110kv及以上高压电缆施工故障分析及预防措施

1 / 14110kV 及以上高压电缆施工故障分析及预防措施摘 要本文结合近年来国内发生的典型 110 千伏及以上高压交联电缆故障进行深入的分析和总结，并针对今后为避免类似故障的发生应采取的措施来做一些探讨。关键词高压电缆施工故障 分析1 前言随着我国经济社会的不断发展和日趋成熟的高压电力电缆生产技术，高压电力电缆逐渐取代架空线路作为进城电力能源输送的主要通道，趋势将越来越大。我省投运的 220 千伏电压等级交联聚乙烯电力电缆数百公里，110 千伏电压等级交联聚乙烯电力电缆数千多公里，220kV 高压电缆线路已逐渐开始占住主流地位，现在国内最高电压等级已达 500kV。我公司自 2002 年初首次参加绍兴电力局110kV 渡东-香桥线电缆改造工程以来，已先后参加了金华、宁波、湖州、台州等地区 110kV 高压电力电缆的施工，已施工并安全投运 110kV 电缆施工公里数已达上百公里，由于工程施工质量优良，在浙江省高压电缆施工领域拥有了一定的知名度。我公司今年将首次参加宁波电业局江东220kV 电缆输变电工程的建设。2 / 14由于 110kV 及以上高压电力电缆的施工工艺异常繁琐及要求高，要求施工人员素质较高，根据不同的施工技术其安装质量差异影响巨大，高压电缆在施工中有一定的隐蔽性的特点，不容易发现问题，在施工环节应加大检查力度或相互交流，电缆施工和施工环境也有很大的关系，在潮湿的环境或离热源等很近的地方施工。对这种情况应采取相应的防范措施。从技术领域讲改进施工方法，一方面提高经济效益，另一方面改变劳动结构。110kV 及以上高压电缆的鼓故障特点是停电范围大，造成设备炸毁、引发火灾几率大以及抢修难度大。本文意图通过图文并茂的阐述，结合国内典型的高压电缆故障类型来进行分析我们在110kV 电缆施工应注意的一些问题，进一步提高对高压电力电缆施工的认识。2 高压电缆故障分析高压电缆系统故障分类的方法很多，本文按照故障产生的原因进行分类大致分为以下几类：厂家制造原因、施工质量原因、设计单位设计原因、外力破坏四大类。本文重点分析关于厂家制造质量、安装单位施工质量的原因对造成高压电缆故障的巨大危害性。电缆本体制造原因因为现在高压电缆制造在原材料及机器设备方面已经成熟，而且电缆在出厂前要进行交流耐压试验，如 110kV3 / 14交联聚乙烯绝缘电力电缆试验标准 160 千伏，半小时通过为合格（IEC60840 标准要求） ，所以一般电缆本体出现问题的概率比较小。但在生产过程中杜绝不合格产品很难，不少厂家在生产过程中都出现过不合格产品，一般在电缆生产过程中容易出现的问题有绝缘偏心、绝缘屏蔽厚度不均匀、绝缘内有杂质、内外屏蔽有突起、交联度不均匀、电缆受潮、电缆金属护套密封不良等，有些情况比较严重可能在竣工试验中或投运后不久出现故障，大部分在电缆系统中以缺陷形式存在，对电缆长期安全运行造成严重隐患。我们在施工中一定要防止因制造厂家产品质量原因造成电缆本体击穿事故，施工中常遇到的电缆本体缺陷较多的有电缆阻水层受潮、绝缘屏蔽表面有铜屑、铝护套变形、绝缘偏心、绝缘内有杂质、绝缘屏蔽划伤等问题，这需要我们施工人员在施工过程中必须认真对待。事故案例：电缆本体在敷设过程中没有受到破坏和外力破坏，由于制造厂家的原因使电缆本体缺陷导致击穿，为电缆内外屏蔽有突起或杂质，密封前护套被烧出 50mm 直径孔洞。电缆本体击穿情况见图 1。