一起由接地工藝引起的220 kV高壓電纜故障分析

劉鳳蓮1，朱 軍1，盧金奎2，曾 宏1，吳 馳1，張涵軼，杜 顥

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網成都供電公司，四川 成都 610041)

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，但隨著新建電纜工程的快速擴張，高壓電纜線路故障頻發，嚴重影響了電網的安全可靠運行[1-7]。據不完全統計，電纜附件現場安裝工藝不符合施工要求是導致高壓電纜線路故障的主要原因。

高壓電纜附件安裝過程中，主絕緣的預處理、應力錐安裝、接地與密封是3個關鍵環節。長期以來，供電企業、監理單位等技術監督單位的人員都將關注力度放在電纜主絕緣的預處理、應力錐安裝上，而忽視了電纜接地系統的工藝處理，導致近年來因接地工藝缺陷引起的電纜故障頻發[8-10]。

根據DL/T 342-2010《額定電壓66 kV～220 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜接頭安裝規程》[11]、DL/T 344-2010《額定電壓66 kV～220 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜戶外終端安裝規程》[12]，電纜中間接頭或戶外終端的尾管與金屬套進行接地連接時可采用封鉛方式或采用接地線焊接等方式，密封可采用封鉛方式或采用環氧混合物/玻璃絲帶等方式。

目前四川地區常采用封鉛方式作為高壓電纜附件的接地與密封，部分線路采用了接地線焊接、環氧混合物/玻璃絲帶密封的接地工藝。封鉛或接地焊接的主要作用是使電纜附件的銅殼或尾管與電纜鋁護套間實現電氣連接；封鉛或環氧混合物/玻璃絲帶主要起到密封防水作用。若接地、密封工藝不良，附件就會在運行過程中逐漸進水受潮或在感應電壓作用下引起異常放電，進而引起電纜絕緣擊穿故障。

由于電纜及附件的絕緣設計裕度較大，而有效檢測方法少，尤其是對處于低電場區域的接地系統，若安裝工藝存在缺陷，通常難以通過回路電阻、耐壓等常規試驗項目發現。此類高壓電纜附件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220 kV高壓電纜線路故障為例，重點剖析了電纜線路的接地工藝，以期對高壓電纜的安裝、管理提供借鑒參考。

1 某220 kV高壓電纜故障的基本情況

2018年7月，220 kV甲線故障跳閘，為C相單相接地故障。故障跳閘前，甲線負荷為448.6 A，載流量控制值為2252 A，負荷占比為19.9%。故障發生前，電纜線路兩側變電站內的設備均運行正常，線路無分合閘操作。

220 kV甲線是兩座220 kV變電站間的聯絡線，為混合線路，線路全長29 km。其中，架空線路15.8 km；電纜長度13.7 km，電纜段的敷設方式為隧道，電纜型號為YJLW02-Z-127/220 kV-1×2500 mm2，線路含中間接頭共27組、GIS終端1組、戶外終端1組。線路的接地由9個完整的交叉互聯單元構成，其中站內GIS終端，3號、6號、9號、12號、15號、18號、21號、24號中間接頭以及戶外終端為直接接地方式，其余電纜接頭為保護接地方式，故障位置在9號接頭附近。接地系統連接情況如圖1所示。

甲線自2013年12月投運后，運維單位按照Q/GDW 1512-2014《電力電纜及通道運維規程》的相關要求，定期開展了巡視維護工作，并于2014年10—12月對甲線開展了高頻局部放電檢測，檢測中未發現異常放電信號。發生故障的電纜接頭高頻局放信號如圖2所示。

圖1 220 kV甲線接地系統連接情況

圖2 故障接頭的局部檢測信號

此外，甲線無過負荷運行記錄，2018年的最高負荷約500 A，遠低于其額定負荷電流。

2 故障電纜接頭的解體分析

甲線的故障位置位于電纜端部接地銅殼附近，其余部分外護套完好。去掉故障接頭兩端外層的防水膠、繞包帶材后，可見擊穿點附近的電纜焊接情況如圖3所示，非擊穿側的電纜焊接情況如圖4所示。兩側電纜均采用局部焊接的方式連接鋁護套和銅殼，焊接面積較小，擊穿點附近的電纜焊接部分已翹起，與鋁護套無電氣連接，但故障后已難以判斷這是在運行中形成，還是由故障發生引起。

圖3 擊穿點附近的電纜焊接情況

圖4 非擊穿側的電纜焊接情況

非擊穿側的電纜焊接面積也較小，在靠近鋁護套側焊接明顯不牢，焊接點下方的鋁護套表面及周圍區域呈黑色。焊接點與鋁護套接觸不緊密，焊料下方有黑色填充膠；焊料與其下方的鋁護套之間存在黑色物質隔離，焊接處疑似有放電產生，如圖5所示。此外，接地編組線未按工藝要求以每處5根、至少兩處的方式與波紋鋁護套緊密焊接，也未按工藝要求用4組鍍錫軟銅線捆扎。

