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电缆终端绝缘击穿原因分析及对策探讨

时间:2015-10-10 16:41:05
四lil江口水力发电(集团)厂位于四川省宣汉县城东北1 km处,电厂总装机容量3 x 17 MW,以110kV和35 kV两个电压等级输电线路接入系统,担负调频(峰)、基荷任务,也可作调

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    四lil江口水力发电(集团)厂位于四川省宣汉县

城东北1 km处,电厂总装机容量3 x 17 MW,以110

kV和35 kV两个电压等级输电线路接入系统,担负

调频(峰)、基荷任务,也可作调相运行,于1992年5

月投产发电。35 kV开关站设在室内,采用35 kV单

芯交联聚乙烯电缆(型号YJV3。一120)出线上网。

相(室外)终端头接地铜辫处绝缘老化击穿;2013年

4月26日,一回供铁厂35 kV出线电缆B相(室内)

终端头接地铜辫处绝缘老化击穿。故障发生后,造

成电网35 kV线路被迫停运检修,电力输送减少。

针对此类故障,通常的处理办法是将电缆终端头大

约1 m的故障部分切除,再重新制作新的电缆头。

如重复数次,电缆长度逐渐减小,最终导致电缆因余

量不足而做中间接头将其接长,或重新购置新的电

缆。

螺旋电缆弹簧线故障情况

    厂内35 kV出线电缆终端头最初采用瓷质环氧

浇注,此类电缆头的优点是使用经久耐用、寿命长,

缺点是制作工期长、工艺复杂、受现场制作条件限制

多,且重量大,上架困难。随着新材料新技术的出

现,原瓷质环氧浇注电缆头逐步被冷、热缩电缆头取

代,冷、热缩电缆头制作工艺简单,现场制作方便、工

期短,电缆头重量轻,上架劳动强度低。因此,自

1992年以后,(集团)厂35 kV新增出线电缆终端逐

步被热缩电缆头取代(采用两端接地)。

    在运行过程中,热缩电缆头的缺陷逐渐暴露,即

易造成热缩电缆终端头铜辫接地处电缆绝缘老化击

穿(见图1),在(集团)厂5回35 kV出线电缆热缩

电缆头中,每年都有此类情况发生(户内、外均有)。

2013年4月15日,一回上国网35 kV出线电缆A

图1电缆绝缘老化击穿部位(铜辫接地处)

