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高壓電纜故障分析
日期：2024-04-17 04:10
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摘要：
高壓電纜故障分析 |
| 簡介：按照故障產生的原因進行分類大致分為以下幾類：廠家製造原因、施工質量原因、設計單位設計原因、外力破壞四大類。製作電纜頭應用的材料分析及改善電場分布的措施。 關鍵字：電場應力、電纜終端頭 一、高壓電纜故障分析 按照故障產生的原因進行分類大致分為以下幾類：廠家製造原因、施工質量原因、設計單位設計原因、外力破壞四大類。下麵進行分類介紹： 1、廠家製造原因 廠家製造原因根據發生部位不同，又分為電纜本體原因、電纜接頭原因、電纜接地係統原因三類。 1.1電纜本體製造原因 一般在電纜生產過程中容易出現的問題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內有雜質、內外屏蔽有突起、交聯度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護套密封**等，有些情況比較嚴重可能在竣工試驗中或投運後不久出現故障，大部分在電纜係統中以缺陷形式存在，對電纜長期**運行造成嚴重隱患。 1.2電纜接頭製造原因 高壓電纜接頭以前用繞包型、模鑄型、模塑型等類型，需要現場製作的工作量大，並且因為現場條件的限製和製作工藝的原因，絕緣帶層間不可避免地會有氣隙和雜質，所以容易發生問題。現在國內普遍采用的型式是組裝型和預製型。 電纜接頭分為電纜終端接頭和電纜中間接頭，不管什麼接頭形式，電纜接頭故障一般都出現在電纜絕緣屏蔽斷口處，因為這裡是電應力集中的部位，因製造原因導致電纜接頭故障的原因有應力錐本體製造缺陷、絕緣填充劑問題、密封圈漏油等原因。 1.3電纜接地係統 電纜接地係統包括電纜接地箱、電纜接地保護箱（帶護層保護器）、電纜交叉互聯箱、護層保護器等部分。一般容易發生的問題主要是因為箱體密封不好進水導致多點接地，引起金屬護層感應電流過大。另外護層保護器參數選取不合理或質量不好氧化鋅晶體不穩定也容易引發護層保護器損壞。 2、施工質量原因 因為施工質量導致高壓電纜係統故障的事例很多，主要原因有以下幾個方麵：一是現場條件比較差，電纜和接頭在工廠製造時環境和工藝要求都很高，而施工現場溫度、濕度、灰塵都不好控製。二是電纜施工過程中在絕緣表麵難免會留下細小的滑痕，半導電顆粒和砂布上的沙粒也有可能嵌入絕緣中，另外接頭施工過程中由於絕緣暴露在空氣中，絕緣中也會吸入水分，這些都給長期**運行留下隱患。三是安裝時冇有嚴格按照工藝施工或工藝規定冇有考慮到可能出現的問題。四是竣工驗收采用直流耐壓試驗造成接頭內形成反電場導致絕緣破壞。五是因密封處理不善導致。中間接頭必須采用金屬銅外殼外加PE或PVC絕緣防腐層的密封結構，在現場施工中保證鉛封的密實，這樣有效的保證了接頭的密封防水性能。 3、設計原因 因電纜受熱膨脹導致的電纜擠傷導致擊穿。交聯電纜負荷高時，線芯溫度升高，電纜受熱膨脹，在隧道內轉彎處電纜頂在支架立麵上，長期大負荷運行電纜蠕動力量很大，導致支架立麵壓破電纜外護套、金屬護套，擠入電纜絕緣層導致電纜擊穿。 二、高壓電纜頭製作技術 1、高壓電纜頭的基本要求 電纜終端頭是將電纜與其他電氣設備連接的部件，電纜中間頭是將兩根電纜連接起來的部件，電纜終端頭與中間頭統稱為電纜附件。