图 1 电缆本体击穿情况预防措施：施工过程中要密切注意电缆本体的检查，包括外表面电缆外护套、铝波纹管等有无磨损凹坑，并通4 / 14过外护套的耐压试验确保以上检验点没有问题，此项工作必须认真谨慎，至始至终都必须认真观测，直至电缆竣工试验结束到投入运行，包括施工结束后的维护防止外力的破坏等，我们曾经在湖州施工时遇到过外护套受力脱壳、铝波纹管变形及防水带受潮现象。电缆接头制造及安装原因电缆接头又分为电缆终端接头和电缆中间接头，不管什么接头形式，电缆接头故障一般都出现在电缆绝缘屏蔽断口处，因为这里是电应力集中的部位，因制造原因导致电缆接头故障的原因有应力锥本体制造缺陷、绝缘填充剂问题、密封圈漏油等原因。事故案例：110 千伏预制式中间接头击穿事故，击穿部位是硅橡胶应力锥。间接原因是中间接头在制作过程中预扩充时造成应力锥破裂，而主要原因是产品在工厂内硫化过程中出现氯原子混入的现象导致硅橡胶弹性下降，在运行过程中应力锥本体开裂，接头发生滑闪放电，最后导致发生中间接头击穿故障。110 千伏预制式中间接头击穿事故见图 2、3 及中间接头解剖图 4。图 2 应力锥击穿后外观图图 3 电缆表面爬电痕迹图图 4 电缆中间接头解剖图5 / 14预防措施：首先要认真检查厂家附件质量，确保产品质量，一般来说安装附件不会有很大的问题，但也不排除极小的概率，因为一点点的疏漏都可能会导致非常严重的后果，其次采用液压设备进行中间（终端）接头应力锥的安装时，液压机的推进速度必须要和应力锥的扩张速度要匹配，以防止上述事故的发生。事故案例：GIS 终端接头击穿事故，运行时间接近两年时间，直接的击穿点在电缆终端内应力锥中间，电缆线芯与应力锥间放电，应力锥和电缆上各烧出一个 1820mm的孔洞，环氧套管被炸成四大块及一些碎片。事故原因：因为终端接头出线杆工艺要求包绕 PVC 带和 VDG 绝缘带，PVC 带包 VDG 绝缘带外侧，然后泡在聚异丁烯绝缘油内，PVC 带长时间浸泡后松开脱落，垂入金属应力锥内，导致电场崎变，导致局放，最终导致接头击穿。GIS 终端接头击穿见图 5。图 5 GIS 终端头击穿情况图 预防措施：因 PVC 带包 VDG 绝缘带外侧，然后泡在聚异丁烯绝缘油内，PVC 带长时间浸泡后松开脱落，垂入金属应力锥内，导致电场崎变，导致局放，最终导致接头击穿，我认为关键在于在绕包过程中的一些细节及关键点，6 / 14首先要保证 PVC 带的绕包方向，绕包时每一层、层与层之间要用手来回用力握实严密，避免有气泡或皱痕，包饶剩余包带要用刀具割除，严禁用手拉断，否则就会增加以上事故的概率。事故案例：220 千伏 GIS 接头击穿事故，击穿部位应力锥上部，离开绝缘屏蔽末端大约 20 厘米处，因为应力锥在爆炸时已经炸成碎片，终端内填充的硅油已经严重劣化，由清亮状态变成黄色的块状油脂可以看出终端内发生长期的局部放电，产生局部放电的原因很多，主要原因是绝缘油本身有问题。GIS 终端接头击穿见图 6。图 6 终端击穿后的情况预防措施：对于终端接头或者是其他接头充油介质，必须要由厂家出具合格证明，首先确保绝缘油自身没有问题，其次作为我们施工人员要确保填充的绝缘油密封可靠，以防止以上事故的发生。本文重点介绍施工质量原因因为施工质量导致高压电缆系统故障的事例很多，主要原因有以下几个方面：一是现场条件比较差，电缆和接头在工厂制造时环境和工艺要求都很高，而施工现场温度、湿度、灰尘都不好控制。二是电缆接头施工工艺要求比较高，一般要求练习三年后才能安装 110 千伏及以上接头，有些施工队伍水平不高，只经过几天培训就开始施工，7 / 14有些地方存在盲目施工问题，认为电缆接头很简单，安全系数高，不会出事。