35千伏户外电缆接头击穿故障原因分析

35千伏户外热缩电缆接头在两年多的运行期间6次击穿故障进行分析和总结

35千伏户外热缩电缆接头击穿故障原因分析

冯军

【文摘】针对35千伏户外热缩电缆接头在两年多的运行期间6次击穿故障进行分析和总结，在墨玉110千伏变电站所取得的户外热缩和冷缩电缆接头运行经验与教训，值得借鉴。

【关键词】35千伏电缆接头 故障 分析

0 引言

近年来，随着和田地区电网不断改造与加强，110千伏以上变电站投入运行将会越来越多，35千伏及以上户外电缆接头必将广泛应用。墨玉110千伏变电站于2001年1月12日投入运行，两条35千伏线路由母线出线隔刀通过150米的35千伏电缆连接到线路构架处。有4个户外电缆接头，分别是母线侧2个和线路侧2个。电缆采用YJLV22-/35Kv交联聚氯乙烯护套钢带铠装95平方毫米铝芯电力电缆，户外电缆接头采用热缩WSY-35/3.1型。墨玉110千伏变电站所处环境为稻田盐碱地，夏季气温高，冬季昼夜温差大，春夏浮尘多。两条35千伏电缆4个户外热缩电缆接头从2001年1月15日起开始电晕放电至2003年6月18日，在两年多运行期间先后6次击穿，4次被迫停运共制作12个户外电缆接头，最终改为户外冷缩电缆接头和加装避雷器后运行正常。为什么8个户外热缩电缆接头在安装制作前后通过各种试验合格后投运，在运行一段时间先后被击穿，而全部更换为户外冷缩电缆接头和加装避雷器后至今运行正常的正真原因是什么？本文从安装工艺、材料选择、环境因素和各类应力的处理几个方面探讨户外热缩电缆接头故障产生的原因。

1 故障现象

1.1第一组两个热缩电缆接头，从投运后的第三日起发出丝丝的电晕放电声，至2月10日随气温升高而消失。进入2002年秋季又有

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间断性的放电声，在晚间偶见淡蓝色的光环，至10月底两个热缩电缆接头在晴天先后被击穿，历经两个寒暑累计运行21个月。

1.2第二组重新制作的两个热缩电缆接头投运后运行正常，但从2003年1月1日起有放电声，至2、3月的雨雪天气中先后被击穿，运行了3个多月。

1.3第三组重新制作的两个热缩电缆接头投运后就有放电声，运行了2个多月先后被击穿。

1.4第四组两个重新制作的热缩电缆接头投运后就有放电声，为避免重蹈覆辙，4个户外热缩电缆接头全部更换为户外冷缩电缆接头并加装避雷器运行正常。从三年的运行记录中发现每个电缆接头击穿前先有一段时期的放电声，然后伴随可见光，最终被击穿（见附表）。在击穿的热缩电缆接头上有明显的树枝妆通道，切开热缩电缆接头热缩管内部碳化明显，线芯有烧灼痕迹的击穿孔，铜屏蔽层表面有烧熔的痕迹，从线芯击穿孔由碳粉形成多个树枝状黑色放电通道，指向铜屏蔽层烧熔点。锯开线芯可见多股铝线芯结构偏心，绝缘厚度不匀。击穿严重的根部全部烧黑，线芯裸露在外，热缩管与线芯绝缘之间有许多黑色的碳粉颗粒。

墨玉110千伏变电站35千伏采户外热缩电缆接头故障现象一览表

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2引起热缩电缆接头击穿的四个条件

2.1极间负接地极与线芯正板极电极产生不均匀电场

在电缆接头制作过程中，电缆夹层中铜屏蔽层断口在绞断后没有采用弧形平滑过渡打磨平整，断口边缘有毛刺形成尖角，引起电场在铜屏蔽层内部粗糙毛刺尖角处畸变，在断口边缘处形成尖端电场，造成内部电场不均匀。而铜屏蔽层是接在接地极端，相对于带电体应为负尖极。

