10kV及以上高壓超高壓電纜故障說明

1　前言  
     近年來，隨著我國城市電網的不斷改造，交聯聚乙烯電力電纜作為主流產品已經廣泛應用于輸電線路和配電網中。各地區截止到20015年6月，投運的220 kV電壓等級交聯聚乙烯電力電纜有183 km，110 kV電壓等級的有3000多km。全國據不*統計，已投入運行的110 kV及以上的高壓電纜線路已經超過10000 km，高電壓等級已達500 kV。

  2　高壓電纜故障分析

     高壓電纜系統故障分類的方法很多，按照故障產生的原因大致分為制造原因、施工質量原因、設計單位設計原因、外力破壞四大類。

     1.1　制造原因

     制造原因根據發生部位不同，又分為電纜本體原因、電纜接頭原因和電纜接地系統原因三類。

     1.1.1　電纜本體制造原因

     因為現在高壓電纜制造在原材料及機器設備方面已經成熟，而且電纜在出廠前要進行交流耐壓試驗，試驗標準160 kV，半小時通過為合格（IEC60840標準要求），所以一般電纜本體出現問題的概率比較小。經筆者的考察了解，有了好的設備并不等于就會有好產品，保證產品質量不僅要有好的設備（國內現在有好幾個電纜廠家的設備都具有*水平），更需要有好的技術人員、操作人員和嚴格的檢驗控制。一般在電纜生產過程中容易出現的問題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內有雜質、內外屏蔽有突起、交聯度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護套密封不良等，情況比較嚴重的可能在竣工試驗中或投運后不久即出現故障，大部分在電纜系統中以缺陷形式存在，對電纜*安全運行造成嚴重隱患。

     事故案例：電纜本體擊穿事故。110 kV電纜竣工后通過了5 min，1.7U0變頻交流耐壓試驗（當時的竣工驗收試驗標準，后來標準改為60 min，1.7U0），但投運12 h之后就發生了電纜本體擊穿事故，擊穿情況見圖1，經分析排除了敷設過程破壞和外力破壞的可能性，確認為電纜本體缺陷導致擊穿，懷疑為電纜內外屏蔽有突起或雜質，在工廠和現場試驗時電纜絕緣已經部分受損所致。

     電纜本體擊穿情況

     北京地區在執行電纜接頭前電纜質量檢查中曾經發現過電纜阻水層受潮、絕緣屏蔽表面有銅屑、鋁護套變形、絕緣偏心、絕緣內有雜質、絕緣屏蔽劃傷等問題，多次出現過因產品質量原因而退貨的情況。

     1.1.2　電纜接頭制造原因

     高壓電纜接頭以前用繞包型、模鑄型、模塑型等類型，需要現場制作的工作量大，并且因為現場條件的限制和制作工藝的原因，絕緣帶層間不可避免地會有氣隙和雜質，所以容易發生問題。現在國內普遍采用的型式是組裝型和預制型。組裝型接頭的絕緣部分分為環氧樹脂絕緣筒和預制的應力錐兩部分。為了保證應力錐與環氧樹脂絕緣筒和應力錐與電纜絕緣結合界面有足夠的壓力，以提高結合面允許的高場強，設計了一組用于壓緊應力錐的彈簧壓緊裝置。預制型接頭由富有彈性的硅橡膠或三元乙丙橡膠制成。接頭集改善電場分布的應力錐、導體屏蔽、絕緣屏蔽和接頭的主絕緣于一體，全部在工廠預制成型，由過盈配合來保證結合面的壓力；又由于硅橡膠和三元乙丙橡膠的膨脹系數接近且具有彈性，在運行中當負荷變化、溫度變化引起熱脹冷縮時，能自動平衡，不會產生相對位移。

     電纜接頭又分為電纜終端接頭和電纜中間接頭，不管什么接頭形式，電纜接頭故障一般都出現在電纜絕緣屏蔽斷口處，因為這里是電應力集中的部位，因制造原因導致電纜接頭故障的原因有應力錐本體制造缺陷、絕緣填充劑問題、密封圈漏油等。

     事故案例1：110 kV電力電纜預制式中間接頭發生擊穿事故。電纜運行一年，被擊穿部位是硅橡膠應力錐，見圖2。解剖發現應力錐本體開裂，接頭發生滑閃放電導致擊穿，電纜表面爬電痕跡見圖3。這批中間接頭在制作過程中預擴充時曾發生過多次應力錐破裂問題，廠家確認是部分產品在工廠內硫化過程中出現氯原子混入導致硅橡膠彈性下降所致，通過預擴充沒有破裂的應力錐可以保證安全運行。該項目在2001年進行交流耐壓試驗時又有2只接頭在試驗過程中擊穿，擊穿原因也是應力錐本體開裂，接頭發生滑閃放電導致更進一步擊穿，證明該公司這批產品質量不穩定。