圖5 鋁護套表面及周圍區域呈黑色

去掉絕緣預制件外層的銅殼、繞包帶材后，可見電纜故障擊穿點位于絕緣預制件的外部、鋁護套斷口端部的下方，位置距絕緣預制件端部約180 mm處，擊穿孔約25 mm×25 mm，擊穿通道從電纜線芯直接擊穿交聯聚乙烯主絕緣后，到達接地的鋁護套，燒損電纜端部的繞包帶材及外護套。

拆除電纜鋁護套后，發現電纜本體表面的絕緣屏蔽層上有明顯的波紋鋁護套壓痕，剖開絕緣屏蔽層后，可見鋁護套下方的電纜本體內部已被灼傷，主絕緣顏色已變為棕色。擊穿點附近一側的電纜本體約在距電纜端部約360～560 mm的區段內已變色，非擊穿側的電纜本體約在距電纜端部約370～480 mm的區段內已變色，發熱最嚴重的位置約在鋁護套斷口附近，如圖7、圖8所示。

圖6 故障擊穿點位置

圖7 擊穿點附近的電纜本體表面情況

圖8 非擊穿側的電纜本體表面情況

此外，接頭覆蓋范圍內的電纜本體顏色略黃，而其他區域電纜本體為乳白色，初步判斷為附件產品硫化或帶材滲透所致。

3 電纜故障主要原因分析

220 kV甲線的故障電纜接頭，擊穿路徑清晰，擊穿通道從電纜線芯，直接擊穿交聯聚乙烯主絕緣后，到達接地的鋁護套，燒損電纜端部的繞包帶材及外護套，擊穿通道如圖9所示。

圖9 電纜端部擊穿通道

根據解體分析情況，認為此次電纜故障的直接原因是由于電纜端部的鋁護套附近發熱，引起鋁護套下方區段內的交聯聚乙烯主絕緣受損，并最終引起絕緣擊穿。

經分析，認為引起電纜接頭端部鋁護套附近發熱的原因為：電纜接頭的銅殼與鋁護套間的焊接工藝不規范，接頭兩側的焊點處存在接觸面積不足、虛焊、脫焊現象。擊穿側銅殼與鋁護套間的焊接已脫離，使鋁護套和銅殼失去了等電位連接點。未擊穿側銅殼與鋁護套間的焊接點存在接觸面積不足、虛焊現象。在銅殼未與鋁護套有效連接的情況下，鋁護套上會存在一定的感應電壓，與接地的銅殼間長期發生放電現象。此外，由于接地工藝缺陷，本該從銅殼流走的接地環流、電容電流，會從絕緣預制件外表面纏繞的薄銅網中流過，而在兩側鋁護套與銅網連接的斷口附近接觸電阻較大，導致發熱最嚴重，灼傷電纜本體。

在該故障案例中，接地線焊接工藝不良是主要問題，未見因密封不良引起的受潮、進水情況。但綜合考慮到四川盆地地下水位較高、雨水豐沛的地域特征，高壓電纜通道在夏季經常被淹沒，當采用環氧混合物/玻璃絲帶密封的方式時，其防水密封性要差于采用封鉛密封方式。但采用封鉛方式，對接地工藝的技術要求更高：一般要求封鉛應與電纜金屬套和電纜附件的金屬套管緊密連接，封鉛致密性應良好，不應有雜質和氣泡，且厚度不應小于12 mm；封鉛時不應損傷電纜絕緣，應掌握好加熱溫度，封鉛操作時間應盡量縮短；圓周方向的封鉛厚度應均勻，外形應光滑對稱。這就對施工安裝和技術監督人員提出新的關注點，需要制定方案或開發新的檢測手段，及時發現或避免高壓電纜附件安裝時因接地工藝執行不到位而引起的虛焊、脫焊等情況。

4 結 論

1)根據解體情況分析，認為此次電纜故障的主要原因是由于電纜端部的鋁護套附近發熱，引起鋁護套下方區段內的交聯聚乙烯主絕緣受損，并最終在運行中引起絕緣擊穿。

2)電纜接頭的銅殼與鋁護套間的焊接工藝不規范，接頭兩側的焊點處存在接觸面積不足、虛焊、脫焊的現象。在銅殼未與鋁護套有效連接的情況下，鋁護套上會存在一定的感應電壓，并與接地的銅殼間發生異常放電。由于銅殼與鋁護套間的接地失效，導致本該從銅殼流走的電流，會從絕緣預制件外表面纏繞的薄銅網中流過，并在接觸電阻較大的鋁護套斷口附近引起發熱，并灼傷電纜本體。

3)在新建工程中，應對運行在通道濕度較大或可能浸水環境中的電纜接頭，采用全封鉛方式進行接地與密封處理，以防止潮氣進入電纜內部引起電化學腐蝕或絕緣劣化。

4)高壓電纜附件的施工安裝、運行維護及技術監督人員應重視附件的接地工藝問題，制定專項整改方案或開發新的檢測手段，及時發現或避免高壓電纜附件安裝時因接地工藝執行不到位而引起的虛焊、脫焊等情況。