雜質(zhì)引發(fā)高壓電纜戶外終端硅橡膠電樹枝絕緣擊穿分析*

周鳳爭(zhēng)，宋鵬先，朱曉輝，孟崢崢，李 旭，朱明正，于 洋，房晟辰

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384）

目前高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜線路以其安全可靠、節(jié)省空間和節(jié)約城市土地資源的特點(diǎn)，得到越來越多的應(yīng)用。尤其是高壓變電站內(nèi)變壓器和氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）之間、高壓變電站與高壓變電站之間廣泛采用高壓電纜線路進(jìn)行連接。高壓電纜線路的安全運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行具有重要意義。

圖1 高壓電纜戶外終端結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of high voltage outdoor cable terminal

電纜附件是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)，近年來系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生多起高壓電纜戶外終端絕緣擊穿故障，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)主要原因是終端內(nèi)部存在雜質(zhì)引起的硅橡膠電樹枝放電缺陷。電樹枝老化是導(dǎo)致硅橡膠電纜附件劣化的首要原因,文獻(xiàn)[1-7]對(duì)硅橡膠電樹枝放電的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，主要采用硅橡膠試樣在各種試驗(yàn)條件下進(jìn)行的模擬分析，缺少實(shí)際的案例分析。本文針對(duì)一起220kV高壓電纜戶外終端硅橡膠電樹枝絕緣擊穿故障進(jìn)行了深入分析，并提出預(yù)防措施。高壓電纜戶外終端的結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)主要包括高壓電纜本體、硅橡膠應(yīng)力錐、戶外瓷套或復(fù)合套管以及內(nèi)部填充的硅油。

1 高壓電纜戶外終端故障分析與仿真

1.1 高壓電纜戶外終端故障分析

一條220kV高壓電纜戶外終端發(fā)生絕緣擊穿故障，電纜一相套管終端向避雷器側(cè)傾斜45度，塔下有大片油跡及套管支撐絕緣子碎片，如圖2所示。

圖2 220kV高壓電纜戶外終端故障圖Fig.2 Insulation breakdown of 220kV high voltage outdoor cable terminals

對(duì)故障終端進(jìn)行故障解剖分析，其故障擊穿路徑如圖3所示，擊穿路徑一端位于應(yīng)力錐內(nèi)部半導(dǎo)電處，另一端位于電纜本體上與應(yīng)力錐交界處。

圖3 故障擊穿路徑圖Fig.3 Path of insulation breakdown

應(yīng)力錐與電纜本體故障點(diǎn)的相對(duì)位置，如圖4所示。

圖4 故障點(diǎn)與電纜的相對(duì)位置圖Fig.4 Relative position between cable and insulation breakdown point

在擊穿通道周圍，有明顯的電樹枝放電痕跡，如圖5所示。通過近距離觀察應(yīng)力錐表面，可以看到，在擊穿路徑旁邊存在一獨(dú)立的放電痕跡。

圖5 應(yīng)力錐表面電樹痕跡Fig.5 Electrical tree on the surface of stress cone

如果擊穿是由絕緣油質(zhì)量問題或者受潮導(dǎo)致，則在應(yīng)力錐表面會(huì)留下環(huán)狀或者面狀的放電痕跡，而不會(huì)形成圖中單獨(dú)的一個(gè)放電點(diǎn)。分析認(rèn)為，在終端施工過程中，應(yīng)力錐表面存在臟污，或者在安裝過程中，如吊裝瓷套管時(shí)落入了其他雜質(zhì)。在運(yùn)行過程中，雜質(zhì)在電場(chǎng)力或絕緣油熱對(duì)流的作用下，吸附在應(yīng)力錐表面上的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域，造成應(yīng)力錐表面場(chǎng)強(qiáng)畸變并在表面形成電樹，電樹向距離最近的地電位處發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，形成了由電纜導(dǎo)體經(jīng)過主絕緣、應(yīng)力錐絕緣部分至應(yīng)力錐半導(dǎo)電部分的擊穿通道，放電能力通過半導(dǎo)體部分對(duì)地釋放，引起套管尾部炸裂，擊穿過程示意圖如圖6所示。

圖6 擊穿過程示意圖Fig.6 The processes of Insulation breakdown

1.2 仿真分析

采用ansoft maxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件對(duì)圖1所示的220kV高壓電纜戶外充油終端進(jìn)行了仿真分析，其電位分布圖和電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖分別如圖7和圖8所示。在圖7中，紅色為高電位，最高為相電壓127kV，藍(lán)色為地電位0V，在應(yīng)力錐以下部分，電位分布主要集中在XLPE絕緣部分，應(yīng)力錐以上部分，電壓分布從高壓線芯過渡到應(yīng)力錐。在圖8的高壓電纜戶外終端場(chǎng)強(qiáng)分布圖中，可以看出，在應(yīng)力錐以下部分，場(chǎng)強(qiáng)集中在XLPE絕緣中；在應(yīng)力錐以上部分，場(chǎng)強(qiáng)主要集中在應(yīng)力錐喇叭口端部。

圖7 高壓電纜戶外終端電位分布圖Fig.7 Voltage distribution of high voltage outdoor cable terminal

圖8 高壓電纜戶外終端場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.8 Field strength distribution of high voltage outdoor cable terminal

在圖9所示存在獨(dú)立電樹枝放電的位置設(shè)置1mm金屬雜質(zhì)，經(jīng)過有限元的電場(chǎng)分析，圖10為含有金屬雜質(zhì)和不含金屬雜質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度沿著圖8中擊穿通道的分布圖。含有金屬雜質(zhì)會(huì)引起局部電場(chǎng)畸變，形成電樹枝放電，電樹向距離最近的地電位處發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

圖9 金屬雜質(zhì)和擊穿通道示意圖Fig.9 Metal impurity and the path of insulation breakdown

圖10 擊穿通道的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig.10 Electric field intensity distribution along the path of insulation breakdown

2 總結(jié)

通過上述故障的解體和仿真分析，表明高壓電纜戶外終端內(nèi)部還有雜質(zhì)會(huì)引起電場(chǎng)畸變，引起電樹枝放電和絕緣擊穿故障。針對(duì)此類問題應(yīng)加強(qiáng)：

（1）高壓電纜戶外終端施工工藝的管理，嚴(yán)格按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 344-2010《額定電壓66kV～220kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜戶外終端安裝規(guī)程》，應(yīng)搭建工棚，并采取措施凈化施工環(huán)境，避免在應(yīng)力錐安裝和套管安裝與充油過程中引入雜質(zhì)。

（2）對(duì)有運(yùn)行隱患的高壓電纜戶外終端應(yīng)進(jìn)行局部放電和紅外熱像儀帶電檢測(cè)，如有異常及時(shí)處理。