     事故案例2：GIS終端接頭擊穿事故。電纜運行時間接近2年，直接的擊穿點在電纜終端內應力錐中間、半導電應力管上方37 mm處，電纜線芯與應力錐間放電，應力錐和電纜上各燒出一個18 mm×20 mm的孔洞，環氧套管被炸成4大塊及一些碎片。事故原因是因為終端接頭出線桿工藝要求包繞PVC帶和VDG絕緣帶，PVC帶包VDG絕緣帶外側，然后泡在聚異丁烯絕緣油內，PVC帶長時間浸泡后松開脫落，垂入金屬應力錐內，導致電場畸變，產生局放，終導致接頭擊穿，見圖4。福建廈門*利用紅外測溫監測電纜終端瓷套時也發現了因PVC帶脫落導致接頭內電場畸變發生局部放電的情況。

     GIS終端頭擊穿情況

     事故案例3：220 kV GIS接頭擊穿事故。電纜運行時間7年多，擊穿部位為應力錐上部離開絕緣屏蔽末端大約20 cm處。因為應力錐在爆炸時已經炸成碎片，故障分析比較困難，但終端內填充的硅油已經嚴重劣化，從清亮狀態變成黃色的塊狀油脂可以看出終端內發生*的局部放電。產生局部放電的原因很多，具體原因不明，很有可能是絕緣油本身有問題。

1.1.3　電纜接地系統原因

     電纜接地系統包括電纜接地箱、電纜接地保護箱（帶護層保護器）、電纜交叉互聯箱、護層保護器等部分。一般容易發生的問題主要是因為箱體密封不好進水導致多點接地，引起金屬護層感應電流過大。另外護層保護器參數選取不合理或質量不好，氧化鋅晶體不穩定也容易引發護層保護器損壞。

     1.2　施工質量原因

     因為施工質量導致高壓電纜系統故障的事例很多，主要原因有：①施工現場條件比較差，電纜和接頭在工廠制造時環境和工藝要求都很高，而溫度、濕度、灰塵都不好控制。②電纜接頭施工工藝要求比較高，一般要求施工人員練習3年后才能安裝110 kV及以上接頭，而有些施工隊伍施工水平不高，甚至存在盲目施工問題。③電纜施工過程中在絕緣表面難免會留下細小的滑痕，半導電顆粒和砂布上的沙粒也有可能嵌入絕緣中，另外接頭施工過程中由于絕緣暴露在空氣中，絕緣中也會吸入水分，這些都給*安全運行留下隱患。④安裝時沒有嚴格按照工藝施工或工藝規定，沒有考慮到可能出現的問題。⑤竣工驗收采用直流耐壓試驗造成接頭內形成反電場導致絕緣破壞。⑥因密封處理不善導致。

     對于終端接頭密封，主要應是防止絕緣油滲漏。終端接頭漏油問題是困擾各地電纜運行管理部門的主要問題之一，因為一般終端接頭都不采用外置油壓補償裝置，所以終端漏油后運行部門并不知道內部油量多少，只能加強監測。終端內油量減少會導致電場分布的改變，造成電纜內絕緣爬距變化，終導致接頭擊穿。目前堵漏技術很難解決絕緣油滲漏問題，雖然現在各地開始采用干式終端接頭，但因為大量油終端的存在，終端接頭滲漏還將是一個*問題。

     對中間接頭密封來說，主要應提高防水性。南方水位高，不管采用排管、直埋接頭還是溝槽電纜接頭都經常泡在水中。北方雖然水位低，但在雨季隧道、排管的接頭井內也經常有積水。所以保證中間接頭的密封防水性至關重要。因為從嚴格意義上講，塑料無法保證水分子的侵入，所以北京地區規定中間接頭必須采用金屬銅外殼外加PE或PVC絕緣防腐層的密封結構，在現場施工中保證鉛封的密實，這樣有效地保證了接頭的密封防水性能。

     因施工質量原因造成的嚴重缺陷一般在投運前的竣工試驗時或投運后一兩年內就會出現故障，而一些小的問題可能就成為*運行的隱患。采用專業的施工隊伍和加強接頭安裝人員的技術水平和質量意識是減少電纜事故的重要手段。

