一起110 kV電纜GIS連接終端頭的故障研究分析

黃劍凱，趙建剛

（寶鋼股份武鋼有限公司能源環保部，湖北武漢 430083）

1 故障背景

2016年2月7日農歷除夕日1：46時，寶鋼股份武鋼有限公司能源環保部某110 kV總降變電所1#主變壓器差動保護動作跳閘、10 kVⅠ段母線失電。經初步檢查原因為：該總降變電所1#主變GIS側110 kV電纜A相電纜終端頭發生對地短路放炮，造成部分區域停電，給生產帶來一定的影響。

圖1 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關側A相電纜頭故障外觀

圖2 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關

該總降變電所1#主變GIS側三相電纜頭采用氣體絕緣終端（GIS終端）。安裝在GIS端口設備上作為連接線。GIS終端用預制式終端來進行應力控制，采用乙丙橡膠或硅橡膠制作的應力錐套在經過處理的電纜絕緣上，搭蓋在絕緣上的屏蔽尺寸按電纜附件廠提供的參數，以保證終端內外部的絕緣配合。從110 kV電纜開始使用到發生故障為止的20多年時間里，武漢鋼鐵有限公司110 kV線路電纜GIS終端安裝運行共計189個，變壓器終端共計111個，合計300個。該總降變電所從1995年5月投運開始主變110 kV電纜開關采用GIS終端運行，2012年4月份對主變110 kV電纜進行了大修更換，由上海某電纜附件公司提供附件并重新制作了GIS終端。在此次故障之前，從未發生故障。

2 研究分析

2.1 理論依據

從拆下的該總降變電所1#主變GIS側110 kV電纜A相電纜頭可以發現在電纜主絕緣本體發生了擊穿現象。

圖3 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關側A相電纜頭故障點

固體絕緣的擊穿形式有電擊穿、熱擊穿和化學擊穿。這幾種擊穿形式都與電壓的作用時間密切相關。由于2012年4月16日～19日對該總降變電所1#主變一次側110 kV電纜進行過大修更換工作，電纜投運時間短，熱擊穿和化學擊穿的因素可以排除，因此判斷電纜主絕緣的擊穿形式為電擊穿。

（1）電擊穿

電擊穿的特點是電壓作用時間短，擊穿電壓高，擊穿電壓和絕緣介質溫度、散熱條件、介質厚度、頻率等因素無關，但和電場的均勻程度關系極大。此外和絕緣介質特性也有很大關系，如果絕緣介質內有氣孔或其他缺陷，會使電場發生畸變，導致絕緣介質擊穿電壓降低。在極不均勻電場及沖擊電壓作用下，絕緣介質有明顯的不完全擊穿現象。不完全擊穿導致絕緣性能逐漸下降的效應稱累積效應。絕緣介質擊穿電壓會隨沖擊電壓施加次數的增多而下降。由于該總降變電所1#主變GIS側110 kV電纜A相電纜頭主絕緣本體擊穿點正在電纜應力錐的安裝處，為此我們對電纜應力錐作為重點進行檢查。

（2）應力錐

電纜終端或電纜接頭處金屬護套或屏蔽層斷開處的電場會發生畸變，在電纜的金屬護套或外半導體屏蔽層開斷處，其軸向電場分量最大，或者說軸向應力最集中。對剝去一定長度的金屬護套或外半導體屏蔽層的電纜進行耐壓試驗時會發現，隨著試驗電壓的逐漸升高，在金屬護套或外半導體屏蔽層的邊緣處發生電暈放電現象，使該處主絕緣發生碳化，最終發生電纜主絕緣電擊穿事故。因此在電纜的金屬護套或外半導體屏蔽層開斷處是電纜發生絕緣擊穿故障最多的位置。

為了改善絕緣屏蔽層斷開處的電場分布，解決方法有幾何法（采用應力錐和反應力錐）和參數法兩種。應力錐是用來增加高壓電纜絕緣屏蔽直徑的錐形裝置，以將接頭或終端內的電場強度控制在規定的設計范圍內。應力錐是最常見的改善局部電場分布方法，從電氣的角度上看，也是最可靠和最有效的方法。應力錐通過將絕緣屏蔽層的切斷點進行延伸，使零電位形成喇叭狀，改善了絕緣屏蔽層的電場分布，減低了電暈產生的可能性，減少了絕緣的破壞，從而保證了電纜線路的安全運行。在110 kV及以上的電纜附件中，采用由工廠生產的預制應力錐，這種應力錐面比較接近理論計算曲線。如圖4所示。

