XLPE電纜故障分析診斷

楊濤

摘 要：本文主要介紹XLPE電纜的結構和原理，然后從結構和原理出發，對10kV電纜終端常見錯誤布置以及電纜事故案例進行了分析。

一、XLPE電纜基礎知識

1.1XLPE電纜結構

三相XLPE電纜的結構從內至外依次為：導體、導體屏蔽、絕緣層、絕緣屏蔽、內護層、填芯和填料、玻璃絲帶、外護套。

導體：通常用導電性好、有一定韌性、一定強度的高純度或鋁制成。除有特殊要求外，導體一般采用多股緊壓而成；

導體屏蔽：由半導體材料組成，具有較低的體積電阻率，與導體接觸，與絕緣層緊密 貼合；

絕緣屏蔽：結構與功能與導體屏蔽類似，其與內護層（金屬屏蔽層）相接觸，與絕緣層緊密貼合；

內護層：一般為銅帶，按一定方式繞包在絕緣屏蔽上，工作時，內護層引出接地；

填芯和填料：作填充用，使電纜整體成圓形；

玻璃絲帶：包裹著導體及填芯使電纜成圓形；

外護套：包覆在電纜護套（內護層）外面的保護覆蓋層，主要起機械加強和防腐蝕作用。金屬護套的外護層為襯墊層、鎧裝層和外被套三部分組成。襯墊 層位于金屬護套與鎧裝層之間，起鎧裝襯墊和金 屬護套防腐蝕作用；鎧裝層為金屬帶或金屬絲，主要起機械保護作用，金屬絲可承受 拉力；外被層在鎧裝層外面對金屬鎧裝起防腐作用。

1.2XLPE電纜絕緣原理

每相電纜內存在兩個電極：處于高電勢的導體和處于地電勢的銅屏蔽層理想情況下，電極之間的等勢面為與兩個電極同軸的圓柱面。

實際中，由于兩個電極的材料和結構，使其不可能與絕緣層緊密貼合，因此在兩個電極與絕緣層之間加入了半導體屏蔽層，半導體屏蔽層與絕緣層貼合緊密，大大減小了局部放電。

在現場安裝過程中電纜需要與其它設備相連，需制作電纜終端，在制作過程中需要將絕緣層外的半導體屏蔽剝離，由于被剝離的電極在截斷處曲率半徑很小，使電場在該處集中，軸向場強很強，如不加處理，該處極可能發生沿絕緣層表面的閃絡，影響電纜安全運行。

1.3處理電纜沿絕緣層表面的閃絡主要方法

1.3.1加裝應力錐

應力錐的結構為：使用電阻率很低的半導體材料制成錐狀的電極，與被截斷的半導體屏蔽層相連接，應力錐與本體之間則采用絕緣材料填充，使地電勢向上延伸，改變了原本曲率半徑較小的電極形狀，從而改善了電場的分布。

1.3.2加裝應力管

應力管的結構為：應力管的結構比應力錐簡單，為高介電常數，中電阻率的單一材料制成，一般為筒狀，并具有良好的收縮性，安裝時，套在半導體截斷處，良好接觸，無氣隙。

在未裝應力管前，半導體截斷處的界面的介質為空氣，空氣的介電常數約為1，電阻率也較大，因此其容抗與電阻均較大。而應力管介電常數遠高于1，電阻率也遠小于空氣，因此其阻抗遠小于空氣，在安裝之后，代替了界面處的空氣，其單位長度在軸向的阻抗網絡中，分得的軸向電壓變低，使界面的軸向場強大大減小。

二、 10kV電纜終端常見錯誤布置

2.1電纜終端布置要求

電纜布置時，首先要知道電纜終端哪些是地電位，哪些是高電勢的電極。銅屏蔽層剝離處以下均應視作地電位，應與其他高電勢的電極（導體）保持足夠的空氣距離。同時銅屏蔽剝離處以上的區域均應視作帶電部位，應遠離其它相，以及接地的各種構架、尖端狀的電極，

2.2幾種電纜常見錯誤布置

電纜頭為熱縮電纜頭，電纜終端主絕緣靠在角鋼上，由于電纜終端外表面帶電，會對角鋼產生局放，在陰雨天氣有肉眼可見的放電火花，導致電纜與角鋼接觸處的絕緣劣化，有明顯的燒蝕痕跡。

三、 XLPE電纜事故案例分析

2011年5月9日110kV××站新安裝10kV電容四路927#開關柜及電容器組，交接試驗后投入運行。一個月后戶外電纜頭B相炸毀，

2012年3月29日，在35kV××站，與110kV××站同型號，同廠家的電纜頭在進行交流耐壓時，應力管處連續擊穿3次

2、故障原因分析

為了找到電纜頭擊穿的原因，首先了解電纜頭結構，故障的始發點在應力錐位置，應力錐末端在軸向場強作用下產生放電擊穿，短路電流從銅屏蔽流向接地線，導致銅屏蔽燒毀。假如故障點在應力錐之下的其它某個地方（圖5），由于硅橡膠具有阻燃性那么在故障點以上的電纜終端不會燒毀，因為，根據電路的基本原理，電流一定是從高電位端流向低電位端，在故障點以上部位為高電位或等電位部分，故障點以下部分為地電位部分，因此故障電流只能從故障點流向接地線。

應力錐在設計時，其頂部的軸向場強最大，頂部以下曲面的軸向場強設計為近似相等的值。因此，故障的始發區域應當是應力錐頂部附近的界面。

從該廠家該型號產品最近六次的電纜頭故障來看，無一例外都在應力錐主絕緣交界處發生擊穿。通過對故障應力錐和電纜的解剖，本體絕緣的厚度符合國家標準要求，也未發現氣隙、雜質等絕緣缺陷，且應力錐與硅橡膠澆筑良好，硅橡膠與本體絕緣接觸良好不存在氣隙。符合國家標準的絕緣厚度要求、性能良好的硅橡膠和交聯聚乙烯在10kV場強不可能直接發生徑向的擊穿，因此擊穿最開始的原因應當是軸向場強使界面發生閃絡。

四、對10kV電纜安裝的幾點建議

（1）由于應力錐和應力管往往為廠家預制的，其半徑往往固定。針對不同型號不同半徑的電纜要合理選用，保證應力錐和應力管的半徑與電纜的半徑相適應，既不能太細，也不能太粗。使兩者接觸良好為宜；

（2）對半導體屏蔽層進行剝離時，應注意防止損傷主絕緣；

（3）切斷半導體屏蔽層時，應使其延軸向盡量平整光滑；

（4）對主絕緣進行清潔時，應防止半導體顆粒、導體金屬顆粒、水分、其它雜質污染主絕緣界面，尤其對應力錐和應力管覆蓋的界面尤其應當注意。

（5）電纜終端各相電纜頭的布置非常重要，在國家標準中對電纜頭的布置也有要求。電纜頭的布置一定要考慮到避免電應力集中的情況。但從現場的實際情況來看，相當部分人對電纜頭的布置不是很了解，隨意很大，埋下隱患，導致電纜故障。由于10kV開關柜內空間狹小，如果采用雙電纜，則很難保證電纜相間和對地距離，易產生故障。因此，在10kV開關柜內盡量避免采用雙電纜。