高壓電纜終端擊穿故障的分析與處理

孫永輝，王馥玨， 韓宇澤

(1.河海大學 能源與電氣學院， 南京 210098； 2.南京供電公司， 南京 210000)

隨著經濟社會的不斷發展，城市用電量迅速增長，新增輸電線路也逐年增加。但限于城市規劃、環境景觀、線路走廊的要求，城市輸電線路越來越多地采用高壓電纜[1-4]。以南京地區為例，目前35 kV及以上電壓等級電纜線路總長度約1 300 km，其中110～220 kV電纜線路近1 000 km，且仍以至少100 km/年(回路長度)的速度遞增，電纜正逐漸承擔起主干輸電線路的作用，電網對其供電可靠性的要求也愈加強烈。

然而隨著電纜線路日益增多和運行年限的增長，龐大而復雜的電纜網時常發生故障，電纜運行中發生的設備故障也明顯增多。本文介紹了一起110 kV電纜戶外終端擊穿故障，通過對事故電纜終端的解剖分析，最終確定了故障原因，并針對性地提出了預防類似事故發生的措施及建議，為今后同類問題的解決提供了有益的嘗試。

1 設備概況

110 kV某甲線為架空線-電纜混合輸電線路(見圖1)，線路中共計有兩段電纜，分別為#A塔至#B塔段以及#C塔至乙變電站段，其中，#A塔至#B塔段長250 m，#C塔至乙變電站段長365 m，敷設形式：排管；電纜型號：YJLW03-Z-64/110-1*800。乙變電站內為GIS終端，#A塔、#B塔及#C塔為復合套管式戶外終端，兩段電纜線路接地方式均采用單點接地，其中乙變電站內及#B塔為保護接地側，#A塔和#C塔為直接接地側，該線路于2008年5月投運。

2 事故情況

2016年11月7日5時20分，110 kV某甲線跳閘，一段重合不成，故障測距：距離甲變10.39 kM，故障相：C相。經故障點查找，發現#C塔C相電纜終端尾管處存在放電燒灼痕跡，如圖2所示，隨后對故障終端進行解剖，發現故障點如圖3所示。

通過對故障終端的解剖，發現擊穿點位于電纜半導電斷口下方約60 mm處，為一直徑約為35 mm大小的孔洞，具體位置如圖4所示。并且擊穿位置沿電纜絕緣屏蔽層一周均有長期放電痕跡，且屏蔽層與電纜絕緣本體出現脫離。在電纜終端尾管處，銅編織線與尾管完全脫離，電纜鋁護套表面也存在腐蝕現象，局部已經出現穿孔。

圖2 故障電纜終端

圖3 故障擊穿點

圖4 故障電纜終端結構示意圖

3 事故原因分析

3.1 系統模型建立

根據實際故障情況以及故障電纜終端的結構特性，建立包括電纜線芯、電纜絕緣、電纜絕緣屏蔽層、半導電阻水層、鋁護套、電纜外護套、附件應力錐、錐托、應力錐罩、絕緣劑、復合套管、尾管、密封繞包半導電帶、鉛帶、銅網、環氧泥、防水帶、熱縮管、空氣等的分析模型如圖5所示[5-6]。

建立故障終端計算模型[7-9]，等效出故障電纜終端計算的集總電路如圖6所示。

針對故障電纜段，電纜絕緣相對介電常數εi=2.5，電纜外護套相對介電常數εs=8，空氣相對介電常數ε空=1，真空絕對介電常數ε0=8.85E-12F/m，故障點處電纜絕緣外屏蔽體積電阻率ρ1=0.2～0.4 Ω·m，應力錐半導電體積電阻率ρ2=0.4～0.7 Ω·m。