2  35 kV单芯电缆热缩终端头制作过程

    35 kV单芯交联聚乙烯电缆横截面分布(见图

2),从外至内依次为外层护套、钢恺、内层护套、铜

屏蔽带、外半导体层、线芯绝缘、内半导体层、铜芯

线。在热缩式终端头制作过程中,首先是在距电缆

端头大约800 mm处,将电缆外层护套、钢恺、内层

护套切除;剥下铜屏蔽带,留下100 mm左右铜带

后,将多余铜带切除,用工具将电缆端部至屏蔽断口20 mm处之间的外半导体层切掉,露出线芯绝缘;将

电缆端部大约40 mm线芯绝缘切除,做好应力锥,

套上线鼻子压紧,将剩余铜屏蔽带沿钢恺端面做翻

领,包住钢恺;压上接地铜辫(铜屏蔽层与钢恺连接

在一起接地),固定并焊接(锡焊)可靠(见图3);用

酒精清洗线芯绝缘,缠绕应力疏散胶,套上应力管热

缩,套上绝缘管热缩,在端子处填充密封胶,套上密

封管热缩,纵剖面(见图4);套上防雨裙热缩,试验

合格,制作完成。

集,电场强度高,电力线分布如图5所示。

图2故障电缆横切而分布

图3电缆屏蔽层接地

            图5屏蔽层断口处电力线分布图

    屏蔽层端部接地处线芯绝缘长期处在高电场强

度环境下工作,此电场强度比电缆芯线其他绝缘材

料所处工作环境电场强度要高,加速了屏蔽层断口

线芯绝缘的老化,使其更易被击穿。另外,35 kV为

中性点不接地系统,当发生单相接地时,其相电压升

至线电压,屏蔽层断口处电场强度将大幅提升,加速

了断口处绝缘老化击穿进程。

3. 2感应电流发热

    35 kV高压单芯电缆通电运行时,在屏蔽层会

形成感应电压,且随电缆长度和负荷的增加而增加。

在线路发生短路故障、遭受操作过电压和雷电侵入

波时,屏蔽层内会产生更高的感应电压,甚至击穿护

层绝缘,造成人身和设备安全事故。如果屏蔽层两

端直接接地,在屏蔽层与地之间形成回路,就产生感

应电流,其大小可达线路负荷电流的40%以上,使

整个电缆金属屏蔽层发热,产生电能损耗,加速电缆

绝缘热老化速度。(集团)厂现在运5回35 kV电缆

(大约100 m长)均采用两端直接接地,经试验检测

发现,屏蔽层感应电流随复合电流的增大而增大,如

表1所示。由于焊接原因,接地铜辫与屏蔽断口处

的接触电阻较大,当感应电流经过焊接处时,将产生

焦耳效应致其发热,加速接地处线芯绝缘的热老化

速度。

      表1线芯负荷电流与屏蔽层感应电流的关系

图4套装应力管

负荷电流/A

感应电流/A

35   79     160     250

15   3R     76       R2

3故障原因分析

3. 1屏蔽层断口电场分布发生改变

    35 kV单芯高压电缆每相线芯外均有一接地铜

屏蔽层,输送负荷的芯线与接地屏蔽层之间形成径

向分布的均匀电场,无轴向电场分布。在制作电缆

终端头时,接线端子至接地铜辫焊接处之间的铜屏

蔽层被切除,形成一个屏蔽断口,电场分布发生改

变,产生了轴向电场分量(沿导线轴向的电力线),

电场向屏蔽层断口集中,此部位电力线分布也最密

  ·76·

    以上两种原因,相互作用,加速电缆屏蔽层断口

处线芯绝缘老化,形成绝缘薄弱点,当遇到某一过电

压冲击时,此处绝缘易击穿,导致接地故障。

4对策探讨

4. 1加装均压罩,改变电场分布

    在电缆屏蔽断口处加装金属材质的均压罩(见

图6)或均压环,用于分散屏蔽层断口绝缘处集中的

电力线。均压罩成喇叭形状,底部内卷部分与电缆屏蔽层紧密连接在一起,改变屏蔽层断口(铜辫接

地处)的电场分布,增大径向电场分量,降低轴向电

场分量,降低屏蔽层断口处线芯绝缘所处位置的电

场强度,减缓屏蔽层电老化速度,达到延长电缆使用

寿命的目的。考虑到安装固定均压罩之后,妨碍应

力管、绝缘管(加热收缩)安装工作的开展,可以改

装均压环(针对35 kV单芯YJV30一120型电缆,见

图7)。在制作电缆终端过程中,将事先加工好的连

接片(2片,用金属材料制作)头部与接地铜辫一起

均匀地搭接在一起,并固定焊接,之后加装应力管热

缩,加装绝缘管热缩,从电缆接线端子处套入圆环

(金属材料制作)和绝缘支架,经电气试验合格后,

将电缆上架固定,铜辫接地,将连接片尾部沿虚线处

折叠与电缆轴向成45“角,并与圆环连接,再将圆环

和绝缘支架连接,均压环安装工作完成,整体成喇叭

形状。

    如图8所示,将电缆一端接地线直接接地,另一

端经保护器接地。保护器为一压敏电阻,护器上的

感应电压较低时,保护器呈高电阻状态,阻断接地回

路,限制流经接地铜辫的工频感应电流;当感应电压

较高时,保护器呈低电阻状态,接地回路导通,避免

电缆遭受短路电流及内、外过电压冲击时,在金属屏

蔽层产生的感应冲击过电压,使电缆金属屏蔽层所

产生的工频感应电流和过电压均得到限制,降低电

缆正常运行时铜辫焊接处的发热,减缓电缆绝缘热

老化速度,有效延长电缆的绝缘寿命。

勺一

          图8电缆屏蔽层一端经保护器接地

5结论

图6均压罩构想图

卜一早旦一门

折叠处

…囚回尾部

区叨{月月口旦

连接片

            图7均压环及绝缘支架构想图

4. 2加装保护器,降低或切断流经接地铜辫的工频

      感应电流

    (1>从电和热两方面分析了35 kV热缩电缆头

终端绝缘击穿的原因,提出电缆头终端因电场不均

匀分布和环流热效应联合作用是加速绝缘老化主

因,可为相关类似故障分析提供参考。

    (2)针对热缩电缆头终端绝缘易击穿这一实际

问题,提出了加装均压罩和接地保护器的方案,为解

决该类型设备运维中的问题提供了有效的方法,可

延长设备寿命。降低故障发生率。

    (3)所设计的均压罩在35 kV电缆运维应用中

取得良好的效果。但对于不同电压等级、不同型号

电缆,需结合施工工艺、实际运行工况作进一步的优

化设计。

作者简介:

    刘丰(1966),电气工程师,大学文化,副总工程师,主

要从事水电技术及安全工作。

                              (收稿日期:2014一OS一09)


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