淺析高壓電力電纜擊穿與措施

焦宏所 劉召見 李影 常軍 馬龍

摘? 要：高壓電力電纜作為輸電系統(tǒng)的中樞紐帶，遍布整個電力系統(tǒng)的主干輸電線路。隨著人們用電需求的提高，高壓電力電纜的安全性和可靠性得到了很大提升，但高壓電纜擊穿問題依然存在，電纜的擊穿會嚴(yán)重影響電力的供應(yīng)。本文總結(jié)了二十多年來出廠檢驗(yàn)過程中電纜擊穿的實(shí)例，分析高壓電纜絕緣電擊穿類型，提出提升高壓電纜產(chǎn)品質(zhì)量的措施。

關(guān)鍵詞：高壓電纜;絕緣;擊穿

1? 引言

電纜絕緣只能在一定的電場強(qiáng)度以內(nèi)，才能保持介電特性。當(dāng)電場強(qiáng)度超過絕緣本身能夠承受的某一臨界值時，絕緣就會由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這一過程即為擊穿。一般固體電介質(zhì)擊穿分為電擊穿、熱擊穿及電化學(xué)擊穿。本文主要針對電纜絕緣電擊穿進(jìn)行探討。

電纜絕緣電擊穿是指在一定電場的環(huán)境下，因缺陷導(dǎo)致該處電場集中，周圍材料電極化，自由電子越來越多，最后形成連接導(dǎo)體至金屬護(hù)套的導(dǎo)電通道。下面針對出廠耐壓試驗(yàn)過程中擊穿進(jìn)行分析。

2? 擊穿點(diǎn)定位

擊穿點(diǎn)的粗測定位方法有：電橋法、駐波法、脈沖法和閃絡(luò)法;較精確的方法有音頻法和聲測法等等。但各種定位方法都會對擊穿點(diǎn)有不同程度的破壞，失去電樹枝擊穿形態(tài)。為準(zhǔn)確分析擊穿的原因，采用直接扒除金屬護(hù)套的方法，找到擊穿點(diǎn)后，對擊穿點(diǎn)進(jìn)行硅油試驗(yàn)，分析擊穿通道的類型。

3? 擊穿原因分析

針對各種擊穿圖像，可以將擊穿通道分成三種典型的類型：

3.1 類型一：絕緣內(nèi)部存在缺陷

擊穿通道：這類擊穿圖像顯示絕緣內(nèi)部擊穿通道兩頭粗、中間細(xì)，或者中間部分出現(xiàn)拐彎的情況，兩端均有明顯的電樹枝，有時電樹枝因擊穿時被破壞后留下較粗的擊穿通道。

原因分析：這類缺陷主要是絕緣內(nèi)部存在雜質(zhì)、粒子、氣隙等引起，這類缺陷較嚴(yán)重時，在局放試驗(yàn)過程中就會出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象，較輕微時在局放試驗(yàn)過程中沒有觀察到放電現(xiàn)象，但耐壓一段時間發(fā)生擊穿。雜質(zhì)有原材料本身異物或者在加料過程中異物進(jìn)入，但原材料本身異物的情況極少碰到。粒子、氣隙是擠出過程溫控異常以及絕緣內(nèi)部應(yīng)力過大等因素。

3.2 類型二：絕緣屏蔽存在缺陷

擊穿通道：靠近外屏蔽處絕緣擊穿通道較直，沒有明顯的電樹枝，另一端絕緣至內(nèi)屏蔽部分有明顯的電樹枝。

原因分析：這類擊穿起點(diǎn)是外屏蔽或靠近外屏蔽的絕緣。主要有外屏蔽與絕緣界面存在嚴(yán)重的凸凹（如焦燒顆粒），或在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中絕緣線芯碰傷。焦燒顆粒一般是擠出過程溫控異常造成，絕緣線芯碰傷如果露出絕緣，在局放過程中就會有明顯的放電現(xiàn)象，輕微碰傷會出現(xiàn)沒有觀察到放電現(xiàn)象，但耐壓一段時間發(fā)生擊穿。

