高壓電纜故障的處理辦法

　　1前言

　　近年來，隨著我國城市電網(wǎng)的不斷改造，交聯(lián)聚乙烯電力電纜作為主流產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電線路和配電網(wǎng)中。北京地區(qū)截止到2004年6月，投運的220 kV電壓等級交聯(lián)聚乙烯電力電纜有83 km，110 kV電壓等級的有300多km。全國據(jù)不完全統(tǒng)計，已投入運行的110 kV及以上的高壓電纜線路已經(jīng)超過1 000 km，最高電壓等級已達500 kV。

　　資料表明：在對全國主要城市126家電力電纜運行維護單位10 kV以上的電力電纜（總長度91 000 km）在1997至2001年期間運行狀態(tài)進行調(diào)查統(tǒng)計和故障原因分析發(fā)現(xiàn)，10～220 kV電力電纜的平均運行故障率由1997年的11.3次/（百公里?年）逐年下降到2001年的5.2次/（百公里?年），但相對經(jīng)濟發(fā)達國家仍高出約10倍。

　　2高壓電纜故障分析

　　高壓電纜系統(tǒng)故障分類的方法很多，按照故障產(chǎn)生的原因大致分為制造原因、施工質(zhì)量原因、設(shè)計單位設(shè)計原因、外力破壞四大類。

　　1.1制造原因

　　制造原因根據(jù)發(fā)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(tǒng)原因三類。

　　1.1.1電纜本體制造原因

　　因為現(xiàn)在高壓電纜制造在原材料及機器設(shè)備方面已經(jīng)成熟，而且電纜在出廠前要進行交流耐壓試驗，試驗標(biāo)準(zhǔn)160 kV，半小時通過為合格（IEC60840標(biāo)準(zhǔn)要求），所以一般電纜本體出現(xiàn)問題的概率比較小。經(jīng)筆者的考察了解，有了好的設(shè)備并不等于就會有好產(chǎn)品，保證產(chǎn)品質(zhì)量不僅要有好的設(shè)備（國內(nèi)現(xiàn)在有好幾個電纜廠家的設(shè)備都具有國際先進水平），更需要有好的技術(shù)人員、操作人員和嚴(yán)格的檢驗控制。一般在電纜生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內(nèi)有雜質(zhì)、內(nèi)外屏蔽有突起、交聯(lián)度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護套密封不良等，情況比較嚴(yán)重的可能在竣工試驗中或投運后不久即出現(xiàn)故障，大部分在電纜系統(tǒng)中以缺陷形式存在，對電纜長期安全運行造成嚴(yán)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(dāng)時的竣工驗收試驗標(biāo)準(zhǔn)，后來標(biāo)準(zhǔn)改為60 min，1.7U0），但投運12 h之后就發(fā)生了電纜本體擊穿事故，擊穿情況見圖1，經(jīng)分析排除了敷設(shè)過程破壞和外力破壞的可能性，確認(rèn)為電纜本體缺陷導(dǎo)致?lián)舸瑧岩蔀殡娎|內(nèi)外屏蔽有突起或雜質(zhì)，在工廠和現(xiàn)場試驗時電纜絕緣已經(jīng)部分受損所致。

