，其余發(fā)散落在接頭周圍，環(huán)氧件內(nèi)部接頭已被絕緣體被燒空。接頭接地線外套被燒熔。電纜故障現(xiàn)場照片，如圖1所示。

②經(jīng)檢查，電纜隧道上方及內(nèi)部均無外力破壞痕跡，可排除外力破壞的的可能。電纜故障點隧道內(nèi)部和隧道外道路照片，如圖2所示。

2.2 ?原因分析

2.2.1 ?電纜及電纜接頭固定夾具送檢

為找出電纜爆炸原因，對故障接頭位置臨近的電纜、新作接頭附近電纜、搶修用電纜及電纜接頭固定夾具的取樣送科研機構(gòu)檢測分析。經(jīng)檢驗：故障段電纜及搶修用電纜各性能參數(shù)符合標準及技術(shù)協(xié)議要求，金屬抱箍材質(zhì)符合要求，電纜及抱箍不是本次故障產(chǎn)生的原因。

2.2.2 ?非故障的兩個接頭送檢試驗

非故障的兩個接頭送至中國電力科學研究院（武漢分院），試驗檢測，檢測項目包括：局部放電試驗、耐壓試驗、雷電沖擊試驗、操作沖擊試驗。

所有試驗結(jié)果均合格，符合標準要求。根據(jù)本項試驗結(jié)果，非故障接頭設(shè)計及電氣性能參數(shù)均符合要求。

2.2.3 ?C相故障接頭和非相故障接頭分別解體對比分析

①該故障電纜#16兩個非故障接頭送檢試驗情況。

根據(jù)中國電力科學研究院（武漢分院）對故障電纜#16兩個非故障接頭的局部放電試驗、耐壓試驗、雷電沖擊試驗、操作沖擊試驗等所有試驗結(jié)果顯示設(shè)計及電氣性能參數(shù)均合格，符合標準要求。

②接頭解體情況分析：

其一，該故障電纜#16C相故障接頭解體情況。

故障接頭解剖數(shù)據(jù)，如圖3所示。

根據(jù)解剖結(jié)果，故障接頭預制件向故障側(cè)（長端）整體偏移了25 mm，大于說明書要求的小于±5 mm的標準。

其二，該電纜#16其中一個非故障接頭解體情況。

兩個非故障中間接頭做完試驗后，其中一個在中國電力科學研究院（武漢分院）完成解體工作。非故障接頭解剖數(shù)據(jù)，如圖4所示。

非故障接頭解剖數(shù)據(jù)，見表1。

由表1可知，非故障電纜接頭安裝尺寸及質(zhì)量均滿足安裝工藝要求。

其三，故障接頭預制件位置偏移原因分析。

造成故障接頭預制件位置偏移的原因有如下兩種可能：

可能一：安裝尺寸錯誤導致預制件偏移

經(jīng)查詢記錄及施工經(jīng)辦人員：本工程接頭安裝人員均由廠家事先認可的人員安裝施工，作業(yè)過程中，嚴格按照工藝要求作業(yè)，每個關(guān)鍵節(jié)點都進行了檢查、記錄，并經(jīng)廠家代表確認，監(jiān)理單位對每個接頭安裝均進行了旁站記錄，其結(jié)果尺寸符合廠家安裝工藝要求，如圖5所示。

從非故障接頭解體情況看，安裝尺寸準確，安裝工藝規(guī)范，且解體的故障與非故障接頭位于同一接頭區(qū)，安裝人員及廠家技術(shù)代表均為同一組人員，因此從接頭解體情況看，安裝記錄真實可信。非故障接頭現(xiàn)場解剖圖，如圖6所示。

可能二：故障后引起預制件位移。

從故障接頭解體現(xiàn)場看，預制件向長端偏移，故障接頭解體后觀察到以下情況：

其一，銅殼解剖后短端剩余部分預制橡膠件尾端半導電帶松動現(xiàn)象。

故障接頭解開銅網(wǎng)時拍攝，短端與鋁護套連接的銅網(wǎng)解開后，看到預制橡膠件尾端包繞的半導電帶有松動現(xiàn)象，如圖7、圖8所示。并且繞包不均勻，正常的施工工藝不可能允許如此明顯的問題存在，推斷預制橡膠件本體有位移，導致此現(xiàn)象發(fā)生。

