寒冷條件下高壓電纜戶外充油終端故障分析

宋鵬先，李 帆，賀 春，趙 程，徐學剛，周鳳爭，魏 佳

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300372；3.天津市電力科技發(fā)展有限公司，天津300022）

0 引言

電力電纜以安全、可靠的特點，在供電領域應用廣泛，其運行特性對于提升供電的安全可靠性具有重大影響。高壓電纜終端作為高壓電纜的薄弱部位，其可靠性直接影響電力電纜的運行狀態(tài)[1]。高壓電纜終端根據(jù)結構分為干式電纜終端與充油電纜終端，其中充油電纜終端在高壓電纜終端中占有較大的比例，其結構為在電纜絕緣屏蔽層的端部加裝應力錐改善電場分布，套管內充以絕緣油作為外絕緣部分[2]。

高壓電纜終端故障時有發(fā)生，有關文獻對故障發(fā)生的機理和電纜終端絕緣油在電、熱等環(huán)境因素影響下發(fā)生老化進而影響電纜運行的過程進行了研究，但對在冬季極端寒冷環(huán)境下發(fā)生的高壓電纜終端故障研究較少[3-8]。本文分析2021年1月在天津地區(qū)發(fā)生的多起電纜終端故障原因，并提出相應解決措施。

1 故障概況

近年來，我國發(fā)生了多起35 kV及以上電壓等級的電纜及其附件故障。2013—2020年天津地區(qū)35 kV及以上電壓等級電纜及其附件發(fā)生故障430余起。其中，35 kV電纜及其附件故障189起，占35 kV電纜線路故障總數(shù)的51.9%；高壓電纜及其附件故障38起，占高壓電纜線路故障總數(shù)的57.6%。不同月份的戶外電纜終端故障情況見圖1，由圖1可知戶外電纜終端故障多發(fā)于冬季的11月、12月及次年1月，故障占比達56.9%。其中，1月份故障數(shù)占3個月故障總數(shù)的57%。可見，在冬季極端低溫環(huán)境下，戶外電纜終端易發(fā)生擊穿故障。

圖1 2013—2020年各月份戶外電纜終端故障情況

2021年1月，天津地區(qū)共發(fā)生高壓電纜終端故障7起，其中1月7日受寒潮天氣影響（最低溫度-20℃）連續(xù)發(fā)生5起故障。7起故障中高壓電纜戶外充油終端故障2起，干式電纜終端故障5起，涉及4個附件廠家，故障電纜線路信息見表1。同一時期對北京、河北、黑龍江、遼寧等6個地區(qū)電纜故障情況展開調研。1月7日，北京也發(fā)生了2起220 kV電纜戶外充油終端故障，附件廠家與天津發(fā)生故障的終端生產(chǎn)廠家相同，而冬季極寒天氣是造成戶外電纜終端故障的重要因素。

表1 故障電纜線路信息

2 故障現(xiàn)象與原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

對1月7日發(fā)生故障的220 kVⅠ號線路高壓電纜戶外充油終端故障相進行解體，見圖2。由圖2可見，當電纜終端發(fā)生故障時，存在填充油（硅油）凝固、應力錐處電纜主絕緣擊穿、應力錐內側有放電痕跡（外側無）問題。

圖2 電纜終端故障相解體

2.2 原因分析

引起寒冷條件下高壓電纜戶外充油終端發(fā)生故障的原因有以下幾點。

（1）應力錐表面涂覆油一般采用硅油或硅脂，在低溫下發(fā)生凝固，無法保證應力錐表面的光滑及應力錐與電纜本體的完全貼合，導致應力錐表面出現(xiàn)電場畸變，或與電纜本體之間出現(xiàn)間隙，引起局部電場畸變從而導致?lián)舸?/p>

（2）低溫下，應力錐的橡膠材料彈性下降，從而使應力錐與電纜本體之間出現(xiàn)間隙，造成局部電場畸變導致?lián)舸?/p>

（3）在極寒環(huán)境下，應力錐外部的填充油（硅油或聚異丁烯）發(fā)生凝固收縮，導致應力錐對電纜本體的抱緊力下降，從而出現(xiàn)間隙導致?lián)舸?/p>

由此可知，高壓電纜戶外充油終端所采用的絕緣油性能是低溫下高壓電纜戶外終端安全運行的重要影響因素。

3 高壓電纜終端絕緣油低溫性能

3.1 相關規(guī)范要求

電纜終端內的絕緣填充劑一般采用絕緣性能好、不易燃且黏度大的絕緣油。GB/T 11017.3—2014《額定電壓110 kV（Um=126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》和GB/T 18890.3—2015《額定電壓220 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》均規(guī)定：“液體絕緣填充劑應與相接觸的絕緣材料及結構材料相容。乙丙橡膠應力錐推薦采用硅油或聚異丁烯作為絕緣填充劑，硅橡膠應力錐推薦采用聚異丁烯或高黏度硅油作為絕緣填充劑”[9-10]。GB/T 11017.3—2014和GB/T 18890.3—2015對硅油和聚異丁烯的性能參數(shù)要求一致，分別見表2和表3。

