一起高壓單芯電纜故障定位和原因分析

姚雷明， 王 輝， 張 梁， 高志野

（國網蘇州供電公司， 江蘇 蘇州 215004）

1 線路概況

2015年8月22日，國網蘇州供電公司某回110 kV電纜線路保護動作跳閘。該電纜線路于2011年12月21日投運，電纜本體型號為YJLW03-64/110kV-1×630 mm2，線路全長7 775 m，有14個絕緣接頭，分為5個完整交叉互聯換位段。電纜線路金屬護層交叉互聯情況如圖1所示。

圖1 故障電纜金屬護層交叉互聯情況

2 故障點定位

檢修人員用5 000 V絕緣電阻表對三相電纜進行測試，其中A相絕緣電阻為0.3 MΩ，B相絕緣電阻為346 MΩ、C相絕緣電阻為351 MΩ，因此確定為A相電纜擊穿接地。確定故障相后，采用二次脈沖法進行故障預定位，在T2戶外終端注入測試脈沖，但返回波形雜亂，難以有效判斷故障距離。考慮到解開交叉互聯系統費時費力，為了不影響搶修效率，決定采用電纜識別儀，利用接收器接收到的耦合信號的相位和幅值判斷故障區段，成功定位故障點在J2—J3之間，并進一步通過聲磁同步法精確定位故障點。

電纜識別儀多用于同通道多根電纜的識別，但依據其識別原理，可用來輔助故障區段定位。考慮到從T2端測試的反射波形十分雜亂，根據經驗初步判斷故障點距離T1終端較近，因此在使用電纜識別儀時，首先判斷T1—J3交叉互聯段是否存在金屬護套異常接地情況。測試方法如圖2所示。

圖2 電纜識別儀故障預定位原理圖

信號發生器產生特殊的脈沖調制信號，由A3點耦合進入A相金屬護層，若外護層完好，則在B2點信號接收器能檢測到的同方向脈沖信號，且信號幅值較大，其他相能檢測到反方向脈沖信號，且信號幅值較小。A點接地后由于接地點分流作用，導致B2點接收信號強度十分微弱。因此，可以判斷出故障點位于J2—J3段之間。縮小故障區段后，對A相持續施加高壓脈沖沖擊，并利用聲磁同步法，成功實現了對故障點的精確定位。

3 故障原因分析

3.1 事故原因定性分析

定位故障點后對故障A相兩工井間約60 m電纜進行同規格更換，兩端采用直通頭連接。抽出故障段電纜后，發現故障電纜有明顯外損痕跡，外損直徑與故障現場遺留土樣直徑基本相符，均為12 cm左右。后經調查，某地質勘查設計院于2015年6月在通道周邊違規鉆探取土，由于勘探取土作業，作業周期短、移動性強，以至于巡視人員未能及時發現隱患，導致電纜護層和主絕緣受損，設備帶嚴重缺陷運行，在異常接地環流和畸變場強的影響下，2個月后發生擊穿故障。

但現場取土孔多被綠化施工覆土掩埋，且故障點位于兩工井之間的排管當中，無法直接觀測到通道上的外損點，難以判斷通道內是否還存在其他相電纜受損。于是對排管通道上方的覆土進行了清理，發現通道上的外損點，且與土樣直徑相符，進一步證實了上述判斷，如圖3所示。

圖3 事故現場調查情況

3.2 事故原因定量分析

正常情況下，單芯電纜會在其四周形成一個同心圓柱形電場。設電纜線芯屏蔽層半徑為RC，絕緣外表面半徑為R，當電纜承受交流相電壓為U時，距離線芯中心任一點r處的電場強度為：

從公式（1）中可以看出，在屏蔽層表面電場強度最大，絕緣外表面電場強度最小，電場強度非線性進行衰減。進一步可以求得電纜絕緣層的平均電場強度為：

當電纜絕緣受損時，根據Larmor提出的經驗計算公式可粗略得知一個橢圓狀的缺陷處，如圖4所示，最大場強和平均場強Eav之比[8]，最大場強和橢圓缺陷高度h，尖端半徑r有關，令h/r=k，則缺陷處最大場強如下：

圖4 絕緣缺陷示意圖

以電纜本體型號為YJLW03-64/110kV-1×630 mm2為例，若電纜線芯屏蔽層半徑為RC=15.2 mm，絕緣外表面半徑為R=29.1 mm，則Eav=4.57 kV/mm。

絕緣橢圓缺陷存在時各處的電場強度計算如表1所示。

表1 絕緣缺陷各處的電場強度

由此可見，由于主絕緣同心圓結構因外力破壞形成凹槽，破損處曲率半徑小，場強畸變，較為集中，引發電樹枝，主絕緣性能進一步降低，最終在異常接地環流和畸變場強的共同作用下導致電纜在絕緣薄弱點發生擊穿故障。

3.3 建模仿真分析

為了驗證我們的理論計算，我們利用Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件中的靜電場模塊對外破發生后的電纜進行進行幾何建模與靜電場分析，電纜模型如圖5、圖6所示。

圖5 電纜模型結構示意圖

圖6 仿真模型（深色開口部分為外破造成暴露的主絕緣）

建模仿真對象是帶有波紋鋁護套的110 kV交聯聚乙烯絕緣電纜，依據電纜標準尺寸表，建模中從內到外各層結構、材料及厚度如下頁表2所示。

建模完成后將波紋鋁護套接地，電纜導體銅芯部分設置電位為110 kV（由于進行靜電場分析，只需施加直流電壓即可）。設置完成后，進行空間靜電場計算，得到主絕緣部分的電場分布如圖7、圖8所示。取兩個不同方向上的剖面來觀察。

表2 建模所設置的厚度

圖7 XY剖面上的電場強度分布

圖8 空間視角（可以觀察到外破所形成弧面的幾何中心點處為場強最大的地方）

通過仿真可以直觀地了解到，電纜存在橢圓形外破之后，主絕緣破損處曲率半徑小，場強集中畸變，場強最大值存在于橢圓的幾何中心處，這也與實際中絕緣擊穿點的位置相符合。

4 結論與建議

本次事故暴露出了周期性巡視和周期性帶電檢測工作存在一定局限性，由于地質勘探打樁作業移動性較強、作業時間短，處在巡視間隔期，因此巡視人員未能及時發現外破隱患，導致護層受損；同時由于采用周期性環流檢測，未能及時發現環流異?，F象，導致設備帶缺陷運行約二個月后發生擊穿故障。因此接下來將吸取本次事故教訓，重點做好如下兩方面工作。

1）創新對頂管、地質勘探等“小、短、散、游”類施工的管控手段。頂管（拖拉管）、地質勘探等小型作業具有移動性強、作業時間短等特點，采用傳統針對大型固定點施工的巡視、值守等手段效果并不明顯。采用逆向思維，系統排查蘇州市內頂管機和鉆探機情況，在機身醒目位置處張貼電纜設施保護提示牌，并定期通過短信平臺進行提醒。

2）推廣應用智能接地箱等環流在線監測裝置。對于新建線路，推廣應用智能接地箱，實現對接地環流、接頭溫度、通道水位等參數的實時監控和及時預警；對于重要線路和投運年限較久的線路，實施接地箱的智能化改造。通過不斷提高在線監測裝置的覆蓋率，有效感知接地電流的變化，在接地系統發生破壞時能及早發現，避免電纜運行事故的發生。

參考文獻

[1] 王偉，鄭健康，王光明，等.交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜技術基礎：第3版[M].西安：西北工業大學出版社，2011.