     事故案例1：因安裝工藝錯誤導致220 kV電纜戶外終端發生擊穿事故。擊穿部位在絕緣屏蔽末端上部，運行時間11個月，接頭形式為組裝式。與廠家一起對事故終端進行解剖 分析，確認事故原因是頂應力錐的彈簧機構在安裝時被鎖死，沒有起到保證應力錐與電纜絕緣結合界面有足夠的壓力的作用，導致界面強度不夠，引發界面放電。

     事故應力錐圖

     事故案例2：因安裝原因導致110 kV中間接頭擊穿。接頭形式為預制式，運行時間12個月。事故原因是廠家制作人員在制作安裝預制接頭過程中，套錐擴充工具曾經折損在接頭內部，對絕緣表面造成損傷，發生局部放電，后導致接頭擊穿。接頭擊穿位置見。

     接頭擊穿位置圖

     事故案例3：因接頭尺寸錯誤原因導致終端接頭擊穿。事故直接原因是絕緣半導電屏蔽剝切尺寸與圖紙不符，圖紙要求剝切尺寸為1 521 mm，實際剝切尺寸為1 593 mm。造成應力錐半導電部分未與電纜絕緣半導電屏蔽搭接，應力錐沒有起到均勻電場的作用，絕緣屏蔽末端發生刷狀放電，后導致擊穿。終端接頭擊穿位置見。

     終端接頭擊穿位置

     事故案例4：10 kV電纜在投運幾個小時后發生終端接頭爆炸事故，擊穿部位為應力錐。擊穿原因是直流耐壓試驗后馬上投運，因反電場造成擊穿，擊穿應力錐解剖情況見。

     擊穿應力錐解剖情況

     事故案例5：因密封處理不善導致GIS終端漏油事故。事故是因為GIS電纜倉氣壓降低后報警發現的。事故原因是電纜終端出線桿上有一條縱向滑痕，因為GIS內氣壓比接頭內油壓高很多，所以SF6氣體順著滑痕進入電纜終端，終端下密封在高氣壓下失靈，絕緣油全部瀉出，GIS電纜倉氣壓降低后報警。

     在國內好幾個地方都發現因交叉互統接線錯誤導致的電纜護層感應電流上升的情況。因為現在變電站接地電阻一般很小，而電纜載流量越來越大，所以交叉互統接線錯誤導致的電纜護層感應電流相當大，筆者曾經遇到這樣的情況，金屬護套內感應電流達到300多A，導致終端尾管接地點發熱。

     至于在電纜敷設過程中側壓力超過要求、電纜彎曲半徑過小、刮傷外護套等情況經常遇到，接頭制作過程中電纜處理粗糙，電纜表面有剝削絕緣屏蔽時留下的刀痕、電纜未加熱調直、絕緣屏蔽末端有凹坑等情況也時有發生，這些對電纜系統*安全運行危害很大，甚至導致電纜系統在一兩年內出現故障。

     1.3　外力破壞

     隨著城市建設的發展，各地外力破壞事故不斷增加，一般直埋電纜因為沒有保護所以容易遭受外力破壞，電纜溝槽和隧道內的電纜相對不容易受到外力破壞。關于直埋電纜被外力破壞的事例很多，大部分情況是被挖斷，有時候也會因為地層下陷導致電纜受到過大的拉力導致擊穿事故。對于直埋電纜被挖斷的情況這里不在贅述，下面介紹3起分別因地層下陷和在電纜隧道和電纜磚槽內被外力破壞的情況，希望引起電纜管理部門和土建施工單位的注意。

     事故案例1：廣州電纜管理所曾經發生一起由于施工鉆樁引起路面嚴重下陷導致鄰近接頭擊穿的事故，下陷路段恰好在線路走廊內，而且距離故障點只有50 m。經挖開檢查，發現在13 m長的范圍內，電纜被壓成弓形，深下彎點距電纜基準面深達1.3 m。事故原因是當 懸空電纜受到一個巨大的向下壓力時，懸空電纜的兩端受到一個拉力，由于鋁護套受泥土壓力不能移動，因此與鋁護套連成一體的預制絕緣體沒有發生移位，而電纜導體則由于拉力伸 長變形。接頭內導體相對于絕緣體發生了前述6 cm的位移，導致電場分布發生嚴重畸變，接頭被擊穿。電纜下陷點與接頭爆炸處的位置示意見。

     電纜下陷點與接頭爆炸處的位置示意圖

     事故案例2：2002年8月北京地區紫竹院2路110 kV電纜被附近施工的土建單位打錨桿時破壞，錨桿打穿隧道側壁，打壞2路電纜后又打穿另一側隧道側壁，并在回拉錨桿時將一路電纜拉至嚴重變形。這次惡性破壞對電網造成很大危害，幸虧及時采取措施才未造成更大損失。該事故被報道后，在社會上引起一定反響，也對土建單位的施工敲響了警鐘。