表2 硅油性能

表3 聚異丁烯性能

由表2和表3可知，現(xiàn)有國家標準中填充油參數(shù)主要考慮高溫、過熱狀態(tài)下的性能，缺少傾點、凝點等低溫下的物理性能參數(shù)，并且未考慮低溫下填充油凝固狀態(tài)對終端內部絕緣性能的影響。

3.2 硅油性能

3.2.1 黏度

在同一溫度下，硅油的黏度隨著分子量的增加而上升，分子量越大，黏度越大[11]。對于相同分子量的硅油，其黏度與溫度成反比。圖3為德國瓦克公司生產(chǎn)的硅油溫度-黏度曲線。隨著溫度的降低，硅油的黏度不斷上升。

圖3 硅油溫度-黏度曲線

3.2.2 傾點

硅油的傾點隨硅油分子量的增加而上升，德國瓦克公司生產(chǎn)的硅油的傾點隨分子量從小到大由-68℃增加到-40℃，表4為該公司生產(chǎn)的不同型號硅油對應的傾點，硅油型號中的數(shù)字代表該硅油在25℃時的運動黏度。

表4 瓦克公司不同型號硅油對應傾點 ℃

3.3 聚異丁烯性能

3.3.1 黏度

聚異丁烯的黏度隨分子量增加而上升，且絕大部分聚異丁烯產(chǎn)品的分子量在達到1×104~2×105時，會由黏稠狀液體轉變成發(fā)黏的半固體，再過渡到橡膠狀彈性體[12]。目前應用在電纜終端的聚異丁烯產(chǎn)品的分子量在800~1300。

3.3.2 傾點

聚異丁烯的傾點同樣隨分子量的增加而升高。表5為韓國大林公司生產(chǎn)的不同型號聚異丁烯對應傾點，產(chǎn)品型號中的數(shù)字與產(chǎn)品的分子量有關，分子量越大，產(chǎn)品型號中的數(shù)字越大。根據(jù)表5可以看出，隨著分子量增大，聚異丁烯的傾點由-47℃上升到18℃。

表5 大林公司不同型號聚異丁烯對應傾點 ℃

相比硅油，不同型號聚異丁烯對應的傾點分布更為廣泛，高壓電纜終端在選擇聚異丁烯作為絕緣油時，特別是電纜終端在低溫環(huán)境下運行時，應注意產(chǎn)品的傾點。

4 國內絕緣油使用情況

調研國內7個電纜附件廠應力錐材料與填充油匹配情況見表6（3號電纜附件為國外廠家，未列出）。北京和天津地區(qū)發(fā)生故障的高壓電纜終端為1號廠家產(chǎn)品，其應力錐為硅橡膠材料，匹配的低黏度硅油，不符合國家標準要求。在冬季嚴寒環(huán)境下，當絕緣油溫度低于硅油傾點（-18℃）時，硅油發(fā)生凝固，使應力錐與電纜主絕緣界面出現(xiàn)間隙，進而造成局部電場畸變，導致?lián)舸┕收习l(fā)生。其余6個廠家生產(chǎn)的戶外終端絕緣油與應力錐匹配均符合國家標準要求。

表6 不同廠家應力錐材料與填充油匹配情況

5 結論和建議

本文針對冬季高壓電纜終端的故障，對終端絕緣油低溫性能進行分析，得出以下結論。

（1）冬季天氣寒冷會導致高壓電纜終端中的絕緣油凝固，應力錐與電纜本體界面出現(xiàn)間隙，造成局部電場畸變從而導致?lián)舸┕收习l(fā)生，這是冬季高壓電纜發(fā)生故障的主要原因。

（2）絕緣油凝固會威脅高壓電纜終端的正常運行，常用的高壓電纜終端絕緣油（硅油和聚異丁烯）的傾點均隨產(chǎn)品分子量的增加而上升，且聚異丁烯不同產(chǎn)品之間傾點差異較大。在選擇高壓電纜終端絕緣油時，應嚴格遵守國家標準，并特別注意產(chǎn)品的傾點等低溫特性。

（3）現(xiàn)行國家標準中，對于用作高壓電纜終端的絕緣油（硅油、聚異丁烯）的低溫性能無明確規(guī)定，建議在標準中明確絕緣油最高傾點。