　　電纜本體擊穿情況

　　北京地區(qū)在執(zhí)行電纜接頭前電纜質(zhì)量檢查中曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(nèi)有雜質(zhì)、絕緣屏蔽劃傷等問題，多次出現(xiàn)過因產(chǎn)品質(zhì)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(xiàn)場制作的工作量大，并且因為現(xiàn)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(zhì)，所以容易發(fā)生問題。現(xiàn)在國內(nèi)普遍采用的型式是組裝型和預(yù)制型。組裝型接頭的絕緣部分分為環(huán)氧樹脂絕緣筒和預(yù)制的應(yīng)力錐兩部分。為了保證應(yīng)力錐與環(huán)氧樹脂絕緣筒和應(yīng)力錐與電纜絕緣結(jié)合界面有足夠的壓力，以提高結(jié)合面允許的最高場強，設(shè)計了一組用于壓緊應(yīng)力錐的彈簧壓緊裝置。預(yù)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(yīng)力錐、導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽和接頭的主絕緣于一體，全部在工廠預(yù)制成型，由過盈配合來保證結(jié)合面的壓力；又由于硅橡膠和三元乙丙橡膠的膨脹系數(shù)接近且具有彈性，在運行中當(dāng)負荷變化、溫度變化引起熱脹冷縮時，能自動平衡，不會產(chǎn)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(xiàn)在電纜絕緣屏蔽斷口處，因為這里是電應(yīng)力集中的部位，因制造原因?qū)е码娎|接頭故障的原因有應(yīng)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(yù)制式中間接頭發(fā)生擊穿事故。電纜運行一年，被擊穿部位是硅橡膠應(yīng)力錐，見圖2。解剖發(fā)現(xiàn)應(yīng)力錐本體開裂，接頭發(fā)生滑閃放電導(dǎo)致?lián)舸娎|表面爬電痕跡見圖3。這批中間接頭在制作過程中預(yù)擴充時曾發(fā)生過多次應(yīng)力錐破裂問題，廠家確認(rèn)是部分產(chǎn)品在工廠內(nèi)硫化過程中出現(xiàn)氯原子混入導(dǎo)致硅橡膠彈性下降所致，通過預(yù)擴充沒有破裂的應(yīng)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(yīng)力錐本體開裂，接頭發(fā)生滑閃放電導(dǎo)致更進一步擊穿，證明該公司這批產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)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(nèi)應(yīng)力錐中間、半導(dǎo)電應(yīng)力管上方37 mm處，電纜線芯與應(yīng)力錐間放電，應(yīng)力錐和電纜上各燒出一個18 mm×20 mm的孔洞，環(huán)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(cè)，然后泡在聚異丁烯絕緣油內(nèi)，PVC帶長時間浸泡后松開脫落，垂入金屬應(yīng)力錐內(nèi)，導(dǎo)致電場畸變，產(chǎn)生局放，最終導(dǎo)致接頭擊穿，見圖4。福建廈門電業(yè)局利用紅外測溫監(jiān)測電纜終端瓷套時也發(fā)現(xiàn)了因PVC帶脫落導(dǎo)致接頭內(nèi)電場畸變發(fā)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(yīng)力錐上部離開絕緣屏蔽末端大約20 cm處。因為應(yīng)力錐在爆炸時已經(jīng)炸成碎片，故障分析比較困難，但終端內(nèi)填充的硅油已經(jīng)嚴(yán)重劣化，從清亮狀態(tài)變成黃色的塊狀油脂可以看出終端內(nèi)發(fā)生長期的局部放電。產(chǎn)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(tǒng)原因

　　電纜接地系統(tǒng)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(lián)箱、護層保護器等部分。一般容易發(fā)生的問題主要是因為箱體密封不好進水導(dǎo)致多點接地，引起金屬護層感應(yīng)電流過大。另外護層保護器參數(shù)選取不合理或質(zhì)量不好，氧化鋅晶體不穩(wěn)定也容易引發(fā)護層保護器損壞。

　　1.2施工質(zhì)量原因

　　因為施工質(zhì)量導(dǎo)致高壓電纜系統(tǒng)故障的事例很多，主要原因有：①施工現(xiàn)場條件比較差，電纜和接頭在工廠制造時環(huán)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(xí)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(dǎo)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，這些都給長期安全運行留下隱患。④安裝時沒有嚴(yán)格按照工藝施工或工藝規(guī)定，沒有考慮到可能出現(xiàn)的問題。⑤竣工驗收采用直流耐壓試驗造成接頭內(nèi)形成反電場導(dǎo)致絕緣破壞。⑥因密封處理不善導(dǎo)致。

　　對于終端接頭密封，主要應(yīng)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(nèi)部油量多少，只能加強監(jiān)測。終端內(nèi)油量減少會導(dǎo)致電場分布的改變，造成電纜內(nèi)絕緣爬距變化，最終導(dǎo)致接頭擊穿。目前堵漏技術(shù)很難解決絕緣油滲漏問題，雖然現(xiàn)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長期問題。

