交聯聚乙烯電纜終端刀痕缺陷導致的故障分析

陳朝鴻，趙威，吳尉民，李方祺，王浩州

（云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650200）

0 前言

近年來因電纜故障導致的停電事件呈現出逐年增多的趨勢[1]，電纜中間接頭和電纜終端引發的問題尤其突出。根據相關機構的調查表明，電纜中間接頭及終端頭絕緣事故率占45%[2-4]。相對于電纜本體，電纜終端和中間接頭由于結構復雜，容易產生電場集中現象，且存在絕緣界面，安裝過程中對施工人員和環境的要求高，任何安裝不當均有可能在電纜附件中形成絕緣薄弱點，進而引發絕緣擊穿，因此電纜終端和中間接頭是電纜系統中的薄弱環節。

在電纜終端安裝過程中，因施工質量不到位，在電纜絕緣表面會留下深淺不一的軸向和縱向刀痕氣隙，根據近年來對電纜缺陷的分析表明，這類氣隙的存在會導致電纜長期發生局放，嚴重的甚至導致電纜絕緣擊穿。本文針對一起35 kV電纜絕緣擊穿事故案例，通過加速缺陷老化試驗、局放測試、微觀觀察等手段研究了電纜終端絕緣刀痕氣隙缺陷局放的發展規律，并進行了有限元電場仿真分析，就刀痕氣隙缺陷導致局放和絕緣擊穿的原因進行了分析。

1 典型缺陷案例

某35 kV變電站35 kV#1主變比率差動、差動速斷保護動作，301、001斷路器跳閘。現場檢查發現35 kV1號主變低壓側套管出線電纜頭B、C相燒蝕炸裂，A相絕緣燒傷。

經后期解體檢查發現擊穿點位于B、C相電纜終端屏蔽層斷口區域。B相主絕緣層大面積燒穿，C相有較大絕緣擊穿孔。在A、C相電纜終端主絕緣靠近半導屏蔽層斷口處有明顯徑向劃痕，傷口較深，應為制作電纜頭時刀痕。

通過解體檢查，推斷是由于刀痕的存在導致了電纜長期發生局放，隨著局放的發展導致了電纜最終絕緣擊穿。為了驗證該推斷，進行了試驗研究和電場有限元仿真分析。

2 試驗研究分析

2.1 試驗樣本制作

為了研究刀痕氣隙對電纜終端絕緣的影響，制作了如圖1所示的氣隙缺陷，氣隙長度20 cm，深度1 mm，氣隙缺陷連接到外半導電層。缺陷制作好后，用冷縮終端嚴格按照施工工藝制作好電纜終端。

圖1 實驗終端內部的氣隙缺陷設計

2.2 電熱協同老化平臺

為了模擬工況下電纜終端內部缺陷在電壓和電流作用下缺陷的發展及局放情況，搭建了電熱協同老化平臺，如圖2所示。

圖2 實驗終端電熱老化實驗平臺結構原理圖

該平臺主要包括以下部分：

1）實驗終端回路：由實驗終端與連接電纜串聯形成實驗回路。35 kV電纜終端老化平臺由于實驗電壓較高，半導電層截斷點在運行電壓下就會發生放電，為了避免對實驗終端放電測試的干擾，將電纜另一端插入電纜PD實驗油終端中；

2）電壓引入單元：通過工頻試驗變壓器為實驗終端回路引入電老化所需實驗電壓；

3）電流引入單元：實驗平臺通過感應耦合的方式在實驗回路中產生足以模擬真實情況的負荷電流，通過電流互感器感應產生負荷電流。通過這種方法可以在實驗回路中施加最大約300 A的負荷電流。

2.3 局放測試

將制作了刀痕氣隙缺陷的電纜終端安裝于電流電熱老化實驗平臺中進行電熱老化實驗。對電纜施加額定電壓并同時通300 A電流，加速終端老化。老化期間，定期進行局放測試，統計250 h內的PD能量趨勢，能量統計分析的數據為當次分析時間100個工頻周期內采集的PD數據，結果如圖3所示，圖中實線表示單位時間內平均放電量的計算值，虛線為曲線擬合值。