其二，短端預制件內(nèi)主絕緣表面被熏黑。

故障接頭解體露出短端主絕緣，如圖9所示，圖中可看到主絕緣及預制件表面全部被熏黑，說明接頭故障短路瞬間，有一股強大的氣流通過接頭短端預制件與主絕緣之間的界面。

其三，短端剩余部分預制橡膠件內(nèi)殘留痕跡。

從非故障接頭解體情況看，切開預制件后，在應力管內(nèi)對應屏蔽罩位置兩邊殘留兩道明顯痕跡，如圖10所示。

而從故障接頭解體情況看，在長、短端兩邊各留下了兩道痕跡，兩道痕跡間距約20 mm，如圖11、圖12所示，這兩道痕跡應是預制件爆炸后移位產(chǎn)生。

其四，類似電纜接頭爆炸案例。

2009年11月，110 kV南澳B線C相1#接頭故障時，由于擊穿過程中的巨大短路能量使電纜線芯空間的空氣劇烈膨脹，膨脹的氣體必須有向外宣泄的通道，氣體由長段排出，巨大的后推力力量使預制件只能向銅殼短端推進，使絕緣體向短端移動了約25 cm，并造成短端銅殼與其連接的塑料制件分離，并壓縮了短端電纜鋁護套。如圖13、圖14所示。

該接頭故障引起預制件位移原因，故障接頭預制件安裝工藝為現(xiàn)場往返拖拉錐形式，這種安裝工藝將導致安裝完后，存在向長端的反應力集中在長端預制件內(nèi)，在接頭發(fā)生故障短路時，反應力得到釋放，拉動預制件向長端位移。同時，從故障頭短端預制件內(nèi)表面及電纜主絕緣表面全部被熏黑情況來看，爆炸時產(chǎn)生的強大氣流往短端方向通過預制件及電纜之間的界面，推動預制件向長端位移。另外，解剖的故障接頭長、短端兩邊各留下的間距約20 mm兩道痕跡，與解剖實際位移基本一致。

綜合以上情況分析判斷，并從本次故障及非故障接頭解體情況看，本次故障接頭預制件位移是由本次故障造成的。

③故障接頭擊穿原因分析

其一，放電通道分析。

從故障現(xiàn)場的電纜頭情況看，長端預制件炸裂燒毀，只剩下電纜線芯，線芯完整，無斷股、燒損的現(xiàn)象，如圖15所示。從解剖情況看，長端殘留絕緣表面上有明顯放電通道，如圖16所示，故障電流通過順序：壓接管-編織帶（已燒熔）-屏蔽罩，最后沿絕緣表面通道逐漸變寬，如圖17～圖19所示，因長端預制件及絕緣燒損，未能觀察到放電通道末端，從長端殘留預制件上可見明顯裂紋，接頭預制件內(nèi)部存在黑色物質(zhì)，未見電纜主絕緣表面形成的明顯放電通道。

根據(jù)電纜接頭頭的結(jié)構(gòu)，其擊穿過程有三種可能，如圖20所示，第一種如紅色路徑所示，為預制件本體擊穿：通常為預制件質(zhì)量不良引起，國內(nèi)目前也發(fā)生多起這類情況，通常會在預制件外表面形成擊穿圓孔，一般不會炸裂整個預制件，從本次故障接頭解剖情況看，在殘留預制件體未見明顯放電通道。第二種如藍色路徑所示，為沿面擊穿：通常從金屬屏蔽罩、應力管（內(nèi)半導電層）沿電纜絕緣與預制件界面至應力錐形成擊穿通道。從本次故障接頭解剖情況看，從屏蔽罩至殘留電纜主絕緣表面存在明顯放電通道。第三種如綠色路徑所示，通常由于安裝尺寸錯誤，導致應力錐未起到改善電場分布作用，導致電場集中，超過擊穿場強，直接在應力錐部位造成電纜主絕緣擊穿，從本次故障接頭解剖情況看，長端露出的該部位電纜線芯完整，無斷股、燒損的現(xiàn)象，沒有放電痕跡，可以排除。