應用下式計算電路元件電阻R、電容C以及容抗X：

式中：Db為電纜絕緣外徑；Da為電纜導體外徑；f為頻率；S為電纜導體截面積；L為電纜段長。計算出圖6中各元件參數為

R1=35～60 Ω

R2=10～25 Ω

Xi=6E04-8E04Ω

XS=1E03～2E03Ω

X雜=1E08Ω

圖5 故障電纜終端計算分析模型

圖6 故障電纜終端計算分析模型

3.2 計算分析

由于在故障解剖中發現接地銅編織線與電纜鋁護套及終端尾管完全脫離，但密封環氧泥材料混合均勻，固化良好，且經檢測，電纜終端塔站柱未發現有沉降現象發生。因此，我們懷疑本次故障跟接地銅編織線的連接情況有關，對銅編織線連接點不同狀態進行了分析：

1) 接地銅編織線與電纜鋁護套及終端尾管連接正常情況下：

R地=0 Ω，Ua=0 V，電纜鋁護套接地正常。

2) 接地銅編織線存在虛焊，進而導致尾管進潮，銅編織線與電纜鋁護套及終端尾管處焊接點存在氧化腐蝕時：

R地將逐漸增大，Ua也將逐漸增強，接地電流I地經R地入地，同時加速銅編織線焊接點的腐蝕。

3) 銅編織線焊接點繼續受到腐蝕：

R地持續增大，并增大到R1、R2開始影響電路，接地電流I地經R地和R1+R2流入大地，同時銅編織線焊接點繼續受到腐蝕。

4) 銅編織線焊接點繼續受到腐蝕，并完全脫離：

R地繼續增大，并最終不對電路起主要影響，由于XS、X雜阻抗值相對R1+R2更大。并且電路中故障接地電流I地≈U0/Xi≈1 A，主要流經R1+R2進入大地，Ua≈80 V。R1+R2(故障點處電纜絕緣外屏蔽電阻+應力錐半導電層電阻)將在I地影響下發熱，并且R1發熱尤為嚴重[10]。

因此，通過分析電纜終端銅編織線焊接點不同連接狀態下的接地電流流經情況，初步確認故障由于接地銅編織線焊接點受到腐蝕脫離失效引起[11]。最終導致電纜鋁護套接地失效，進而引起故障點電纜絕緣外屏蔽和應力錐半導電層上流經較大接地電流，導致故障點電纜絕緣屏蔽發熱嚴重，絕緣失效，最終導致擊穿故障。

3.3 故障點絕緣外屏蔽發熱溫升分析

基于上述的計算分析，本研究根據如圖7所示電纜終端接地銅編織線焊接點脫離這一故障特性，對故障點周邊結構進行建模[12]，并在有限元分析軟件中，依據設備運行工況，對模型添加材料屬性參數，進行電熱耦合的仿真分析。

