淺析高壓電力電纜擊穿與措施

焦宏所 劉召見 李影 常軍 馬龍

摘? 要：高壓電力電纜作為輸電系統的中樞紐帶，遍布整個電力系統的主干輸電線路。隨著人們用電需求的提高，高壓電力電纜的安全性和可靠性得到了很大提升，但高壓電纜擊穿問題依然存在，電纜的擊穿會嚴重影響電力的供應。本文總結了二十多年來出廠檢驗過程中電纜擊穿的實例，分析高壓電纜絕緣電擊穿類型，提出提升高壓電纜產品質量的措施。

關鍵詞：高壓電纜;絕緣;擊穿

1? 引言

電纜絕緣只能在一定的電場強度以內，才能保持介電特性。當電場強度超過絕緣本身能夠承受的某一臨界值時，絕緣就會由介電狀態變為導電狀態，這一過程即為擊穿。一般固體電介質擊穿分為電擊穿、熱擊穿及電化學擊穿。本文主要針對電纜絕緣電擊穿進行探討。

電纜絕緣電擊穿是指在一定電場的環境下，因缺陷導致該處電場集中，周圍材料電極化，自由電子越來越多，最后形成連接導體至金屬護套的導電通道。下面針對出廠耐壓試驗過程中擊穿進行分析。

2? 擊穿點定位

擊穿點的粗測定位方法有：電橋法、駐波法、脈沖法和閃絡法;較精確的方法有音頻法和聲測法等等。但各種定位方法都會對擊穿點有不同程度的破壞，失去電樹枝擊穿形態。為準確分析擊穿的原因，采用直接扒除金屬護套的方法，找到擊穿點后，對擊穿點進行硅油試驗，分析擊穿通道的類型。

3? 擊穿原因分析

針對各種擊穿圖像，可以將擊穿通道分成三種典型的類型：

3.1 類型一：絕緣內部存在缺陷

擊穿通道：這類擊穿圖像顯示絕緣內部擊穿通道兩頭粗、中間細，或者中間部分出現拐彎的情況，兩端均有明顯的電樹枝，有時電樹枝因擊穿時被破壞后留下較粗的擊穿通道。

原因分析：這類缺陷主要是絕緣內部存在雜質、粒子、氣隙等引起，這類缺陷較嚴重時，在局放試驗過程中就會出現明顯的放電現象，較輕微時在局放試驗過程中沒有觀察到放電現象，但耐壓一段時間發生擊穿。雜質有原材料本身異物或者在加料過程中異物進入，但原材料本身異物的情況極少碰到。粒子、氣隙是擠出過程溫控異常以及絕緣內部應力過大等因素。

3.2 類型二：絕緣屏蔽存在缺陷

擊穿通道：靠近外屏蔽處絕緣擊穿通道較直，沒有明顯的電樹枝，另一端絕緣至內屏蔽部分有明顯的電樹枝。

原因分析：這類擊穿起點是外屏蔽或靠近外屏蔽的絕緣。主要有外屏蔽與絕緣界面存在嚴重的凸凹（如焦燒顆粒），或在轉運過程中絕緣線芯碰傷。焦燒顆粒一般是擠出過程溫控異常造成，絕緣線芯碰傷如果露出絕緣，在局放過程中就會有明顯的放電現象，輕微碰傷會出現沒有觀察到放電現象，但耐壓一段時間發生擊穿。

3.3 類型三：導體屏蔽存在缺陷

擊穿通道：靠近內屏蔽處絕緣擊穿通道較直，沒有明顯的電樹枝，另一端絕緣至外屏蔽部分有明顯的電樹枝。

原因分析：這類擊穿起點是內屏蔽或靠近內屏蔽的絕緣，主要有內屏蔽與絕緣界面存在嚴重的凸凹（如焦燒顆粒）、或導體缺陷。焦燒顆粒一般是擠出過程溫控異常造成，較深凹坑是導體外的繞包帶受損傷，在交聯管內氮氣壓力將內屏蔽壓入導體，絕緣隨著進入內屏蔽。導體缺陷是導體毛刺。

4? 預防措施

4.1 保證導體質量

內屏蔽料的電阻遠大于導體電阻，內屏蔽與導體并不是完全等電位體，也會存在電位差。只要有電位差，內部的毛刺就會產生放電，因電位差很小，放電量也很小。如此處絕緣有微小缺陷，那么微小的放電也會引起絕緣的破壞，一旦達到影響絕緣性能的程度，就會引起絕緣擊穿。所以要避免導體毛刺等影響導體圓滑程度的缺陷，同時要避免屏蔽層厚薄不均，以此來削弱導體質量對電纜質量的影響。

4.2 保證凈化等級

絕緣的耐壓程度取決于材料的性能，目前要求絕緣料中存在的金屬雜質直徑不大于50μm，非金屬雜質直徑不大于70μm（更高的要求為不大于50μm）[1]，如果材料中混入異物會使電場分布不均勻，容易造成擊穿。所以生產的環境要保證作業過程及材料的流道符合相應的凈化等級，如：換料作業，料斗、料道、過濾盤、機頭螺桿的清理組裝以及過濾網的選擇，此外建議對主機室進行千級凈化，身著凈化服進行相關作業。