電纜附件應與電纜本體一樣能長期**運行，並具有與電纜相同的使用壽命。良好的電纜附件應具有以下性能： 線芯聯接好:主要是聯接電阻小而且聯接穩定，能經受起故障電流的衝擊；長期運行後其接觸電阻不應大於電纜線芯本體同長度電阻的1.2倍；應具有一定的機械強度、耐振動、耐腐蝕性能；此外還應體積小、成本低、便於現場安裝。 絕緣性能好:電纜附件的絕緣性能應不低於電纜本體，所用絕緣材料的介質損耗要低，在結構上應對電纜附件中電場的突變能完善處理，有改變電場分布的措施。 2、電場分布原理 高壓電纜每一相線芯外均有一接地的（銅）屏蔽層，導電線芯與屏蔽層之間形成徑向分布的電場。也就是說，正常電纜的電場隻有從（銅）導線沿半徑向（銅）屏蔽層的電力線，冇有芯線軸向的電場（電力線），電場分布是均勻的。 在做電纜頭時，剝去了屏蔽層，改變了電纜原有的電場分布，將產生對絕緣極為不利的切向電場（沿導線軸向的電力線）。在剝去屏蔽層芯線的電力線向屏蔽層斷口處集中。那麼在屏蔽層斷口處就是電纜*容易擊穿的部位。電纜*容易擊穿的屏蔽層斷口處，我們采取分散這集中的電力線（電應力），用介電常數為20~30，體積電阻率為108~1012Ω•cm材料製作的電應力控製管（簡稱應力管），套在屏蔽層斷口處，以分散斷口處的電場應力（電力線），保證電纜能可靠運行。 要使電纜可靠運行，電纜頭製作中應力管非常重要，而應力管是在不破壞主絕緣層的基礎上，才能達到分散電應力的效果。在電纜本體中，芯線外表麵不可能是標準圓，芯線對屏蔽層的距離會不相等，根據電場原理，電場強度也會有大小，這對電纜絕緣也是不利的。為儘量使電纜內部電場均勻，芯線外有一外表麵圓形的半導體層，使主絕緣層的厚度基本相等，達到電場均勻分布的目的。 在主絕緣層外，銅屏蔽層內的外半導體層，同樣也是消除銅屏蔽層不平，防止電場不均勻而設置的。 為儘量使電纜在屏蔽層斷口處電場應力分散，應力管與銅屏蔽層的接觸長度要求不小於20mm，短了會使應力管的接觸麵不足，應力管上的電力線會傳導不足（因為應力管長度是一定的），長了會使電場分散區（段）減小，電場分散不足。一般在20~25mm左右。 在做中間接頭時，必須把主絕緣層也剝去一部分，芯線用銅接管壓接後，用填料包平（圓）。有二種製作方法： 熱縮套管: 用熱縮材料製作的主絕緣套管縮住，主絕緣套管外縮半導體管，再包金屬屏蔽層，*後外護套管。 預製式附件: 所用材料一般為矽橡膠或乙丙橡膠。為中空的圓柱體，內孔壁是半導體層，半導體層外是主絕緣材料。 預製式安裝要求比熱縮的高，難度大。管式預製件的孔徑比電纜主絕緣層外徑小2~5mm。中間接頭預製管要兩頭都套在電纜的主絕緣層外，各與主絕緣層連接長度不小於10mm。電纜主絕緣頭上不必削鉛筆頭（在電纜芯線上儘量留半導體層）。銅接管表麵要處理光滑，包適量填料。 關鍵技術問題：附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合要符合規定的要求。另外也需采用矽脂潤滑界麵，以便於安裝,同時填充界麵的氣隙，消除電暈。預製附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定密封作用，有時可采用密封膠及彈性夾具增強密封。預製管外麵同熱縮的一樣，半導體層和銅屏蔽層，*外麵是外護層。 3、電纜終端電應力控製方法 電應力控製是中高壓電纜附件設計中的極為重要的部分。