高壓電纜GIS 終端環氧套管典型缺陷仿真與故障分析*

周鳳爭，孟崢崢，宋鵬先，朱曉輝，李 旭，朱明正，于 洋，房晟辰

（國網天津市電力公司電力科學研究院，天津300384)

目前高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜線路以其安全可靠、節省空間和節約城市土地資源的特點，得到越來越多的應用。尤其是高壓變電站內變壓器和氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）之間、高壓變電站與高壓變電站之間廣泛采用高壓電纜線路進行連接。高壓電纜線路的安全運行對電力系統運行具有重要意義。

電纜附件是電纜線路的薄弱環節，近年來系統內發生多起高壓電纜GIS 終端絕緣擊穿故障，經過分析發現主要原因是終端內部絕緣套管內部存在氣泡絕緣缺陷［1-3］。高壓電纜GIS 終端的結構如圖1 所示，結構主要包括硅橡膠應力錐和環氧套管。環氧套管是在高壓電極和地電極之間真空澆注環氧樹脂而成。

圖1 高壓電纜GIS 終端結構圖Fig.1 Structure of high voltage GIS(gas insulated switchgear) cable accessory

1 高壓電纜GIS 終端仿真與故障分析

1.1 仿真分析

采用ansoft maxwell 電磁場有限元分析軟件對圖1所示的220kV 高壓電纜GIS 終端進行了仿真分析，其電位分布圖和電場強度分布圖分別如圖2 和圖3 所示。在圖2 中，紅色為高電位，最高為相電壓127kV，藍色為地電位0V，在應力錐以下部分，電位分布主要集中在XLPE 絕緣部分，應力錐以上部分，電壓分布從高壓線芯和高壓電極過渡到應力錐和地電極。在圖3 的高壓電纜GIS 終端場強分布圖中可以看出，在應力錐以下部分，場強集中在XLPE 絕緣中；在應力錐以上部分，場強主要集中在高壓電極附近。

圖2 高壓電纜GIS 終端電位分布圖Fig.2 Voltage distribution of high voltage GIS cable accessory

圖3 高壓電纜GIS 終端場強分布圖Fig.3 Field strength distribution of high voltage GIS cable accessory

圖4 是電場強度沿著圖3 中高壓電極和地電極之間（黑線所示）的分布圖。圖5 是環氧套管內部高壓電極附近存在氣泡缺陷的CT 掃描圖［3］。高壓電極附近的最高電場強度為76kV/cm，遠遠大于空氣擊穿場強30kV/cm。如果高壓電極附近存在氣泡氣隙，將會引起局部放電，引發絕緣擊穿故障。

圖4 高壓電極和地電極間 的電場強度分布圖 Fig.4 Electric field intensity distribution between high voltage electrode and ground electrode

圖5 環氧套管CT 掃描圖 Fig.5 CT scan of epoxy bushing

1.2 高壓電纜GIS 終端故障分析

220kV 高壓電纜GIS 終端C 相故障，C 相電纜終端環氧罩外表已被電弧灼燒變黑，且從內向外發生炸裂，有大片裂片散落，露出內層高壓電極，如圖6 所示。

圖6 220kV 高壓電纜GIS 終端故障圖Fig.6 Insulation breakdown of 220kV high voltage GIS cable accessory

現場解剖發現擊穿點位于環氧絕緣體內部的高壓電極與環氧樹脂的接觸界面處，由于界面處存在氣隙絕緣缺陷，引起該部位電場發生畸變，產生局部放電，放電通過逐步發展，最終導致環氧絕緣體擊穿，放電能量將部分外殼炸開，如圖7 所示，其擊穿路徑如圖8 所示。

圖7 環氧套管內部 絕緣擊穿圖 Fig.7 Inner insulation breakdown of epoxy bushing

圖8 絕緣擊穿路徑圖 Fig.8 Path of insulation breakdown

2 環氧套管預防技術措施

目前高壓電纜附件主要依據國家標準GB/T 11017、GB/T 18890 和GB/T 22078，標準規定的主要檢測項目見表1。

表1 110kV～500kV 高壓電纜附件的主要檢測項目Table 1 Test items of 110kV～500kV high voltage cable accessory

上述標準規定了橡膠應力錐和整體預制橡膠絕緣件的電氣試驗（包括局部放電試驗和工頻電壓試驗），從而確保了應力錐的產品質量；而對環氧套管只規定了密封試驗，對環氧套管內部絕緣缺陷缺少檢測項目，不能確保絕緣套管的出廠產品質量。

通過上述故障分析，對于高壓電纜GIS 終端用環氧套管質量管控十分必要，為了避免有絕緣缺陷的環氧套管引發電纜線路絕緣擊穿故障發生，應該在現有的標準中增加環氧套管絕緣缺陷檢測項目，確保環氧套管出廠產品質量。在例行試驗（出廠試驗）中除密封試驗外增加局部放電試驗和CT 掃描項目，具體如下：

（1）局部放電試驗應根據GB/T 3048.12，其靈敏度優于或等于10pC(110kV)、5pC(220kV 和500kV)，試驗電壓應逐漸升至1.75U0 并保持10s，然后慢慢地降至1.5U0，在1.5U0 下被試品無可檢測出的放電。局部放電試驗可以采用無局放的應力錐配合環氧套管的方式，逐個對環氧套管進行局部放電檢測。

（2）對局部放電不合格的環氧套管進行CT 掃描定位，重點檢查高壓電極與環氧樹脂澆注界面是否接合緊密，高壓電極周邊是否存在微孔、氣隙等缺陷。