3.3 類型三：導(dǎo)體屏蔽存在缺陷

擊穿通道：靠近內(nèi)屏蔽處絕緣擊穿通道較直，沒有明顯的電樹枝，另一端絕緣至外屏蔽部分有明顯的電樹枝。

原因分析：這類擊穿起點(diǎn)是內(nèi)屏蔽或靠近內(nèi)屏蔽的絕緣，主要有內(nèi)屏蔽與絕緣界面存在嚴(yán)重的凸凹（如焦燒顆粒）、或?qū)w缺陷。焦燒顆粒一般是擠出過程溫控異常造成，較深凹坑是導(dǎo)體外的繞包帶受損傷，在交聯(lián)管內(nèi)氮?dú)鈮毫?nèi)屏蔽壓入導(dǎo)體，絕緣隨著進(jìn)入內(nèi)屏蔽。導(dǎo)體缺陷是導(dǎo)體毛刺。

4? 預(yù)防措施

4.1 保證導(dǎo)體質(zhì)量

內(nèi)屏蔽料的電阻遠(yuǎn)大于導(dǎo)體電阻，內(nèi)屏蔽與導(dǎo)體并不是完全等電位體，也會存在電位差。只要有電位差，內(nèi)部的毛刺就會產(chǎn)生放電，因電位差很小，放電量也很小。如此處絕緣有微小缺陷，那么微小的放電也會引起絕緣的破壞，一旦達(dá)到影響絕緣性能的程度，就會引起絕緣擊穿。所以要避免導(dǎo)體毛刺等影響導(dǎo)體圓滑程度的缺陷，同時要避免屏蔽層厚薄不均，以此來削弱導(dǎo)體質(zhì)量對電纜質(zhì)量的影響。

4.2 保證凈化等級

絕緣的耐壓程度取決于材料的性能，目前要求絕緣料中存在的金屬雜質(zhì)直徑不大于50μm，非金屬雜質(zhì)直徑不大于70μm（更高的要求為不大于50μm）[1]，如果材料中混入異物會使電場分布不均勻，容易造成擊穿。所以生產(chǎn)的環(huán)境要保證作業(yè)過程及材料的流道符合相應(yīng)的凈化等級，如：換料作業(yè)，料斗、料道、過濾盤、機(jī)頭螺桿的清理組裝以及過濾網(wǎng)的選擇，此外建議對主機(jī)室進(jìn)行千級凈化，身著凈化服進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。

4.3 保證材料穩(wěn)定

如果材料不穩(wěn)定必然會在擠出過程中出現(xiàn)擠出參數(shù)的變化，形成缺陷。所以材料使用前必須經(jīng)過恒溫處理，屏蔽料要進(jìn)行烘料處理，絕緣料禁止不同批號混用。

4.4 保證擠出效果良好

電纜料的擠出性能主要與材料的粘度特性、分子量及其分布有關(guān)[2]，體現(xiàn)在擠出壓力及電機(jī)負(fù)載，取決于模具選配、過濾網(wǎng)選擇、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)頭結(jié)構(gòu)以及溫度控制。由于交聯(lián)絕緣料在115℃以上環(huán)境中停留超過15min就會逐步出現(xiàn)預(yù)交聯(lián)[3]，時間稍長就會形成塊狀物。如果料流存在死角，那么該處材料就會長時間處在流動異常的情況下，擠出的某一小區(qū)域材料容易改性最后形成粒子，使得場強(qiáng)畸變。所以既要保證材料實(shí)際溫度、螺桿轉(zhuǎn)速符合加工范圍，又要保證料流順暢、避免死角。

4.5 保證應(yīng)力消除

當(dāng)交聯(lián)線芯從交聯(lián)段至冷卻段過程中，溫度下降200余度。在這過程中，可能存在交聯(lián)線芯內(nèi)外層冷卻不均，導(dǎo)致絕緣芯層冷卻結(jié)晶[4]，結(jié)晶導(dǎo)致材料在亞微觀上的不均勻性[5];在絕緣內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力值超出材料的破壞強(qiáng)度就會導(dǎo)致了晶界無定型區(qū)的裂紋狀弱區(qū)出現(xiàn)。所以，從加熱到冷卻過程要梯度降溫、適當(dāng)降低表面溫度，從而達(dá)到絕緣緩慢冷卻。