圖3 持續老化過程中的放電能量趨勢變化

如圖所示，持續電熱老化過程中的PD放電量逐漸增加，放電釋放的電場能量也隨之增加。盡管不同老化時間PD的放電能量是波動變化的，但不難看出，其總體趨勢表現為階段增長，具體表現為：老化前期(約0 h～150 h)，放電能量平緩增大；老化后期(約150 h～250 h)，放電能量迅速增大。進一步細分，終端運行后(0 h～50 h)，逐漸表現出放電現象但放電量很小，次數少，因此將0 h～50 h劃分為老化初期；而在50 h～150 h時，放電量大量增加，但放電次數變化較小，導致能量小幅增長，因此將50 h～150 h劃分為老化中期。

2.3.1 老化初期的不對稱放電

圖4 老化50 h的不對稱放電

持續老化50 h時PRPD譜圖結果如圖4所示，從相位分布而言：老化初期的放電脈沖出現在第一和第三象限，此時的放電表現出極不對稱性，第一象限在10°～40°范圍內有放電脈沖，而第三象限的放電出現在190°～270°范圍內；從平均放電量和放電次數而言：在工頻電壓的第一象限，平均放電量數值約8 pC～10 pC，但放電次數卻很少，在工頻電壓的第三象限，每個相位上的放電量比較均勻，平均數值約3 pC～4 pC，但這個半周內的放電重復率高，218°位置甚至出現了195次放電。

此時放電的PRPD譜圖表現出典型的表面放電特征。

2.3.2 老化中期的對稱放電

繼續進行電熱老化至150 h時，PRPD譜圖結果如圖5所示。從相位分布而言：此時的放電脈沖比較對稱地分布在工頻電壓的第一和第三象限，且兩個區間基本都有放電分布。從平均放電量和放電次數而言：工頻電壓一三象限內的平均放電量都超過10 pC，放電量和放電次數在兩個象限的中間位置(約40°和220°)達到最大值。

圖5 老化150 h的對稱放電

此時的PRPD譜圖表明這時的PD以典型的內部放電為主。

2.3.3 老化后期的不對稱放電

在老化至250 h時，PRPD譜圖結果如圖6所示。從相位分布而言：此時的放電分布更為廣闊，區間基本對稱，第一象限的放電出現在0°～75°范圍內，第三象限的放電出現在180°～270°，第四象限內甚至也出現了2次約40 pC的放電。從平均放電量和放電次數而言：老化后期的放電卻表現出不對稱性，第一象限內的平均放電量約為50 pC～100 pC，超過150 pC的放電出現在19°～21°范圍內，放電量大但次數少；第三象限在195°～200°及234°～246°兩個區間上出現了平均放電量大、重復率高的放電，平均放電量超過150 pC，放電次數都超過35次，除了這兩個區間外的相位區間與第一象限相位對稱，因此，此時的放電總體表現為不對稱放電。

通過以上分析可以看到，此時的PRPD譜圖相位分布對稱，但因第三象限穩定出現了放電量大的PD脈沖而表現出不對稱性，此時的PD可能含多個放電源的混疊，既包括典型的內部放電，還包括高重復率的表面放電。

圖6 老化250 h的不對稱放電

2.4 微觀觀察

取終端老化前后氣隙缺陷的XLPE絕緣介質進行切片，切片觀察位置如圖7所示，位于應力錐內側的PD集中區域。為了全面觀察氣隙微觀結構，從終端的橫截面和軸截面兩個方向觀察老化前后的氣隙結構。

圖7 氣隙缺陷微觀結構分析位置示意圖

通過顯微鏡觀察氣隙沿電纜徑向斷面的微觀結構，放大倍數160倍，可以看到老化實驗前后氣隙位置的物理結構如圖8所示。

全新XLPE介質內部的氣隙表面存在大量如圖10(a)所示的毛刺，這些毛刺因為刀具擠壓而產生，大量粗糙的氣隙XLPE斷口毛刺填充在氣隙內部，減小了氣隙區域；而經過運行老化后，終端氣隙缺陷內部的XLPE毛刺變得短而平滑，氣隙區域也更為開闊。