本电缆线芯由19根5平方毫米园铝导线绞合组成，锯开线芯可见结构偏心表面凹凸不平，绝缘厚度不均匀，线芯绝缘表面的局部电场发生畸变。在线芯绝缘厚度最薄的一侧导体屏蔽上的最大场强强度增加，在此处的铝导线电极产生尖端电场，形成局部场强。线芯表面的铝导线是一个曲率半径较小的电极，相对于接地的铜屏蔽粗糙毛刺尖角尖极，铝导线电极为正板状曲面电极。

2.2线芯弯曲时产生应力使绝缘体内部出现空隙外部出现裂纹 在电缆接头固定过程中，电缆线芯预留过长与导线联接板强行连接时，线芯弯曲半径过小，线芯外侧的绝缘伸长过长，内侧的绝缘产生挤压应力，外侧的绝缘产生拉应力。对均匀和严密的固体介质在弹性限度内变化时，拉应力可使介质发生形变，使原来完整的介质产生蠕动有小裂纹，气体吸收的水分和残留的杂质填充到裂纹中。线芯钢性越大，弯曲后产生的压力对线芯热缩护套在圆周方向上是越不均匀，与绝缘线芯接触面上侧压力最大，在局部出现集中，对热缩护套形成向外挤的应力。在线芯绝缘结构偏心的情况下，外侧线芯较薄处的固体绝缘介质在拉应力的作用下微观上局部被撕裂产生横向裂纹，包裹在线芯外层的热缩护套与绝缘介质有了间隙。

电缆护套外侧相对伸长率ε与电缆的弯曲半径R和电缆的半径r有关，ε=r/(R+r)=1/（a+1）×100%,a=R/r为电缆制造、安装和敷设时的弯曲倍数。可见电缆的半径一定时，弯曲半径越小，则电缆外

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侧的伸长越大。

2.3热胀冷缩应力的作用使绝缘性能劣化

电缆接头安放的正阳面在夏季阳光的照射下温度很高，固体绝缘介质发生热膨胀变化固体分子伸长，固体绝缘介质体积变大。当夜间气温下降时固体分子收缩，固体绝缘介质发生冷缩变小。在电缆外侧面与内侧面形成温差产生热胀冷缩力与拉应力的综合作用，对由线芯绝缘和热缩管组合成的多层复合绝缘体受到恒定应力后变形逐渐增加，除去外力后形变恢复，多次往复的作用下，超出弹性限度变化，组合绝缘内部出现了分层和裂纹。而外侧向阳面热缩护套随日照时间的增加，热胀冷缩力与拉应力的反复综合作用，热缩护套材料出现疲劳，表面产生细微裂痕断裂，形成非连续不均匀的裂纹，使原来密实的分子结构之间有了断裂，切断了分子之间的联结。此外变电站所处在水稻和农田边潮湿的环境中，盐碱颗粒和粉尘被水分吸附到绝缘材料的表面的裂纹中。

2.4系统内过电压的作用使电缆接头绝缘电阻逐步降低

当这两条线路进行操作开关切合空载线路时，出现的操作过电压峰值理论上可达2.0-4.5倍相电压，35千伏系统单相接地或突甩负荷时也可产生过电压，这些系统内部产生的过电压对电缆接头的绝缘薄弱处反复作用，使得绝缘电阻逐步降低。

4热缩电缆接头击穿过程分析

4.1线芯固体绝缘产生局部电晕放电

制作安装好的户外电缆接头是由线芯绝缘和热缩管成为一体的组合绝缘，共同承担着电场电压。理想状态下热缩管握紧力在两组绝缘体的交界处不应该留有气隙。但在实际制作完毕投入运行后，绝缘材料在内部应力或低于冰点温度的作用下，主绝缘在运行中继续收缩，缩短的电缆接头的交界处形成细微的一个个孤立的气隙。而铜屏蔽带缺乏弹性，不能在热缩管握紧力的作用下与主绝缘紧密贴合而形

