220 kV高壓預制式電纜中間接頭故障分析與處理

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0 引 言

高壓電力電纜在城市地下電網、發電廠、變電站等場所應用廣泛，但近年來，隨著新建電纜工程的快速擴張，高壓電纜及接頭故障頻發，嚴重影響了電網的安全可靠運行。歷數近年的幾起重大電網事故，均由電纜故障引起，造成的經濟損失巨大、社會影響嚴重[1-8]。如2013年6月上海500 kV三靜5191電纜線路接頭發生故障擊穿引起地鐵停運；2016年6月陜西110 kV韋曲變電站35 kV出線電纜接頭故障引起電纜溝失火；2016年8月大連66 kV電纜接頭故障后引起同通道內電纜燒損短路跳閘等。

由于電纜及附件的絕緣設計裕度較大而有效的檢測方法少，安裝過程中產生的潛在缺陷，通常難以通過絕緣電阻、交流耐壓等常規交接試驗發現，此類高壓電纜接頭若運行于城市電網的重要干線中，將嚴重威脅著電網的安全穩定。下面以某地由某附件供應商統一安裝的220 kV電纜中間接頭造成的多次絕緣擊穿故障為研究對象，對比分析了接頭的解體情況和施工工藝等問題，深度剖析了電纜線路的中間接頭頻繁出現絕緣擊穿的根本原因，以期為高壓電纜的安裝、管理提供借鑒參考。

1 電纜中間接頭故障基本情況

某220 kV甲、乙電纜線路為兩變電站的共通道聯絡線，互為備用線路，線路均敷設于隧道內，型號為YJLW02-127/220-1×2 000 mm2，各含中間接頭5組以及GIS終端和戶外終端各1組。

甲線3號電纜接頭B相在線路新投時，發生絕緣擊穿故障，接頭起火，并引起臨近電纜損傷。故障后，對修復后的電纜線路按照國家電網公司企業標準Q/GDW 11316-2014《電力電纜線路試驗規程》的相關規定，重新進行1.7U0(216 kV)耐壓試驗時，甲線5號接頭C相(非搶修接頭)在升壓至151 kV時發生絕緣擊穿，A、B相電纜通過耐壓試驗；而乙線5號接頭A相(非搶修接頭)在升壓至189 kV時發生絕緣擊穿。甲線3號電纜接頭燒損嚴重，已無法辨識接頭內放電通道，如圖1所示。

圖1 甲線3號電纜接頭B相燒損嚴重

經核對，甲、乙線電纜接頭均由同一電纜附件供應商A供貨，并負責安裝。但甲、乙線實際采用的并不是A供應商生產的硅橡膠絕緣預制件，而是采用B供應商生產的以三元乙丙橡膠為主絕緣的預制件。

2 電纜中間接頭的解體分析

由于甲線3號故障電纜接頭燒損嚴重，難以辨識放電通道，因此選取在耐壓試驗過程中發生絕緣擊穿的甲線5號接頭C相、乙線5號接頭A相進行了對比分析。

2.1 電纜中間接頭的擊穿現象分析

解剖過程中發現，甲、乙線5號接頭外觀均完好，接地銅殼內防水膠未見破損，去除接地網外的繞包帶材后，發現絕緣預制件半導電層斷開側的端部存在絕緣擊穿點，擊穿點孔徑均較小，如圖2所示。

接頭內電纜表面放電痕跡如圖3所示。放電點均起始于電纜主絕緣斷口與金屬導體連接處，經絕緣預制件，沿預制件與電纜主絕緣間的界面延伸發展，在主絕緣表面、預制件內表面均形成明顯的放電發展通道。

(a)甲線5號電纜接頭 (b)乙線5號電纜接頭圖2 甲、乙線耐壓試驗中形成的擊穿點

圖3 甲、乙線故障接頭內電纜表面燒損情況

對絕緣預制件放電位置進行切片觀察，可見放電點均起始于高壓導體連接管半導電帶繞包端部與預制件內半導電屏蔽體的接觸處，當電弧發展到預制件靠近零電位的端部半導電體后，由于絕緣距離不足，電弧經預制件內部的主絕緣三元乙丙橡膠，形成貫穿性放電通道，如圖4所示。