電應力控製是對電纜附件內部的電場分布和電場強度實行控製，也就是采取適當的措施，使得電場分布和電場強度處於*佳狀態，從而提高電纜附件運行的可靠性和使用壽命。 對於電纜終端而言，電場畸變*為嚴重，影響終端運行可靠性*大的是電纜外屏蔽切斷處，而電纜中間接頭電場畸變的影響，除了電纜外屏蔽切斷處，還有電纜末端絕緣切斷處。為了改善電纜絕緣屏蔽層切斷處的電應力分布，一般采用以下幾種方法： 3.1 幾何形狀法 采用應力錐緩解電場應力集中： 應力錐設計是常見的方法，從電氣的角度上來看也是*可靠的*有效的方法。應力錐通過將絕緣屏蔽層的切斷處進行延伸，使零電位形成喇叭狀，改善了絕緣屏蔽層的電場分布，降低了電暈產生的可能性，減少了絕緣的破壞，保證了電纜的運行壽命。 采用應力錐設計的電纜附件有繞包式終端、預製式終端、冷縮式終端。 3.2 參數控製法 采用高介電常數材料緩解電場應力集中高介電常數材料：采用應力控製層---上世紀末國外開發了適用於中壓電纜附件的所謂應力控製層。其原理是采用合適的電氣參數的材料複合在電纜末端屏蔽切斷處的絕緣表麵上，以改變絕緣表麵的電位分布，從而達到改善電場的目的。另一方法是增大屏蔽末端絕緣表麵電容（Cs)，從而降低這部分的容抗，也能使電位降下來，容抗減小會使表麵電容電流增加，但不會導致發熱，由於電容正比於材料的介電常數，也就是說要想增大表麵電容，可以在電纜屏蔽末端絕緣表麵附加一層高介電常數的材料。 目前應力控製材料的產品已有熱縮應力管、冷縮應力管、應力控製帶等等，一般這些應力控製材料的介電常數都大於20，體積電阻率為108-1012Ω.cm。應力控製材料的應用，要兼顧應力控製和體積電阻兩項技術要求。 雖然在理論上介電常數是越高越好，但是介電常數過大引起的電容電流也會產生熱量，促使應力控製材料老化。同時應力控製材料作為一種高分子多相結構複合材料，在材料本身配合上，介電常數與體積電阻率是一對矛盾，介電常數做得越高，體積電阻率相應就會降低，並且材料電氣參數的穩定性也常常受到各種因素的影響，在長時間電場中運行，溫度、外部環境變化都將使應力控製材料老化，老化後的應力控製材料的體積電阻率會發生很大的變化，體積電阻率變大，應力控製材料成了絕緣材料，起不到改善電場的作用，體積電阻率變小，應力控製材料成了導電材料，使電纜出現故障。這就是應用應力控製材料改善電場的熱縮式電纜附件為什麼隻能用於中壓電力電纜線路和熱縮式電纜附件經常出現故障的原因所在，同樣采用冷縮應力管和應力控製帶的電纜附件也有類似問題。 采用非線性電阻材料---非線性電阻材料（FSD）也是近期發展起來的一種新型材料，它利用材料本身電阻率與外施電場成非線性關係變化的特性，來解決電纜絕緣屏蔽切斷處電場集中分布的問題。非線性電阻材料具有對不同的電壓有變化電阻值的特性。當電壓很低的時候，呈現出較大的電阻性能；當電壓很高的時候，呈現出較小的電阻性能。采用非線性電阻材料能夠生產出較短的應力控製管，從而解決電纜采用高介電常數應力控製管終端無法適用於小型開關櫃的問題。 非線性電阻材料亦可製成非線性電阻片（應力控製片），直接繞包在電纜絕緣屏蔽切斷處上，緩解這一點的應力集中的問題。 4、中低壓電纜附件主要種類 中低壓電纜附件目前使用得比較多的產品種類主要有熱收縮附件、預製式附件、冷縮式附件。它們分彆有以下特點： 4.1 熱收縮附件 所用材料一般為以聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯（EVA）及乙丙橡膠等多種材料組分的共混物組成。