一起220 kV電纜故障中間接頭解剖分析

闞 毅，高書陽，任 想，馮志強(qiáng)

（1.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

電力電纜具有占地面積小、易于維護(hù)等優(yōu)勢，在城市電網(wǎng)輸電線路中的使用比例逐年上升［1-3］。電纜敷設(shè)時需要由中間接頭進(jìn)行連接，其中環(huán)氧樹脂澆注的組裝式預(yù)制型中間接頭［4-7］以其安裝簡單、質(zhì)量可靠等特點被大規(guī)模使用。該類型中間接頭在進(jìn)行環(huán)氧樹脂澆制時，如果石英填料、苯二胺固化劑和環(huán)氧樹脂的比例沒有配好、注模速度過快，或者溫度不適宜，將導(dǎo)致環(huán)氧樹脂混合物絕緣體的內(nèi)部產(chǎn)生氣孔［8-11］，形成絕緣安全隱患，后期運(yùn)行時極易發(fā)生跳閘故障。

2022 年某220 kV 電纜架空混合線路差動保護(hù)動作跳閘，故障發(fā)生后，運(yùn)維人員使用聲磁同步定位等技術(shù)手段，在8號井確定故障電纜接頭，并且對電纜中間接頭進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)中間接頭環(huán)氧樹脂預(yù)制件存在質(zhì)量問題，是造成本次事故的主要原因。

1 解剖分析情況

故障接頭未解剖之前，無法看出故障點位置。防爆殼上灌膠口采用PVC膠帶纏繞密封，解開后發(fā)現(xiàn)密封良好。防爆殼內(nèi)部AB膠基本固化完整，如圖1、圖2所示。

圖1 故障接頭防爆盒外側(cè)無明顯異常Fig.1 No obvious abnormality on the outside of the explosion-proof box

圖2 故障接頭防爆盒內(nèi)側(cè)無明顯異常Fig.2 No obvious abnormality inside the explosion-proof box of the faulty connector

完全剝離AB 膠時，發(fā)現(xiàn)AB 膠包覆的銅殼表面殘留有渾濁水漬 ，如圖3所示。

圖3 銅殼表面殘留渾濁水漬Fig.3 Residual turbid water stains on copper shell surface

檢查電纜接頭兩端的尾管與波紋鋁護(hù)套連接處，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)封鉛處無進(jìn)水現(xiàn)象，密封良好，但封鉛局部存在不均勻和缺失現(xiàn)象，如圖4、圖5所示。

圖4 電纜兩側(cè)尾管-護(hù)套連接處封鉛缺失Fig.4 Lead seal missing at tail pipe-sheath connection on both sides of cable

圖5 電纜兩側(cè)尾管-護(hù)套連接處封鉛不均勻Fig.5 Uneven lead seal at the tail pipe-sheath connection on both sides of cable

進(jìn)一步熔融故障側(cè)封鉛，剝離后未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有明顯水漬。剝除金屬銅殼外表面的PVC纏繞帶，顯現(xiàn)出兩側(cè)銅殼體及環(huán)氧材質(zhì)絕緣筒，發(fā)現(xiàn)銅殼法蘭和環(huán)氧筒對接固定用金屬螺桿有3根銹蝕，如圖6所示，內(nèi)部的密封圈有部分崩出，如圖7所示。剝離過程中，有渾濁水漬從法蘭對接處流出，如圖8所示。

圖6 兩側(cè)銅殼體法蘭對接處金屬螺桿銹蝕Fig.6 Rust of metal screw at docking point of copper shell flanges on both sides

圖7 兩側(cè)銅殼體法蘭對接處密封圈Fig.7 Seal ring at docking point of copper shell flanges on both sides

圖8 銅殼體法蘭對接處有水漬流出Fig.8 Water stain outflow at the docking site of the copper shell flange

拆除短端的銅殼體，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的錐托固定裝置上附著大量熔融物，進(jìn)一步從該側(cè)拆除環(huán)氧筒、應(yīng)力錐錐托及其固定裝置，無放電痕跡，確定故障區(qū)域位于銅殼內(nèi)部，如圖9所示。

圖9 短端銅殼體內(nèi)部情況Fig.9 Internal condition of the short-end copper shell

完全剝離短端側(cè)的應(yīng)力錐托后，發(fā)現(xiàn)與應(yīng)力錐配合用的環(huán)氧預(yù)制件明顯斷裂，且已斷成兩截，斷裂處內(nèi)外表面有明顯熏黑痕跡，如圖10所示。

圖10 環(huán)氧預(yù)制件情況Fig.10 Epoxy prefabrication parts

取下應(yīng)力錐仔細(xì)核查后，發(fā)現(xiàn)除其外部有部分熏黑痕跡外，其余均完好，且緊密貼合于電纜本體上，故可排除故障點位于應(yīng)力錐及以內(nèi)部分。

將斷裂的環(huán)氧件取出來，發(fā)現(xiàn)斷裂處漏出環(huán)氧件內(nèi)部的部分高壓金屬電極，且電極表面找到明顯的擊穿點，如圖11所示。

圖11 環(huán)氧預(yù)制件表面擊穿點Fig.11 Surface breakdown point of epoxy prefabrication parts

仔細(xì)剝離預(yù)制件擊穿點附近的環(huán)氧樹脂，露出金屬電極，可見電極表面的清晰擊穿點，如圖12所示。

圖12 環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)部金屬電極表面擊穿點Fig.12 Breakdown point of metal electrode surface inside of epoxy prefabrication

取出環(huán)氧預(yù)制件，檢查金屬銅殼體，發(fā)現(xiàn)銅殼體內(nèi)已完全熏黑，表面存在明顯放電點，距離端部約22.5 cm，如圖13所示。