　　對中間接頭密封來說，主要應(yīng)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(jīng)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(nèi)也經(jīng)常有積水。所以保證中間接頭的密封防水性至關(guān)重要。因為從嚴(yán)格意義上講，塑料無法保證水分子的侵入，所以北京地區(qū)規(guī)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(jié)構(gòu)，在現(xiàn)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(zhì)量原因造成的嚴(yán)重缺陷一般在投運前的竣工試驗時或投運后一兩年內(nèi)就會出現(xiàn)故障，而一些小的問題可能就成為長期運行的隱患。采用專業(yè)的施工隊伍和加強接頭安裝人員的技術(shù)水平和質(zhì)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(dǎo)致220 kV電纜戶外終端發(fā)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(rèn)事故原因是頂應(yīng)力錐的彈簧機構(gòu)在安裝時被鎖死，沒有起到保證應(yīng)力錐與電纜絕緣結(jié)合界面有足夠的壓力的作用，導(dǎo)致界面強度不夠，引發(fā)界面放電。

　　事故應(yīng)力錐圖

　　事故案例2：因安裝原因?qū)е?10 kV中間接頭擊穿。接頭形式為預(yù)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(yù)制接頭過程中，套錐擴充工具曾經(jīng)折損在接頭內(nèi)部，對絕緣表面造成損傷，發(fā)生局部放電，最后導(dǎo)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?qū)е陆K端接頭擊穿。事故直接原因是絕緣半導(dǎo)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(yīng)力錐半導(dǎo)電部分未與電纜絕緣半導(dǎo)電屏蔽搭接，應(yīng)力錐沒有起到均勻電場的作用，絕緣屏蔽末端發(fā)生刷狀放電，最后導(dǎo)致?lián)舸＝K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(fā)生終端接頭爆炸事故，擊穿部位為應(yīng)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(yīng)力錐解剖情況見。

　　擊穿應(yīng)力錐解剖情況

　　事故案例5：因密封處理不善導(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(nèi)氣壓比接頭內(nèi)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(nèi)好幾個地方都發(fā)現(xiàn)因交叉互聯(lián)系統(tǒng)接線錯誤導(dǎo)致的電纜護層感應(yīng)電流上升的情況。因為現(xiàn)在變電站接地電阻一般很小，而電纜載流量越來越大，所以交叉互聯(lián)系統(tǒng)接線錯誤導(dǎo)致的電纜護層感應(yīng)電流相當(dāng)大，筆者曾經(jīng)遇到這樣的情況，金屬護套內(nèi)感應(yīng)電流達到300多A，導(dǎo)致終端尾管接地點發(fā)熱。

　　至于在電纜敷設(shè)過程中側(cè)壓力超過要求、電纜彎曲半徑過小、刮傷外護套等情況經(jīng)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(diào)直、絕緣屏蔽末端有凹坑等情況也時有發(fā)生，這些對電纜系統(tǒng)長期安全運行危害很大，甚至導(dǎo)致電纜系統(tǒng)在一兩年內(nèi)出現(xiàn)故障。

　　1.3外力破壞

　　隨著城市建設(shè)的發(fā)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(nèi)的電纜相對不容易受到外力破壞。關(guān)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(dǎo)致電纜受到過大的拉力導(dǎo)致?lián)舸┦鹿省τ谥甭耠娎|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(nèi)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(jīng)發(fā)生一起由于施工鉆樁引起路面嚴(yán)重下陷導(dǎo)致鄰近接頭擊穿的事故，下陷路段恰好在線路走廊內(nèi)，而且距離故障點只有50 m。經(jīng)挖開檢查，發(fā)現(xiàn)在13 m長的范圍內(nèi)，電纜被壓成弓形，最深下彎點距電纜基準(zhǔn)面深達1.3 m。事故原因是當(dāng)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(yù)制絕緣體沒有發(fā)生移位，而電纜導(dǎo)體則由于拉力伸長變形。接頭內(nèi)導(dǎo)體相對于絕緣體發(fā)生了前述6 cm的位移，導(dǎo)致電場分布發(fā)生嚴(yán)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(qū)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(cè)壁，打壞2路電纜后又打穿另一側(cè)隧道側(cè)壁，并在回拉錨桿時將一路電纜拉至嚴(yán)重變形。這次惡性破壞對電網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)造成危害。

