220 kV電纜線路終端故障及仿真分析

曹京滎， 查顯光， 陳 杰， 周遠翔， 譚 笑， 李陳瑩， 胡麗斌

(1. 國網(wǎng)電力系統(tǒng)人工智能聯(lián)合實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院)， 江蘇 南京 211103；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024; 3. 清華大學電機系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084)

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快以及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，用電量逐年增高，電力電纜的需求量正在飛速增長[1-3]。由于電力電纜采用封閉式緊湊型結(jié)構(gòu)，且絕大多數(shù)為固體擠塑材料絕緣材料，一旦發(fā)生故障往往存在定位難、修復周期長、停電損失大的問題[4-6]。

電纜線路由電纜本體及附件組成，而電纜附件是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)。電纜內(nèi)因造成電纜故障的事件中，有90%都是由于附件原因造成。許多高壓電纜線路接頭施工階段存在的隱患漸漸暴露出來，高壓電纜接頭故障率逐年增加[7-8]。因此，分析電纜故障原因并有針對性地提出施工改進措施和建議，對于保證電纜線路可靠性，降低電纜故障率具有重要意義[9]。目前國內(nèi)外的研究主要是針對實驗室制備的電纜絕緣材料的破壞機理進行分析[10-16]，包括絕緣材料內(nèi)部電樹枝老化、空間電荷等問題，而對于現(xiàn)場電纜終端現(xiàn)場施工缺陷與故障原因的關(guān)聯(lián)分析研究較少。

本文針對220 kV電纜故障終端開展分析，得出電纜故障原因，并提出處置建議，為防范類似故障提供借鑒。

1 電纜終端事故過程

2017年1月24日5時17分，某220 kV高壓電纜線路發(fā)生A相接地短路故障，開關(guān)三相跳開后重合不成功。故障電流43.81 A(二次值、CT變比2500/5)，一次故障電流21 905 A，故障測距距離東青變5.7 km。

經(jīng)故障巡查發(fā)現(xiàn)，220 kV線3號桿A相電纜終端頭損壞。該220 kV線投運于2015年，線路全長6.069 km，為架空-電纜混合線路。電纜型號為ZC-YJLW03-Z 127/220-1×2500 mm2，電纜終端型號為YJZWC4。

2 故障終端檢測

2.1 解體檢查

對故障電纜終端進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象主要呈現(xiàn)以下特征：

(1) 終端接頭封鉛脫離，尾管炸裂；

(2) 三元乙丙橡膠預制件部分遺失，部分銅網(wǎng)剝離缺失；

(3) 在應力錐內(nèi)部半導電零位線上2 cm絕緣處發(fā)生擊穿；

(4) 在應力錐內(nèi)部擊穿點上部出現(xiàn)裂痕，電纜絕緣表面碳化嚴重，并且出現(xiàn)燒痕；

(5) 擊穿點部位絕緣外半導電層外翻,并且在擊穿點背側(cè)應力錐底部位置距離外半導電層末端55 mm；

(6) 應力錐半導電層末端往下20 mm和50 mm處半導電層過渡段傾斜(見圖1)。

圖1 終端擊穿故障解體檢測Fig.1 Detection of the breakdown failure of terminal

2.2 X射線檢測

對解體后的電纜終端應力錐部位及電纜主絕緣進行X 射線檢測，結(jié)果如圖2所示：

(1) 電纜絕緣擊穿通道，沿下部軸向方向傾斜(見圖2a)，溝壑碳化區(qū)域未發(fā)現(xiàn)與線芯貫穿通道；

(2) 電纜撕裂面內(nèi)部貫穿到銅芯，撕裂處與擊穿點沿銅芯貫通(見圖2b)。

圖2 X射線檢測結(jié)果Fig.2 X-ray test results

結(jié)合以往電纜故障分析經(jīng)驗，可能導致本次故障的原因主要包括如下幾個方面：

(1) 電纜附件安裝過程存在施工缺陷；

(2) 電纜本體存在質(zhì)量問題；

(3) 電纜附件應力錐設(shè)計存在問題；

(4) 電纜附件應力錐材料存在問題。

對現(xiàn)場電力電纜附件絕緣材料和應力錐材料進行性能分析，其均滿足相應的電纜標準。由圖1可知，電纜外半導層存在打磨不平現(xiàn)象，過渡不平滑。此外，根據(jù)電纜附件廠家提供的終端安裝記錄，電纜外半導電層外徑測量值114.9 mm，應力錐內(nèi)徑測量值為106 mm，過盈量 8.9 mm，高于安裝工藝要求11.2%(安裝工藝為4～8 mm)。由此可見，電纜附件安裝過程存在一定施工缺陷。