     事故案例3：2002年10月北京黃廠110 kV電纜土建單位在打地錨時將在電纜磚槽內的電纜打穿，地錨在電纜保護蓋板上打了一個洞。幸好線路負荷不大，而且搶修及時，沒有對電網造成危害。

     1.4　設計單位設計原因

     在很多地方并沒有單獨的電纜設計，而是將電纜放在變電設計中，變電設計由于專業限制大部分對電纜專業知識了解甚少，有些都不知道護層保護器、等知識的名稱，更談不上選擇適合的參數。我國的電纜設計知識主要是在交流和實踐過程中從標準和國外廠家學習來的，一些大的設計院的專業電纜設計部門都在工作中不斷總結提高。我國電纜設計從整體水平而言還亟待提高。

     事故案例1：我們在國內某地一電廠處理110 kV電纜本體故障時發現電纜系統在設計時竟然沒有設計接地點，700多m長的110 kV電纜當作母線設計，在投入運行后的一個多月內，電纜金屬護套對地放電，終導致金屬護套和電纜主絕緣燒穿，損失慘重。

     事故案例2：因電纜受熱膨脹導致的電纜擠傷導致擊穿。發生事故的是110 kV電纜線路，運行時間4年，電纜敷設在隧道內電纜支架上，近兩年電纜一般在負荷高峰期達到額定負荷的80%左右。交聯電纜負荷高時，線芯溫度升高，電纜受熱膨脹，在隧道內轉彎處電纜頂在支架立面上，*大負荷運行電纜蠕動力量很大，導致支架立面壓破電纜外護套、金屬護套，擠入電纜絕緣層導致電纜擊穿。

     擊穿部位特寫

     2　預防措施

     高壓電纜的有些事故是因為電場內存在、毛刺、雜質或水分，事故發生后這些產生事故的原因都遭到破壞，造成不少事故無法定論。我們只能從一些表面現象去分析造成事故的可能原因。通過分析事故可以提高制造廠家的制造水平、施工單位的施工水平、設計部門的設計水平以及運行管理部門的運行管理水平。因為高壓交聯電纜在國內起步比較晚，早投運時間是1988年，運行時間才16年，絕大部分都是在1996年以后投運的，運行時間不到8年。按照交聯電纜運行壽命30年考慮并結合國外的一些運行經驗，我國的高壓交聯電纜還沒有進入事故高發期，現在發生的事故很少是因為*運行老化導致的，在制造和安裝過程中的一些小缺陷還大量留存在電纜系統中。為保障電網安全，保證電纜系統安全運行，筆者認為應采取以下預防措施：

     (1) 加強電纜質量檢驗工作。上海地區為提高電纜制造質量，采取派人在廠家監造的措施，在監造過程中發現了不少問題，收到良好效果。北京地區一直執行現場接頭前電纜質量檢驗，發現了不少問題，但這一措施也有局限性，就是現場只能進行外觀檢驗，無法了解絕緣內部情況。為此，北京現在采用定期對電纜進行抽樣，送武高所或上海電纜所進行檢驗的方式，以確保電纜質量。同時電纜生產廠家也應加強質量管理，提高質量意識，嚴格出廠前的試驗和檢驗工作，杜絕不合格產品流入市場。

     (2) 提高電纜安裝質量。提高電纜安裝質量首先要高度重視這一問題，采用專業的施工隊伍和加強接頭安裝人員的技術水平和質量意識，嚴格按照安裝工藝施工是減少電纜事故的重要途徑。在電纜敷設時采用牽引方式應防止轉彎處的側壓力過高，接頭安裝時應注意采用好的工藝措施保證安裝水平，在施工中總結提高。

     (3) 采用新的試驗手段。在對交聯電纜做竣工試驗時避免采用直流耐壓，可以采用串聯諧振或VLF的方法，如果沒有相應設備也可以采用24 h空載運行的方式。

     (4) 提高設計圖紙深度。設計是施工的指導，設計水平的提高是電纜工程水平提高的關鍵，各地設計單位要加強交流和學習，充分考慮在*安全運行中電纜系統可能遇到的情況，為保證電纜系統*安全運行努力。

     (5) 加大運行監測力度。很多人認為電纜系統可以免維護，這種觀點是錯誤的。以前因為沒有好的監測手段，電纜運行部門只能加強巡視，現在紅外線測溫在一些地方開始使用，一些地方還在接頭部位安裝了溫度監測系統，局部放電技術開始進入實用階段。各地運行部門應根據實際情況開發或采用相應的檢測手段，做到提前預防。