圖4 110 kV GIS氣體絕緣終端結構圖

2.2 故障分析

為準確分析故障，2016年3月3日我們要求電纜頭制作安裝廠家，對與該總降變電所1#主變110 kV GIS開關側A相電纜頭同時制作的B、C相電纜頭拆卸檢查。

圖5 某總降變電所1#主變110 kV GIS開關側B相電纜頭

圖6 B相電纜頭應力錐安裝位置所做標記

圖7 B相電纜頭應力錐拆除后安裝位置所做標記

廠家提供的GIS/變壓器電纜終端（干式）安裝說明書的尺寸如圖8所示。

圖8 廠家提供的電纜頭安裝說明書參數

安裝說明書要求在外半導電屏蔽層過渡斜坡處，最高點與最低點的距離小于15 mm，根據這個要求，經過計算：應力錐底部與外半導電屏蔽層過渡斜坡最低點的理論最小距離為：

最小距離=應力錐距離-主絕緣剝切長度-外半導電屏蔽層過渡斜坡最高點與最低點的距離

我們對應力錐的長度尺寸進行實際測量為250 mm，但是電纜主絕緣剝切尺寸為240 mm，從B相電纜頭應力錐拆除后安裝位置所做標記實測的最低點距離僅為4 mm，這樣的安裝尺寸與安裝說明書要求尺寸嚴重不符。因此大家一致認為，安裝尺寸錯誤是導致該總降變電所1#主變110 kV GIS開關側A相電纜頭故障的直接原因。且110 kV電纜A相電纜頭應力錐處電纜主絕緣屏蔽層受損、應力錐與電纜和環氧套管之間的配合存在缺陷，是造成事故的主要原因。

通過廠家了解，2012年4月16日～19日對該總降變電所1#主變一次側110 kV電纜進行過大修更換工作期間，110 kV GIS電纜頭附件生產廠家對原GIS電纜頭附件進行重新設計和改良，應力錐等核心部件進行了重新設計，對電纜主絕緣電纜主絕緣剝切安裝尺寸也進行了變更，新應力錐長度為270 mm，而電纜主絕緣剝切尺寸為240 mm。廠家承認，將老尺寸應力錐錯誤放到了按照新應力錐設計的電纜頭附件中，施工人員施工時未檢查發現，導致安裝尺寸錯誤，致使事故發生。

2.3 存在的問題

通過對故障電纜終端頭樣本實地解剖以及對同時間制作的另兩相（B、C）電纜終端頭的檢查分析，造成A相電纜終端頭放炮的原因是廠家安裝人員當初的安裝質量和錯誤造成。其質量缺陷所表現的問題如下：

（1）附件供貨及安裝廠家在2012年左右對其提供的110 kV電纜GIS終端附件進行了改型設計，存在著新舊產品同時能供貨的過渡期。安裝人員現場使用的電纜預處理尺寸為改型后的尺寸（長240 mm），但安裝的主要附件即預制應力錐為改型前的老產品（長250 mm），存在著電纜附件與電纜預處理尺寸不配套的問題。

（2）廠家現場安裝人員在制作安裝110 kV電纜GIS終端頭中，使用改型前的老式預制應力錐按改型后的電纜預處理尺寸進行安裝，存在著安裝后的預制應力錐與預處理的電纜絕緣外屏蔽未有效搭接的問題，造成電纜運行后，終端頭內電纜絕緣外屏蔽切斷處電應力未得到改善，形成尖端放電，日久必導致電纜頭放炮停電，見圖9、圖10、圖11。

圖9 故障電纜頭中所安裝的預制應力錐的測量長度圖（250 mm長的應力錐對應安裝的電纜外屏蔽剝切尺寸為195 mm）

圖10 故障電纜頭解剖后電纜預處理中絕緣外屏蔽剝切尺寸圖（此尺寸應安裝長275 mm的預制應力錐）

圖11 110 kV電纜GIS終端頭故障解剖的原內部安裝圖

（3）廠家在供貨備料時，存在裝箱錯誤，將老式附件混裝其中，給現場施工安裝人員帶來安裝質量隱患。

3 問題解決

針對此次故障，我們制定了整改措施：

（1）安排計劃，在規定時間前完成對全部110 kV電纜頭及現場側電纜接頭檢查、測溫，并將結果報主管技術部門備案。對2012年左右，同批次安裝的電纜頭進行拆開檢查，如有問題立即整改。檢查情況如表1所示。

表1 GIS終端頭檢查情況匯總表

（2）今后，在廠家安裝110 kV及以上電纜附件時，安裝人員須有連續3年以上的安裝經驗。要對關鍵工藝過程進行攝像、拍照，質量記錄要有安裝人員的現場簽名確認，并與其他交工資料一并存檔。

（3）組織開展高壓電纜終端頭運行狀態監測和試驗裝置應用的調研，視效果進行推廣應用。2月29日，委托中國電力科學研究院武漢高壓實驗所專業人員對該總降變電所110 kV全部GIS電纜頭做局部放電測試，從專業人員給出的測試結果看，GIS電纜頭運行正常。

4 結論

通過對某總降變電所1#主變一次A相GIS電纜終端頭故障進行分析、研究，找出了導致事故發生的原因，即：這起110 kV GIS電纜頭故障是一起典型的施工質量責任事故，施工人員未按照工藝要求對電纜頭的附件進行檢查，使得電纜頭安裝現場的質量控制記錄形同虛設。為此我們提出了有針對性的糾正和預防措施，以確保110 kV電纜類似故障不重復發生，保證電纜正常安全運行。