圖13 銅殼內(nèi)表面擊穿點Fig.13 Breaking point of the inner surface of the copper shell

取出環(huán)氧筒與銅殼體對接處的密封圈（已崩出），發(fā)現(xiàn)密封圈完好，無被擠壓痕跡，如圖14所示。

圖14 銅殼對接處密封圈Fig.14 Seal ring at docking point of copper shell

根據(jù)廠家提供的設(shè)計圖紙可知，該環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)嵌金屬鋁電極，且與電纜的導(dǎo)體電氣連接。環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)表面設(shè)計為反向應(yīng)力錐形狀，與應(yīng)力錐外表面契合作為接頭的主絕緣，環(huán)氧預(yù)制件外表面則通過半導(dǎo)電帶和金屬絲網(wǎng)與銅殼體內(nèi)表面電氣連接，如圖15所示。

圖15 接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.15 Structural design of the joint interior

2 故障原因分析

結(jié)合解剖結(jié)果，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂預(yù)制件發(fā)生貫穿性擊穿，擊穿通道起于環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)部鋁電極［12］，終于銅殼體內(nèi)表面。原因分析如下：

1）根據(jù)本接頭結(jié)構(gòu)形式，接頭自身密封防水性能好：防爆盒灌膠口及防爆盒內(nèi)部AB 膠大部分固化完整，也未發(fā)現(xiàn)明顯水漬痕跡；兩側(cè)尾管處封鉛雖存在不均勻和局部缺失，但依然具備防水性能，密封良好。銅殼體對接法蘭的螺桿有3 個發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，且其表面存在大量渾濁水漬，說明水應(yīng)進(jìn)入到銅殼外表且長期存在。銅殼體對接處的密封圈崩出，且剝切過程中有渾濁水流出，說明水進(jìn)入過殼體內(nèi)部。檢查發(fā)現(xiàn)密封圈完好、封鉛完好，推測進(jìn)入殼體內(nèi)部的水為故障發(fā)生時環(huán)件斷裂、密封圈崩出，銅殼體外部的水由此進(jìn)入。銅殼外部的水一部分是由于故障發(fā)生后及搶修過程中進(jìn)入，一部分是因接地箱存在較長時間的浸水，在運(yùn)行過程中潮氣因電纜銅殼體與接地同軸電纜的溫差而逐漸從接地同軸電纜緩慢向內(nèi)部遷移所致。因此，本次故障與進(jìn)水或潮氣無關(guān)。

2）故障側(cè)應(yīng)力錐表面雖然明顯熏黑，但未形成橫向貫穿性熏黑痕跡，亦未見電弧灼傷痕跡，說明本次故障并非沿應(yīng)力錐表面放電，故障原因與應(yīng)力錐無關(guān)。

3）環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)嵌高壓鋁電極表面明顯燒熔，有擊穿點，外表面包裹銅殼，銅殼內(nèi)表面也有擊穿點，且該路徑附近環(huán)氧件明顯開裂，說明故障電弧高壓端起弧點在環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)嵌高壓鋁電極，貫穿環(huán)氧絕緣體，通過外表面包裹的銅殼接地［13-14］。故障電流瞬間產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致電弧路徑上的環(huán)氧絕緣體和鋁電極局部氣化，氣化產(chǎn)生的壓力造成環(huán)氧絕緣體進(jìn)一步破裂，高溫氣化固態(tài)微粒沿著裂縫向故障側(cè)空間擴(kuò)散［15］。

4）環(huán)氧樹脂絕緣性能非常穩(wěn)定，擊穿場強(qiáng)可達(dá)30 kV/mm，約為空氣的10 倍，正常情況下不會發(fā)生貫穿性擊穿［16］。另外，內(nèi)嵌高壓鋁電極起弧點在邊沿表面，屬于金屬與環(huán)氧樹脂的交界面，該處既是真空澆注時氣隙殘留聚集點，又是外力沖擊時應(yīng)力集中點，容易產(chǎn)生微裂紋，還是場強(qiáng)集中點［17-18］。因此，推測該接頭投運(yùn)前，在內(nèi)嵌高壓鋁電極起弧點附近存在氣隙或微裂紋缺陷。

3 結(jié)語

本次中間接頭故障為環(huán)氧樹脂預(yù)制件發(fā)生貫穿性擊穿，擊穿通道起于環(huán)氧預(yù)制件內(nèi)部鋁電極，終于銅殼體內(nèi)表面，認(rèn)定故障原因為該環(huán)氧件生產(chǎn)過程中存在質(zhì)量缺陷，長期運(yùn)行后發(fā)生擊穿。根據(jù)故障現(xiàn)象，推斷該環(huán)氧件在生產(chǎn)過程中鋁電極與環(huán)氧絕緣界面大概率存在微裂縫，導(dǎo)致在后期運(yùn)行中長期發(fā)生局部放電，在多年熱脹冷縮及機(jī)械電動力的作用下，缺陷程度逐漸緩慢發(fā)展，直至形成貫穿性擊穿通道。

為了防范上述類型的故障發(fā)生，提出以下幾條建議：1）選取該環(huán)氧預(yù)制件的部分環(huán)氧樣片，開展微觀結(jié)構(gòu)及材料理化性能等方面的深入檢測分析；2）目前該類型中間接頭已逐漸被淘汰，針對該類型的存量接頭應(yīng)加強(qiáng)局部放電和紅外監(jiān)測［19-21］，并逐步計劃退出運(yùn)行，在退出前，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)必要時可停電開展交流耐壓及高頻局放診斷試驗［22-33］。