圖4 甲、乙線電纜接頭故障擊穿面

2.2 電纜及接頭的施工安裝工藝分析

事故發生后，根據供應商先后提供的A、B兩種電纜接頭安裝說明書，發現甲、乙線電纜接頭采用的施工工藝與供應商B的初始安裝工藝存在差異，在關鍵部位的施工工藝存在變動。

2.2.1 電纜接頭關鍵部位的施工工藝變更

1)絕緣預制件的擴徑方法不同

供應商A對供應商B生產的三元乙丙橡膠絕緣預制件擴徑方法，沿用了其對硅橡膠預制件的擴徑方法，即在對電纜預處理后，通過導向錐，用鏈條葫蘆將預制件拉到電纜一側，壓接好導體接續管、包繞半導電帶后，再將預制件拉到中間連接處，擴徑方法如圖5所示。

圖5 供應商A對絕緣預制件的擴徑方法

供應商B采用的是通過專用擴張工具對預制件預擴徑后，密封保存，并于4 h內使用。擴張時，沿著導引桿，套好錐頭、擴張管，并把導引桿支撐固定到小車上。待處理完中間接續管后，將預擴張的絕緣件套裝在電纜上，定位準確后，拔出擴張管，使預制件收縮在電纜上，其擴徑示意圖見圖6。

圖6 供應商B對絕緣預制件的擴徑方法

絕緣預制件擴徑方法的差異會影響橡膠件的收縮性和受力的均勻性，且拖拉方式容易將預制件內側未處理干凈的雜質帶到絕緣表面，引起沿面放電。

2)金屬導體接續管外的處理工藝不同

供應商A沿用其繞包帶材的舊工藝，即甲、乙線電纜接頭仍是在導體連接管外側繞包半導電帶，如圖7(a)所示。接續管外采用半導電帶繞包的方式對安裝人員的繞包工藝要求高，若繞包不良而形成較多縫隙，則局部區域絕緣電阻偏大，會改變半導電帶內的電場分布，引起局部放電。而供應商B的電纜接頭采用的是在高壓導體連接管外安裝金屬屏蔽罩形成等電位空間的處理方式，工藝相對簡化，如圖7(b)所示。

圖7 金屬接續管外處理工藝

此外，解體中發現乙線5號接頭內繞包的半導電帶封口處已翹起，未按工藝要求將尾端壓入已纏好的半導電帶下方，但不排除是在預制件擴徑時拖拉過程中造成的可能性。

圖8 乙線5號接頭內半導電包帶封口翹起

2.2.2 電纜封鉛工藝差引起本體灼傷

在乙線5號電纜接頭解體過程中發現，接頭兩側封鉛處的電纜本體上均有鋁護套壓成的凹痕，電纜本體嚴重燒傷，見圖9。燒灼現象說明接頭安裝人員對封鉛工藝控制不佳，封鉛時間過長，導致電纜過熱、灼燒，長期運行后可能會引起本體擊穿故障。

圖9 乙線5號電纜接頭封鉛處電纜本體上燒灼痕跡

除以上問題外，經核對，甲、乙線5號接頭的安裝尺寸均在廠家工藝要求范圍內，絕緣預制件均與電纜本體有效搭接，未見明顯異常。

3 電纜接頭產品設計、質量分析

在甲、乙線5號接頭解體過程中，發現絕緣預制件中部和端部的半導電體與絕緣體的交界面情況不同。端部的絕緣材料與半導電體交界面為平直過度，用萬用表粗測，絕緣材料電阻為∞，半導電材料電阻約為1～20 kΩ，兩種材料分界明顯；而預制件中部的交界處基本平直，但表層略呈灰色波紋狀，交界處的電阻約為2～30 MΩ，介于半導電體與絕緣體之間，為生產過程中打磨所致。打磨處理后，若殘留碎屑未清理干凈，容易在預制件擴張的拖、拉過程中將半導電顆粒等雜質帶到電纜絕緣表面，引起沿面放電。