4.3 保證材料穩定

如果材料不穩定必然會在擠出過程中出現擠出參數的變化，形成缺陷。所以材料使用前必須經過恒溫處理，屏蔽料要進行烘料處理，絕緣料禁止不同批號混用。

4.4 保證擠出效果良好

電纜料的擠出性能主要與材料的粘度特性、分子量及其分布有關[2]，體現在擠出壓力及電機負載，取決于模具選配、過濾網選擇、螺桿轉速、機頭結構以及溫度控制。由于交聯絕緣料在115℃以上環境中停留超過15min就會逐步出現預交聯[3]，時間稍長就會形成塊狀物。如果料流存在死角，那么該處材料就會長時間處在流動異常的情況下，擠出的某一小區域材料容易改性最后形成粒子，使得場強畸變。所以既要保證材料實際溫度、螺桿轉速符合加工范圍，又要保證料流順暢、避免死角。

4.5 保證應力消除

當交聯線芯從交聯段至冷卻段過程中，溫度下降200余度。在這過程中，可能存在交聯線芯內外層冷卻不均，導致絕緣芯層冷卻結晶[4]，結晶導致材料在亞微觀上的不均勻性[5];在絕緣內部產生的機械應力值超出材料的破壞強度就會導致了晶界無定型區的裂紋狀弱區出現。所以，從加熱到冷卻過程要梯度降溫、適當降低表面溫度，從而達到絕緣緩慢冷卻。

4.6 保證脫氣要求

脫氣后降低絕緣內交聯副產物的含量，揮發的交聯副產物給XLPE中引入了苯乙烯基和羰基兩種極性基團[6]，使XLPE 絕緣的相對介電常數增大，XLPE 絕緣的電導率和低頻介質損耗因數也增大。同時脫氣過程中外層絕緣的交聯副產物揮發量最大，內層絕緣的揮發量最小，而交聯副產物在XLPE絕緣中的分布不均勻造成介電性能和力學性能分布不均勻。而相反，長時間抽真空脫氣，也會有不利影響。因為絕緣內部都有空間，這種空間很小，肉眼看不到。在絕緣線芯沒脫氣前，我們在硅油試驗時，常看到有很大氣泡，是因為氣體受熱膨脹的緣故;在絕緣線芯脫氣后，原來的氣泡看不見。并不是氣體出去后原氣體占的空間已填滿，原氣體占的空間仍然存在，僅僅是因為太小，肉眼看不到。在空間內氣體很多，電子經過空間時，與氣體發生多次碰撞，產生大量能量，引起放電。同樣，當沒有氣體時，電子經過空間時，沒有阻力，能產生加速，經過空間后因加速也會產生大量能量，引起放電。因此，氣體不能多也不能少，即要嚴格執行脫氣溫度及時間的工藝要求。

4.7 避免外力損傷

交聯線芯的損傷相當于減薄了外屏厚度，當損壞處外屏厚度不足以起到均化電場的作用時可能會發生擊穿。在外力沖擊的同時，也會在靠近外屏的絕緣上產生應力。所以，從絕緣線芯擠出到下道工序生產都要注意線芯的防護。如：定期清理管道及排污系統，合理控制張力、懸垂、導輪防護、收線防護等線芯能接觸到的位置。

4.4 保證收線筒體滿足電纜彎曲半徑要求

彎曲半徑越小對絕緣線芯質量影響越大，到了一定程度，影響較小，但仍有影響。因為絕緣線芯纏繞在線盤上，絕緣外層與絕緣內層因彎曲受拉伸程度不同，絕緣線芯外遠遠大于絕緣線芯內。絕緣與絕緣屏蔽的材料不同，斷裂伸長率差距很大。原來絕緣屏蔽與絕緣粘貼牢固是不可剝離的，在多次受力后，在絕緣與絕緣屏蔽界面上會產生滑動、輕微氣隙。如此處絕緣很好的情況下，可能沒問題。但此處絕緣如有微小缺陷，微小的放電也會引進絕緣的破壞，當放電量一旦達到影響絕緣性能的程度，就會引起絕緣擊穿。

5? 結論

根據高壓電纜的擊穿類型，從內屏蔽、絕緣、外屏蔽三個方面找到造成絕緣線芯擊穿的原因，再從人、機、料、法、環各個環節對產生擊穿的原因準確管控，才能逐漸提高高壓電纜的產品質量，提高電網穩定性。

參考文獻 References

[1]王巖.趙斌.交聯聚乙烯絕緣電纜的制造技術[J].電線電纜， 2014（5）：13-16

[2]華良偉.馮勇.茅雁.等.交聯聚乙烯絕緣材料性能與擠出工藝的探討[J].電線電纜.1999（6）：42-45

[3]金金元.影響交聯電纜局部放電水平的因素[J].光纖與電纜及其應用技術.2012（6）：22-24

[4]劉召見.馬蘭杰.新技術在高壓電纜VCV生產線的應用[J].電線電纜.2012（1）：35-37

[5]謝安生.李盛濤.鄭曉泉.等.外施電壓頻率對XLPE電纜絕緣中電樹枝生長特性的影響[J].電工電能新技術.2006：25（3）：33-36