4.6 保證脫氣要求

脫氣后降低絕緣內(nèi)交聯(lián)副產(chǎn)物的含量，揮發(fā)的交聯(lián)副產(chǎn)物給XLPE中引入了苯乙烯基和羰基兩種極性基團(tuán)[6]，使XLPE 絕緣的相對介電常數(shù)增大，XLPE 絕緣的電導(dǎo)率和低頻介質(zhì)損耗因數(shù)也增大。同時脫氣過程中外層絕緣的交聯(lián)副產(chǎn)物揮發(fā)量最大，內(nèi)層絕緣的揮發(fā)量最小，而交聯(lián)副產(chǎn)物在XLPE絕緣中的分布不均勻造成介電性能和力學(xué)性能分布不均勻。而相反，長時間抽真空脫氣，也會有不利影響。因?yàn)榻^緣內(nèi)部都有空間，這種空間很小，肉眼看不到。在絕緣線芯沒脫氣前，我們在硅油試驗(yàn)時，常看到有很大氣泡，是因?yàn)闅怏w受熱膨脹的緣故;在絕緣線芯脫氣后，原來的氣泡看不見。并不是氣體出去后原氣體占的空間已填滿，原氣體占的空間仍然存在，僅僅是因?yàn)樘?，肉眼看不到。在空間內(nèi)氣體很多，電子經(jīng)過空間時，與氣體發(fā)生多次碰撞，產(chǎn)生大量能量，引起放電。同樣，當(dāng)沒有氣體時，電子經(jīng)過空間時，沒有阻力，能產(chǎn)生加速，經(jīng)過空間后因加速也會產(chǎn)生大量能量，引起放電。因此，氣體不能多也不能少，即要嚴(yán)格執(zhí)行脫氣溫度及時間的工藝要求。

4.7 避免外力損傷

交聯(lián)線芯的損傷相當(dāng)于減薄了外屏厚度，當(dāng)損壞處外屏厚度不足以起到均化電場的作用時可能會發(fā)生擊穿。在外力沖擊的同時，也會在靠近外屏的絕緣上產(chǎn)生應(yīng)力。所以，從絕緣線芯擠出到下道工序生產(chǎn)都要注意線芯的防護(hù)。如：定期清理管道及排污系統(tǒng)，合理控制張力、懸垂、導(dǎo)輪防護(hù)、收線防護(hù)等線芯能接觸到的位置。

4.4 保證收線筒體滿足電纜彎曲半徑要求

彎曲半徑越小對絕緣線芯質(zhì)量影響越大，到了一定程度，影響較小，但仍有影響。因?yàn)榻^緣線芯纏繞在線盤上，絕緣外層與絕緣內(nèi)層因彎曲受拉伸程度不同，絕緣線芯外遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣線芯內(nèi)。絕緣與絕緣屏蔽的材料不同，斷裂伸長率差距很大。原來絕緣屏蔽與絕緣粘貼牢固是不可剝離的，在多次受力后，在絕緣與絕緣屏蔽界面上會產(chǎn)生滑動、輕微氣隙。如此處絕緣很好的情況下，可能沒問題。但此處絕緣如有微小缺陷，微小的放電也會引進(jìn)絕緣的破壞，當(dāng)放電量一旦達(dá)到影響絕緣性能的程度，就會引起絕緣擊穿。

5? 結(jié)論

根據(jù)高壓電纜的擊穿類型，從內(nèi)屏蔽、絕緣、外屏蔽三個方面找到造成絕緣線芯擊穿的原因，再從人、機(jī)、料、法、環(huán)各個環(huán)節(jié)對產(chǎn)生擊穿的原因準(zhǔn)確管控，才能逐漸提高高壓電纜的產(chǎn)品質(zhì)量，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn) References

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[5]謝安生.李盛濤.鄭曉泉.等.外施電壓頻率對XLPE電纜絕緣中電樹枝生長特性的影響[J].電工電能新技術(shù).2006：25（3）：33-36