該類產品主要采用應力管處理電應力集中問題。亦即采用參數控製法緩解電場應力集中。主要優點是輕便、安裝容易、性能尚好，價格便宜。 應力管是一種體積電阻率適中（1010-1012Ωcm），介電常數較大（20--25）的特殊電性參數的熱收縮管，利用電氣參數強迫電纜絕緣屏蔽斷口處的應力疏散成沿應力管較均勻的分布。這一技術一般用於35kV及以下電纜附件中。因為電壓等級高時應力管將發熱而不能可靠工作。 其使用中關鍵技術問題是： 要保證應力管的電性參數必須達到上述標準規定值方能可靠工作。另外要注意用矽脂填充電纜絕緣半導電層斷口出的氣隙以排除氣體，達到減小局部放電的目的。交聯電纜因內應力處理**時在運行中會發生較大收縮，因而在安裝附件時注意應力管與絕緣屏蔽搭蓋不少於20mm，以防收縮時應力管與絕緣屏蔽脫離。熱收縮附件因彈性較小，運行中熱脹冷縮時可能使界麵產生氣隙，因此密封技術很重要，以防止潮氣浸入。 4.2 預製式附件 所用材料一般為矽橡膠或乙丙橡膠。主要采用幾何結構法即應力錐來處理應力集中問題。其主要優點是材料性能優良，安裝更簡便快捷，無需加熱即可安裝，彈性好，使得界麵性能得到較大改善。是近年來中低壓以及高壓電纜采用的主要形式。存在的不足在於對電纜的絕緣層外徑尺寸要求高，通常的過盈量在2～5mm（即電纜絕緣外徑要大於電纜附件的內孔直徑2～5mm），過盈量過小，電纜附件將出現故障；過盈量過大，電纜附件安裝非常困難（工藝要求高）。特彆在中間接頭上問題突出，安裝既不方便，又常常成為故障點。此外價格較貴。 其使用中關鍵技術問題是： 附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合要符合規定的要求。另外也需采用矽脂潤滑界麵，以便於安裝,同時填充界麵的氣隙。預製附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定密封作用，有時可采用密封膠及彈性夾具增強密封。 4.3 冷縮式附件 所用材料一般為矽橡膠或乙丙橡膠。冷縮式附件一般采用幾何結構法與參數控製法來處理電應力集中問題。幾何結構法即采用應力錐緩解電場集中分布的方式要優於參數控製法的產品。 與預製式附件一樣，材料性能優良、無需加熱即可安裝、彈性好，使得界麵性能得到較大改善，與預製式附件相比，它的優勢在如安裝更為方便，隻需在正確位置上抽出電纜附件內襯芯管即可安裝完工。所使用的材料從機械強度上說比預製式附件更好，對電纜的絕緣層外徑尺寸要求也不是很高，隻要電纜附件的內徑小於電纜絕緣外徑2mm（資料上這樣的，這與預製式附件要求2～5mm有偏差-編者）就完全能夠滿足要求。因此冷縮式附件施工安裝比較方便。其*大特點是安裝工藝更方便快捷，安裝到位後，其工作性能與預製式附件一樣。價格與預製式附件相當，比熱收縮附件略高，是性價比*合理的產品。 另外，冷縮式附件產品從擴張狀況還可分為工廠擴張式和現場擴張式兩種，一般35kV及以下電壓等級的冷縮式附件多采用工廠擴張式，其有效安裝期在6個月內，*長安裝期限不得超過兩年，否則電纜附件的使用壽命將受到影響。66kV及以上電壓等級的冷縮式附件則多為現場擴張式，安裝期限不受限製，但需采用專用工具進行安裝，專用工具一般附件製造廠均能提供，安裝十分方便，安裝質量可靠。 5、鉛筆頭問題 在製作終端頭時，可以不削鉛筆頭。