圖8 終端老化前后橫截面上的氣隙結構形態

綜上所述，電纜終端安裝過程中，使用刀具剖切在絕緣表面留下了氣隙缺陷，但此時的氣隙內部并非完全是空氣區域，其內壁殘留著大量XLPE絕緣介質的末端毛刺，這些毛刺填充在氣隙內使空氣區域縮小。由于XLPE材料的相對介電常數εr相比空氣更大，擊穿電場強度更高，PD只發生在毛刺周圍狹小的空氣區域。這些狹窄的空氣區域等效電容小，發生PD放電時引起的回路脈沖電流變化小，傳感器檢測到的放電量也小。在終端剛投入運行時，氣隙中毛刺多，空氣區域也最為狹小，導致放電量小，甚至達不到傳感器檢測精度。然而，這些小氣隙電場將更加集中，盡管放電量小，但放電次數多，隨著運行老化，毛刺周圍的微小氣隙重復發生小放電量的PD，不斷燒蝕周圍的毛刺，毛刺區域逐漸碳化形成更大空氣區域。隨著空氣區域的變化，PD特征也隨之發生變化，出現PD的階段特征。

實驗終端在運行過程中表現出PD發展特征，這與氣隙結構的變化關系密切。為此，通過掃描電鏡觀察終端氣隙軸截面上的微觀結構，放大倍數為2000倍和10000倍，結果如圖9所示。為了防止觸傷鏡頭，電鏡掃描前氣隙斷面需要經過表面碎屑清洗處理，因而處理后的氣隙表面不再有XLPE毛刺。

圖9 終端老化前后軸截面上的氣隙結構形態

從圖9(a)可以看到，全新XLPE介質內部的氣隙表面呈現出典型的高分子聚合物絮狀斷面特征。

從圖9(b)可以看到，經過老化后的氣隙斷面散落著大量顆粒物，放大10000倍觀察表面形態圓潤，表現出層疊堆積的外觀形態，通過化學成分確認為氣隙毛刺經過放電燒蝕后堆疊的碳顆粒。這表明老化過程中，氣隙內部發生了激烈的PD現象，氣隙內部的毛刺經過放電燒蝕逐漸形成碳顆粒，從而打開了氣隙通道，PD脈沖幅值增大。這些碳顆粒在高壓電場下甚至可能形成針尖電極，導致氣隙內部的電場進一步畸變。

3 電場仿真分析

以35 kV電纜終端結構建立與實際大小1:1的物理模型，沿電纜軸向制作20 cm的刀痕氣隙，一直延展到半導電層交界面處，研究終端電纜軸向的電場分布情況。

圖10 電纜終端的仿真模型與有限元網格剖分圖

仿真中的電位參數：XLPE絕緣層內邊界為運行電壓(U0≈20 kV)，半導電層接地側以及大于終端尺寸10倍距離外的平面為接地電位[8-9]，材料的相對介電常數εr設置如表1所示。

表1 電纜終端仿真中的材料相對介電常數εr

通過有限元計算得出電場結果后，使用后處理顯示結果，如圖11所示。圖中包含電場線的分布圖和電場強度的分布圖，曲線為電場線的走向分布，而終端結構中的填充圖為電場強度分布圖。

從電場線的分布可知，電場線起于電纜終端線芯的高電位邊界，止于地電位邊界。在氣隙缺陷與外半導電層環形切面處電場線分布最為密集，電場強度最大值Emax出現在氣隙缺陷內部，在這一區域形成了約5 cm長的電場強度超過3 kV/mm的高場區；當沒有氣隙缺陷時，終端絕緣結構中電場不超過1.8 kV/mm。由于氣隙的存在導致電場畸變，由于氣隙內部是空氣，空氣的游離強度比周圍的絕緣材料低得多，電場強度超過空氣的放電強度就會引發放電，隨著放電的長期發展，放電區域絕緣燒蝕使氣隙缺陷擴張，進一步促進局放的發展，如此惡性循環導致絕緣燒蝕度和局放量逐漸增加，最終發展到一定程度在運行電壓下絕緣擊穿。

圖11 電纜終端的電場線與電場強度分布

4 結束語

通過對電纜終端絕緣擊穿事故案例的分析，結合加速缺陷老化試驗、局放測試、微觀觀察及有限元電場仿真分析，說明了電纜終端在制作過程中留下的刀痕氣隙缺陷會導致局部電場畸變，并引發刀痕氣隙發生局放，雖然局放發展過程緩慢，但是隨著局放長期存在，導致氣隙缺陷變化，進一步促進局放的發展，如此惡性循環導致絕緣燒蝕度和局放量逐漸增加，最終發展到一定程度在運行電壓下絕緣擊穿。因此，在電纜終端和中間接頭制作過程中一定要嚴守質量關，防止絕緣表面出現刀痕等缺陷。