3 電場強度分析

為了探析電纜施工缺陷對電纜附件電場，依據(jù)附件商提供的220 kV YJZWC4電纜終端圖紙，采用有限元分析方法對電纜附件內(nèi)部進行電場仿真計算分析。

如圖3所示，電場仿真計算范圍取電纜終端中部840×338 mm的矩形區(qū)域，包括電纜銅導體、電纜外半導電層、電纜附件應力錐、電纜附件應力錐罩等結(jié)構(gòu)，該區(qū)域為電場強度最高、變化最大區(qū)域。

圖3 仿真區(qū)域示意Fig.3 Diagram of simulation area

仿真過程中，對220 kV瓷套終端模型施加128 kV的電壓，并依據(jù)長纜附件提供的參數(shù)，對仿真區(qū)域不同材料進行了定義。同時，針對電纜外半導電過渡處打磨良好以及打磨不平等現(xiàn)象分別進行電場仿真。

3.1 電纜外半導電過渡處打磨良好

此時，電纜終端應力錐與電纜緊密貼合，電纜終端電勢如圖4所示，電纜終端電勢等位線如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)其等位線均勻分布，未發(fā)現(xiàn)明顯電場畸變點。

圖4 220 kV瓷套終端電勢分布Fig.4 Potential distribution of 220 kV terminal

圖5 220 kV瓷套終端等位線分布Fig.5 Equipotential line distribution of 220 kV terminal

圖6為220 kV瓷套終端電場強度示意圖，從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電場強度最大點位于電纜本體主絕緣中，值為6.6 kV/mm，小于GB/T 18890.2—2015 中規(guī)定的交聯(lián)聚乙烯擊穿場強30 kV/mm[17]。應力錐絕緣中電場最大值為4.6 kV/mm，小于長纜附件提供的三元乙丙橡膠材料的擊穿場強35 kV/mm。

圖6 220 kV瓷套終端電場強度分布Fig.6 Electric field distribution of 220 kV terminal

3.2 電纜外半導電過渡處打磨不良

若電纜終端應力錐與電纜貼合不良，則會在電纜絕緣與應力錐絕緣交界面存在微小氣隙。此時電場強度如圖7所示，在氣隙處電場強度最大，為9 kV/mm，大于空氣擊穿場強會導致局部放電出現(xiàn)。

圖7 220 kV瓷套終端電場強度分布Fig.7 Electric field distribution of 220 kV terminal

3.3 故障原因分析

綜合分析上述檢測試驗結(jié)果，外半導電層過渡處打磨不平、電纜附件應力錐過盈量超過技術(shù)文件要求。當電纜半導電過渡處打磨不平時，會導致電纜絕緣與應力錐絕緣交界面存在微小氣隙，在220 kV線路運行電壓作用下會引起局部放電從而引起絕緣劣化，從而導致絕緣材料內(nèi)部電樹枝老化或者擊穿現(xiàn)象發(fā)生[18-20]；當電纜附件應力錐過盈量超標時，會導致應力錐在預擴張過程中形成機械損傷而導致電氣性能下降。仿真發(fā)現(xiàn)，在應力錐、電纜表面貼合良好時，運行電壓下應力錐、電纜主絕緣最大電場強度分別為4.6 kV/mm、6.6 kV/mm，均遠小于對應絕緣材料的擊穿場強，而應力錐、電纜表面貼合不良交界面存在微小氣隙時，運行電壓下氣隙內(nèi)部電場強度為9 kV/mm，大于空氣3 kV/mm的空氣擊穿場強，表明運行電壓下氣隙內(nèi)部存在放電現(xiàn)象。

在上述因素的綜合作用下，電纜主絕緣與電纜附件應力錐交界面局部放電現(xiàn)象增加、電纜附件硅橡膠預制件絕緣性能下降從而引發(fā)該處絕緣擊穿導致電纜終端故障。

4 結(jié)語

電纜終端應力錐、電纜表面貼合不良、交界面存在微小氣隙時，在運行電壓下，氣隙內(nèi)部長期放電引起主絕緣破壞是造成電纜故障的原因。

建議加強電纜終端制作單位工藝技術(shù)水平，切實提高電纜附件現(xiàn)場制作質(zhì)量；加強電纜終端制作現(xiàn)場技術(shù)監(jiān)督工作，仔細核查應力錐尺寸過盈量、電纜外半導電層過渡平整性等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；針對同批次在運電纜終端進行排查，重點篩查應力錐過盈量等技術(shù)參數(shù)；對發(fā)現(xiàn)的應力錐過盈量嚴重超標的電纜終端，采用電纜局放重癥監(jiān)護等裝備進行局部放電情況實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)局放量有增大趨勢時，應及時進行更換。