從本次故障接頭解剖看，接頭預制件長端擊穿通道的一側(cè)內(nèi)表面有許多不規(guī)則放電通道，如圖21所示，從預制件內(nèi)半導電層與預制件硅橡膠接觸面開始產(chǎn)生的刷狀放電通道，可能原因分析如下：

第一接頭預制件內(nèi)部半導電層與硅橡膠接觸面間有毛刺，或存在氣隙等缺陷，由于這些缺陷部位的場強非常集中，運行一段時間達到臨界場強后，產(chǎn)生局部放電，并發(fā)展為刷狀放電通道;

第二接頭設(shè)計不合理，但該型號接頭已通過型式試驗及預鑒定試驗，沒有理由表明其設(shè)計不合理，該原因可以排除。

綜上所述，導致預制件內(nèi)半導電層與硅橡膠接觸面產(chǎn)生的刷狀放電通道是由于接頭內(nèi)部存在缺陷。

其二，操作過程中導致接頭擊穿原因分析。

本次接頭故障是在220 kV環(huán)琴甲線操作合閘送電過程中發(fā)生，該故障電纜故障時合閘時錄波圖，如圖22所示。

從錄波圖可以看出，C相處于峰值時合閘。通過ATP仿真軟件計算可知，本次事故的系統(tǒng)過電壓最大值出現(xiàn)在終端站側(cè)，而不在接頭故障點處。如果所有接頭質(zhì)量完好，本次故障不應在C相#16接頭處，說明C相#16接頭本身已存在缺陷。

其三，本次故障頭擊穿原因分析。

根據(jù)以上推斷，本次故障接頭存在缺陷，從解體的故障接頭可以明顯看到預制件內(nèi)半導電層與硅橡膠接觸面有刷狀局放通道，說明預制件內(nèi)半導電層與硅橡膠接觸面可能存在氣隙或毛刺等缺陷，在運行過程中界面產(chǎn)生局部放電，進而形成刷狀局放通道，屬于預制件質(zhì)量問題。合閘瞬間的過電壓加速刷狀局放通道擊穿，造成本次故障直接原因。同時，在該故障電纜合閘時錄波圖可以看出，C相剛好處于負峰值時合閘，使得該相合閘過電壓值達到極大值，加上本線路為220 kV長距離電纜線路，因此合閘時產(chǎn)生的極值過電壓是本次故障的間接原因。

3 ?預防措施

①盡可能在中間電纜頭安裝防爆滅火系統(tǒng);

②為保證進入隧道的工作人員人身安全，制定隧道補充管理要求（規(guī)定涉及的電纜線路需進行運行方式調(diào)整或較大負荷調(diào)整時，須通知隧道內(nèi)人員撤離）;

③加強隧道內(nèi)電纜接頭局部放電帶電檢測，并開展“局放”在線監(jiān)測技術(shù)的研究;

④嚴格執(zhí)行對新建或新做接頭的110 kV以上電纜線路，盡量采用交流耐壓試驗，避免采用24 h空載代替耐壓試驗;

⑤為保證進入隧道的工作人員人身安全，進行智能巡檢系統(tǒng)的可行性調(diào)研;

⑥綜合國內(nèi)兄弟單位的運行經(jīng)驗與教訓，為防止類似事件發(fā)生，進一步開展長距離電纜線路及此類接頭的擊穿機理的研究。

參考文獻：

[1] 張一塵.高低壓技術(shù)（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2] 魏華勇，孫啟偉，彭勇，等.電力電纜施工與運行技術(shù)[M].北京：中國電力 ? 出版社，2013.

[3] GB 50168-2006，電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范[S].

[4] GB 50217-2007，電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].

[5] Q/CSG 11105.1—2008，南方電網(wǎng)工程施工工藝控制規(guī)范（第1部分）：

送電工程[S].

[6] 中國南方電網(wǎng)有限責任公司. 中國南方電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)建設(shè) ? 施工作業(yè)指導書（第1部分：輸電線路）[M].北京：中國電力出版社，2012.