　　1.4設(shè)計單位設(shè)計原因

　　在很多地方并沒有單獨的電纜設(shè)計，而是將電纜放在變電設(shè)計中，變電設(shè)計由于專業(yè)限制大部分對電纜專業(yè)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(shù)。我國的電纜設(shè)計知識主要是在交流和實踐過程中從國際標(biāo)準(zhǔn)和國外廠家學(xué)習(xí)來的，一些大的設(shè)計院的專業(yè)電纜設(shè)計部門都在工作中不斷總結(jié)提高。我國電纜設(shè)計從整體水平而言還亟待提高。

　　事故案例1：我們在國內(nèi)某地一電廠處理110 kV電纜本體故障時發(fā)現(xiàn)電纜系統(tǒng)在設(shè)計時竟然沒有設(shè)計接地點，700多m長的110 kV電纜當(dāng)作母線設(shè)計，在投入運行后的一個多月內(nèi)，電纜金屬護套對地放電，最終導(dǎo)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(dǎo)致的電纜擠傷導(dǎo)致?lián)舸０l(fā)生事故的是110 kV電纜線路，運行時間4年，電纜敷設(shè)在隧道內(nèi)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(lián)電纜負荷高時，線芯溫度升高，電纜受熱膨脹，在隧道內(nèi)轉(zhuǎn)彎處電纜頂在支架立面上，長期大負荷運行電纜蠕動力量很大，導(dǎo)致支架立面壓破電纜外護套、金屬護套，擠入電纜絕緣層導(dǎo)致電纜擊穿。

　　擊穿部位特寫

　　2預(yù)防措施

　　高壓電纜的有些事故是因為電場內(nèi)存在尖端、毛刺、雜質(zhì)或水分，事故發(fā)生后這些產(chǎn)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(xiàn)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(shè)計部門的設(shè)計水平以及運行管理部門的運行管理水平。因為高壓交聯(lián)電纜在國內(nèi)起步比較晚，最早投運時間是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(lián)電纜運行壽命30年考慮并結(jié)合國外的一些運行經(jīng)驗，我國的高壓交聯(lián)電纜還沒有進入事故高發(fā)期，現(xiàn)在發(fā)生的事故很少是因為長期運行老化導(dǎo)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(tǒng)中。為保障電網(wǎng)安全，保證電纜系統(tǒng)安全運行，筆者認(rèn)為應(yīng)采取以下預(yù)防措施：

　　(1)加強電纜質(zhì)量檢驗工作。上海地區(qū)為提高電纜制造質(zhì)量，采取派人在廠家監(jiān)造的措施，在監(jiān)造過程中發(fā)現(xiàn)了不少問題，收到良好效果。北京地區(qū)一直執(zhí)行現(xiàn)場接頭前電纜質(zhì)量檢驗，發(fā)現(xiàn)了不少問題，但這一措施也有局限性，就是現(xiàn)場只能進行外觀檢驗，無法了解絕緣內(nèi)部情況。為此，北京現(xiàn)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(zhì)量。同時電纜生產(chǎn)廠家也應(yīng)加強質(zhì)量管理，提高質(zhì)量意識，嚴(yán)格出廠前的試驗和檢驗工作，杜絕不合格產(chǎn)品流入市場。

　　(2)提高電纜安裝質(zhì)量。提高電纜安裝質(zhì)量首先要高度重視這一問題，采用專業(yè)的施工隊伍和加強接頭安裝人員的技術(shù)水平和質(zhì)量意識，嚴(yán)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(shè)時采用牽引方式應(yīng)防止轉(zhuǎn)彎處的側(cè)壓力過高，接頭安裝時應(yīng)注意采用好的工藝措施保證安裝水平，在施工中總結(jié)提高。

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

　　(4)提高設(shè)計圖紙深度。設(shè)計是施工的指導(dǎo)，設(shè)計水平的提高是電纜工程水平提高的關(guān)鍵，各地設(shè)計單位要加強交流和學(xué)習(xí)，充分考慮在長期安全運行中電纜系統(tǒng)可能遇到的情況，為保證電纜系統(tǒng)長期安全運行努力。

　　(5)加大運行監(jiān)測力度。很多人認(rèn)為電纜系統(tǒng)可以免維護，這種觀點是錯誤的。以前因為沒有好的監(jiān)測手段，電纜運行部門只能加強巡視，現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)，局部放電技術(shù)開始進入實用階段。各地運行部門應(yīng)根據(jù)實際情況開發(fā)或采用相應(yīng)的檢測手段，做到提前預(yù)防。