圖7 故障點情況

對故障點電纜絕緣外屏發熱溫升進行仿真分析，結果如圖8所示，接地銅編織線焊接點完全腐蝕斷裂后，故障點絕緣外屏蔽發熱，將產生高于環境溫度約65 ℃的溫升。

圖8 故障點絕緣外屏蔽溫升分析

對故障點附近電纜鋁護套電壓進行仿真分析，如圖9結果所示，接地銅編織線焊接點完全腐蝕脫離后，電纜鋁護套電壓約為80 V。

圖9 電纜鋁護套電壓分析

對故障點絕緣外屏蔽電流密度進行仿真分析，如圖10結果所示，銅編織線焊接點完全腐蝕脫離后，故障點絕緣外屏蔽電流密度約為4 400 A/m2。

圖10 故障點絕緣外屏蔽電流密度分析

根據上述分析結果，選取兩種邊界條件計算故障點的溫度區間。

1) 夏季時(南京夏季平均氣溫29 ℃)，故障設備滿負荷條件下運行時的故障點溫度情況：

如圖11結果所示，夏季，故障設備滿負荷運行時，故障點絕緣外屏蔽溫度約為106 ℃。

圖11 故障點絕緣外屏蔽最高溫度分析

2) 冬季時(南京東季平均氣溫3 ℃)，故障設備空載條件下運行時的故障點溫度情況：

如圖12結果所示，冬季，故障設備空載運行時，故障點絕緣外屏蔽溫度約為69 ℃。

圖12 故障點絕緣外屏蔽最高溫度分析

綜上，分析結果顯示，設備運行時，故障點溫度將在69 ℃～106 ℃范圍內浮動，并且這只是將夏(29 ℃)、冬(3 ℃)兩季的平均氣溫作為環境溫度，實際上南京炎夏最高氣溫可達到39 ℃以上，故障點的最高溫度也將相應升高。交聯聚乙烯電纜的長時間運行溫度應低于90 ℃，該電纜終端內部故障點處絕緣溫度將長時間超過規定值，導致絕緣不斷劣化，進而絕緣失效，最終發生擊穿故障。

4 故障定性及處理措施

通過上述計算，并調閱了該線路近一年的接地環流與終端紅外測溫數據，進行綜合分析判斷?？梢耘卸?10 kV某甲線#C塔C相電纜終端擊穿故障原因為：電纜終端接地銅編織線存在虛焊，密封不良進而進潮，引起接地銅編織線焊接點受到腐蝕并脫離，最終導致電纜鋁護套接地失效，使鋁護套存在懸浮電壓，致使繞包在鋁護套上的鉛帶、銅網與錐托和接地端存在電位差，進而引起故障點電纜絕緣屏蔽和應力錐半導電層上電流密度較大，導致故障點電纜絕緣屏蔽發熱嚴重，并使電纜絕緣長時間運行溫度超過90 ℃，最終致使電纜絕緣劣化并失效，進而引起擊穿故障。

因此，110 kV某甲線#C塔C相電纜終端擊穿故障的主要原因為：電纜終端安裝工藝不達標，引起電纜設備故障，造成線路跳閘。

110 kV某甲線#C塔C相電纜終端擊穿后，運行人員第一時間發現故障點并連夜開展了故障搶修和終端解剖工作，分析故障原因，恢復送電，在事故地點安裝了一組全新電纜終端，并重點關注了造成本次故障的安裝環節——接地銅編織線的焊接與環氧泥混合的工藝過程，確保安裝工藝符合標準要求，如圖13所示。

同時，在110 kV某甲線全線終端檢查過程中，運行人員發現#B塔A相電纜終端封鉛部位有疑似放電痕跡，作業人員剖開熱縮管后發現，銅編織帶附近同樣存在嚴重腐蝕現象，且與電纜終端連接點處于脫落邊緣狀態，如圖14所示。因此，運行人員隨即決定對該組終端進行更換處理，及時消除了這起運行隱患，避免了同類故障的發生，保障了線路的安全可靠運行。

圖13 110 kV某甲線#C塔電纜終端安裝過程

圖14 110 kV某甲線#B塔A相電纜終端

5 結論

通過分析總結本起故障的發生原因，可以發現，電纜附件的安裝質量直接影響其可靠運行能力。因此，查找出電纜附件安裝過程中存在的弊端，進一步規范和強化相應的管理措施，成為提高電纜供電可靠性，降低高壓電纜故障率的一項迫切的任務。基于這一目標，本研究提出以下建議：

1) 加強附件安裝單位及人員的資格審查及考核評價，提升高壓電纜施工人員的技能水平。

2) 規范電纜附件安裝工程現場作業條件與標準，核查現場人員安裝資格，對安裝作業過程全程記錄，并做好影像資料的流程。

3) 針對戶外電纜終端塔，采用自主研發的電纜終端塔防沉降監測系統，對電纜終端站柱進行沉降監測，避免因沉降而引起電纜終端故障擊穿。

4) 強化電纜附件安裝工程驗收，通過增加首件驗收、隨工驗收、轉序驗收等方式，把控電纜附件安裝重點環節。

5) 提升電纜運維管理人員專業水平，注重員工專業技能鍛煉，鼓勵員工動手實踐操作，增強員工現場工作經驗。

6) 深入推進電纜附件質量追溯機制，全程追蹤入網電纜附件設備安裝全過程，針對可能存在家族性缺陷的電纜附件產品進行追蹤，降低因產品工藝設計問題帶來的運行設備安全隱患。