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成空隙，由接地铜屏蔽层粗糙毛刺在空隙中形成的负尖极处局部电场集中，为诱发局部放电提供了条件。在线芯表面与绝缘层的间隙中虽有许多微小气隙，被绝缘体隔绝成为“孤岛”，互相没有联系。在应力的作用下，两头固定的线芯在强度最弱处发生弯曲变形，线芯表面与绝缘层之间脱离有了间隙，被挤压的孤立气隙中的气体带着挤落的杂质集合到了这个间隙中，而间隙中凹凸不平的铝导线成为带电电极，形成局部场强。间隙中的气体和杂质随线芯阳面温度升高在强电场的作用下发生游离，游离出的带电质点在交变电场的作用下，往复地冲击绝缘体，孤立的气隙和间隙之间的通道被打通，孤岛得以相连，使得间隙更大气体更多游离更强烈。随着温度的升高，绝缘体的击穿场强迅速下降，间隙内游离部分的电压接近与线芯带电部位的电压，游离向间隙周围绝缘深层发展，形成热击穿。当电场强度超过一定值时，极尖负极与线芯正板极电晕放电就发生了。

4.2电晕放电促使绝缘老化形成导电通道

电极周围放电有晕光后，会产生强烈的化学反应形成臭氧、一氧化氮和二氧化氮等。臭氧对金属及有机绝缘体有强烈的氧化作用，一氧化氮和二氧化氮等与空气中的水分子化合成强烈的呈酸类的腐蚀剂。电晕将近旁固体有机绝缘分解、破坏，表现为变酥、碳化，并沿电场的方向逐渐向绝缘层深层发展，绝缘内部出现分层和裂纹。填充在外侧线芯的绝缘体在热击穿的作用下产生微小裂纹，热缩护套与绝缘介质的间隙中的气体、水分和残留的杂质，形成的不均匀孤立的多个气隙相互联通，主绝缘与热缩管夹层形成分离，由水、泥土和盐碱颗粒构成的混合型液体渗入夹层中。温度逐渐升高，混合液体介质分子或离子的热力度增加，电场强度增加超过一定值时，电场使理解出的离子数量迅速增加，电导随之增加，导电通道开始建立，长间隙的火花放电形成，伸向对面电极的火花此起彼伏不断的改变放电通道的路径，当长间隙滑闪放电沿线芯方向到达对面电极时形成沿面闪络，

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最终导致整个绝缘击穿发生短路起火。

4.3结论：在安装工艺不佳，材料选择不当，环境因素恶劣的条件下，35千伏户外热缩电缆接头受系统内部过电压的反复作用。作为组合绝缘体的线芯固体主绝缘薄弱处受应力和热胀冷缩力的作用下产生裂纹，内部多个微小气隙“孤岛”发生游离，并沿电场力的方向逐渐发展联合成为大的气隙“岛屿”开始局部放电。线芯的固体主绝缘与热缩管分离产生电晕，中期形成沿面放电，最终线芯固体主绝缘被击穿。

5结束语

在气温昼夜温差大、污秽污染较重的环境中，安装35千伏户外电缆接头，要综合考虑多层固体复合介质绝缘接触面之间的握紧力和线芯的弯曲度问题。冷缩接头在相同的环境条件下安全运行5年多，就是利用冷缩接头的压缩应力，当多层复合介质绝缘在弹性范围内蠕动变形时，能够做到绝缘可靠密封良好，结构上能有效地防止外界水分和有害物质侵入到绝缘中。另外为限制系统内部过电压对较长电缆出线需安装避雷器，才能满足电缆线路在各种状态下的长期安全运行。

参考资料

1、南京工学院 周泽存主编 高电压技术 中国电力出版社 1987年

2、墨玉110千伏变电站 运行日记 2001年-2009年

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/24g4.html