在事故的后續分析處理中，嘗試對絕緣預制件材料進行檢測，但由于三元乙丙橡膠材料性質偏硬、顏色較深，通過切片等進行材料分析的效果不佳。雖材料性能檢測受限，但結合B供應商生產的電纜接頭在國內電網運行多年故障發生率較低、總體運行情況較好的客觀事實，基本可排除該產品在設計、質量方面的問題。

圖10 乙線接頭內部絕緣材料與半導電體界面

4 電纜及接頭故障的主要原因分析

根據兩個電纜接頭的解體情況，繪制對應的放電擊穿通道示意如圖11所示。放電點均起始于高壓導體連接管半導電帶繞包端部與預制件內半導電屏蔽接觸處，高壓電位經半導電屏蔽引至圓弧形端部后，沿預制件與電纜本體間的界面形成沿面放電。當電弧發展到預制件靠近零電位的端部半導電體后，由于絕緣距離不足，電弧經預制件內部的主絕緣三元乙丙橡膠，形成貫穿性放電擊穿通道。

圖11 甲、乙線5號電纜接頭擊穿通道示意圖

故障接頭解體后，發現擊穿后的接頭內部現象類似，放電通道類似，在電纜本體表面和預制件內形成的燒蝕痕跡也類似，因此判斷事故為同一原因引起。基于放電均起始于導體接續管外半導電帶邊緣處、電纜主絕緣表面均存在沿面放電的特征，認為絕緣預制件的擴徑方法、導體接續管外的工藝變更與接頭多次在耐壓試驗中發生擊穿有主要關系。

三元乙丙橡膠絕緣預制件的生產過程中，由于材料較硬，成型后存在的毛邊需打磨處理。若打磨后的殘留碎屑未清理干凈，容易在預制件擴張的拖、拉過程中將半導電顆粒等雜質帶到電纜絕緣表面，引起沿面放電。因此接頭產品的生產工藝須與其安裝方法相匹配，在未經供應商B或其他正規檢測機構認可的情況下，隨意變更電纜接頭的關鍵施工工藝，無法保證絕緣預制件安裝后仍能達到設計性能。

根據GB/T 18890-2015《額定電壓220 kV (Um=252 kV) 交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的相關要求，當包含附件安裝工藝在內的制造工藝發生改變，且這種改變可能會對產品性能產生不利影響時，應對電纜系統重新進行型式試驗，否則不應直接應用于電纜工程。

5 結 論

1)220 kV甲、乙線電纜接頭故障率高，解體現象類似，放電擊穿通道一致。基于放電均起始于導體接續管外半導電帶邊緣處、均存在沿面放電的特征，認為供應商A在關鍵部位隨意變更供應商B的施工工藝，即絕緣預制件的擴徑方法、導體接續管外的處理工藝，造成產品安裝后無法達到設計性能，是造成本次事故的主要原因。

2)電纜接頭的生產工藝須與其安裝方法匹配，當包含附件安裝工藝在內的制造工藝發生改變，且這種改變可能會對產品性能產生不利影響時，應對電纜系統重新進行型式試驗，否則不應直接應用于電纜工程。

3)建議盡快建立健全電力行業內電纜接頭制作的培訓、取證、認證等系列管理模式，加強對接頭制作工藝過程的有效監督管理，從源頭降低電纜接頭故障發生率。

4)鑒于本次電纜接頭故障引起同通道內其他鄰近電纜線路燒損，建議在多回高壓電纜運行的電纜通道內，完善防火防爆措施，對在建、新建、遷改的高壓電纜線路，在投運前應同步完成通道內防火防爆措施的全覆蓋。此外，建議在物質采購環節，增加在高壓電纜接頭內須使用非可燃性填充膠的要求，從源頭降低電纜及通道內火災風險，避免電纜群傷。

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