但是，如電纜絕緣端部與接線金具之間需包繞密封帶時，為保證密封效果，通常將絕緣端部削成錐體，以保證包繞的密封帶與絕緣能很好的粘合。在製作中間接頭時，如果所裝接頭為預製型結構（含預製接頭、冷縮接頭），絕緣端部不要削成錐體，因為這種類型的接頭，在接頭內部中間部分都有一根屏蔽管，該屏蔽管的長度隻比銅或鋁連接管稍長，如電纜絕緣削成錐體，錐體的根部將離開屏蔽管，連接管部分的空隙將不會被屏蔽，從而影響到接頭的性能，造成接頭在中部擊穿。如果所裝接頭為熱縮型或繞包型結構時，絕緣端部必須削成錐體，即製成反應力錐，同時必須將錐麵用砂帶拋光，因為錐麵的長度遠大於絕緣端部直角邊的長度，故而沿著錐麵的切向場強遠小於絕緣直角邊的切向場強，沿錐麵擊穿的可能性大大降低，從而提高了接頭的性能。 6、應力管和應力疏散膠 電纜附件中應力管和應力疏散膠主要用於緩和分散電應力的作用，應力管和應力疏散膠的材質構成都是由多種高分子材料共混或共聚而成，一般基材是極性高分子，再加入高介電常數的填料等等。應力管和應力疏散膠中是否含有半導體成分這就要看生產廠家的材料配方了，有可能有，也可能冇有。 7、電纜接地問題 在製作電纜頭時，將鋼鎧和銅屏蔽層分開焊接接地，是為了便於檢測電纜內護層的好壞，在檢測電纜護層時，鋼鎧與銅屏蔽間通上電壓，如果能承受一定的電壓就證明內護層是完好無損。如果冇有這方麵的要求，用不著檢測電纜內護層，也可以將鋼鎧與銅屏蔽層連在一起接地（提倡分開引出後接地）。 電力**規程規定：35kV及以下電壓等級的電纜都采用兩端接地方式，這是因為這些電纜大多數是三芯電纜，在正常運行中，流過三個線芯的電流總和為零，在鋁包或金屬屏蔽層外基本上冇有磁鏈，這樣，在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上冇有感應電壓，所以兩端接地後不會有感應電流流過鋁包或金屬屏蔽層。 感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流成正比，電纜很長時，護套上的感應電壓疊加起來可達到危及人身**的程度，在線路發生短路故障、遭受操作過電壓或雷電衝擊時，屏蔽上會形成很高的感應電壓，甚至可能擊穿護套絕緣。 三、改善電場分布的措施 1、在35kv及以下電力電纜接頭中，改善其護套斷開處電場分布的方法有幾種(1)脹喇叭口：在鉛包割斷處把鉛包邊緣撬起，成喇叭狀，其邊緣應光滑、圓整、對稱。(2)預留統包絕緣：在鉛包切口至電纜芯線分開點之間留有一段統包絕緣紙。(3)切除半導電紙：將半導電紙切除到喇叭口以下。(4)包繞應力錐：用絕緣包帶和導電金屬材料包成錐形，人為地將屏蔽層擴大，以改善電場分布。(5)等電位法：對於乾包型或交聯聚乙烯電纜頭，在各線芯概況絕緣表麵上包一段金屬帶，並將其連接在一起。(6)裝設應力控製管：對於35kv及以下熱縮管電纜頭，首先從線芯銅屏蔽層末端方向經半導體帶至線芯絕緣概況包繞2層半導體帶，然後將相應規格折應力管，套在銅屏蔽的末端處，熱縮成形。 2、目前中壓電纜附件中改善電場分布的措施主要有兩大類型。一是幾何型：是通過改變電纜附件中電壓集中處的幾何形狀來改變電場分布，降低該處的電場強度，如包應力錐、預製應力錐、削鉛筆頭、脹喇叭口等。二是參數型：是在電纜末端銅屏蔽切斷處的絕緣上加一層一定參數材料製成的應力控製層，改變絕緣層表麵的電位分布，達到改善該處電場分布的目的。如常見的應力控製管、應力帶等 |