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，而由于各種原因導致電力電纜發生爆炸事故時有發生，這給電力系統的安全穩定運行帶來重大沖擊，乃至給社會和人民生命和財產安全帶來嚴重影響，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月珠海電力隧道發生一起220 kV電纜由檢修轉運行（送電）的運行操作過程C相中間頭發生爆炸并起火，并造成敷設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 ?故障調查及原因分析

2.1 ?情況調查

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，未發現設備異常情況;并已進行了2次的環流檢測，及2次電纜接頭紅外檢測，均未發現異常。截至故障發生時，該電纜投運未滿1年，也未發生過負荷情況。

2.1.2 ?現場檢查情況

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，現場還有明火及冒煙，滅火后，檢查現場發現該電纜接頭現場外殼絕緣環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，其余發散落在接頭周圍，環氧件內部接頭已被絕緣體被燒空。接頭接地線外套被燒熔。電纜故障現場照片，如圖1所示。

②經檢查，電纜隧道上方及內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檢測分析。經檢驗：故障段電纜及搶修用電纜各性能參數符合標準及技術協議要求，金屬抱箍材質符合要求，電纜及抱箍不是本次故障產生的原因。

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。

所有試驗結果均合格，符合標準要求。根據本項試驗結果，非故障接頭設計及電氣性能參數均符合要求。

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果顯示設計及電氣性能參數均合格，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。

故障接頭解剖數據，如圖3所示。

根據解剖結果，故障接頭預制件向故障側（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。非故障接頭解剖數據，如圖4所示。

非故障接頭解剖數據，見表1。

由表1可知，非故障電纜接頭安裝尺寸及質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

經查詢記錄及施工經辦人員：本工程接頭安裝人員均由廠家事先認可的人員安裝施工，作業過程中，嚴格按照工藝要求作業，每個關鍵節點都進行了檢查、記錄，并經廠家代表確認，監理單位對每個接頭安裝均進行了旁站記錄，其結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，安裝工藝規范，且解體的故障與非故障接頭位于同一接頭區，安裝人員及廠家技術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象。

故障接頭解開銅網時拍攝，短端與鋁護套連接的銅網解開后，看到預制橡膠件尾端包繞的半導電帶有松動現象，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，導致此現象發生。

其二，短端預制件內主絕緣表面被熏黑。

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，在接頭發生故障短路時，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表面及電纜主絕緣表面全部被熏黑情況來看，爆炸時產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，接頭預制件內部存在黑色物質，未見電纜主絕緣表面形成的明顯放電通道。

根據電纜接頭頭的結構，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：通常為預制件質量不良引起，國內目前也發生多起這類情況，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內表面有許多不規則放電通道，如圖21所示，從預制件內半導電層與預制件硅橡膠接觸面開始產生的刷狀放電通道，可能原因分析如下：

第一接頭預制件內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，產生局部放電，并發展為刷狀放電通道;

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

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

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環琴甲線操作合閘送電過程中發生，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，本次事故的系統過電壓最大值出現在終端站側，而不在接頭故障點處。如果所有接頭質量完好，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半導電層與硅橡膠接觸面有刷狀局放通道，說明預制件內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生局部放電，進而形成刷狀局放通道，屬于預制件質量問題。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;

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（規定涉及的電纜線路需進行運行方式調整或較大負荷調整時，須通知隧道內人員撤離）;

③加強隧道內電纜接頭局部放電帶電檢測，并開展“局放”在線監測技術的研究;

④嚴格執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，進行智能巡檢系統的可行性調研;

⑥綜合國內兄弟單位的運行經驗與教訓，為防止類似事件發生，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。

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