三是电缆施工过程中在绝缘表面难免会留下细小的滑痕，半导电颗粒和砂布上的沙粒也有可能嵌入绝缘中，另外接头施工过程中由于绝缘暴露在空气中，绝缘中也会吸入水分，这些都给长期安全运行留下隐患。四是安装时没有严格按照工艺施工或工艺规定没有考虑到可能出现的问题。五是竣工验收采用直流耐压试验造成接头内形成反电场导致绝缘破坏，目前以取消直流耐压试验改用交流耐压试验。六是因密封处理不善导致。密封对中间接头来说主要是防水问题。关于防水问题在我们江浙地区更为重要，由于地势等原因，气候环境、地理水位都教北方要恶劣。不管采用排管、直埋接头还是沟槽电缆接头都经常泡在水中，比如我们在 2016 年湖州的电缆工程中，竣工投产时有一组 6 只中间接头就基本浸泡在河道里，仅凭这一点大家可以想象一下，110kV 的高压电缆接头浸泡在河道里运行，而且其密封性仅靠金属铜外壳铅封，如发生意外其后果可想而知。所以保证中间接头的密封防水性能至关重要。从严格意义上讲在现场施工中保证铅封的密实，保证了接头的密封防水性能，也就有效的保证了接头能够安全运行。因施工质量原因造成的严重缺陷一般在投运前的竣工试验时或投运后一两年内就会出现故障，而一些小的问8 / 14题可能就成为长期运行的隐患。采用专业的施工队伍和加强接头安装人员的技术水平和质量意识是减少电缆事故的重要途径。事故案例：因安装工艺错误导致 220 千伏电缆户外终端发生击穿事故，击穿部位绝缘屏蔽末端上部。事故原因是顶应力锥的弹簧机构在安装时被锁死，没有起到保证应力锥与电缆绝缘结合界面有足够的压力的作用，导致界面压强不够，引发界面放电。应力锥事故见图 7、8。事故应力锥图图 8 造成击穿的弹簧机构预防措施：高压电力电缆施工过程中，除了每一道施工工序不允许错以外，其中非常重要的一点就是尺寸的把握，包括需要去除导体、内屏蔽、主绝缘、半导体屏蔽、导体压接、波纹管的去除等近 30 余道工序中都有一一对应的施工及安装尺寸，任何一道尺寸的错误都会发生严重的后果，最后的结果就是导致电缆附件放电击穿。事故案例：因安装原因导致 110 千伏中间接头击穿的事例，接头型式为预制式。事故原因：制作人员在制作安装预制接头过程中，套锥扩充工具曾经折损在接头内部，对绝缘表面造成损伤，发生局部放电。最后导致接头击穿。安装原因导致 110 千伏中间接头击穿见图 9。 9 / 14图 9 接头击穿位置图预防措施：基本同上应力锥的击穿预防措施同，关键还是在于施工过程中附件安装尺寸的把握，在附件安装过程中最为严重的错误就是应力锥处的半导体屏蔽层的尺寸错误，而且其产生的后果也最为严重，无任何补救措施。事故案例：因接头尺寸错误原因导致终端接头击穿的事例。具体原因分析：事故直接原因是绝缘半导电屏蔽剥切尺寸与图纸不符，图纸要求剥切尺寸为 1521 毫米，实际剥切尺寸为 1593 毫米。造成应力锥半导电部分未与电缆绝缘半导电屏蔽搭接，应力锥没有起到均匀电场的作用，绝缘屏蔽末端发生刷状放电，最后导致击穿。 接头尺寸错误原因导致终端接头击穿见图 10。图 10 击穿位置示意图预防措施：同上处理。事故案例：10 千伏电缆在投运几个小时后发生终端接头爆炸事故，击穿部位应力锥。击穿原因直流耐压试验后马上投运，因反电场造成击穿。应力锥击穿及解剖图见图 11、12。图 11 击穿情况图图 12 击穿应力锥解剖情况图预防措施：同上处理。10 / 14事故案例：至于在电缆敷设过程中侧压力超过要求、电缆弯曲半径过小、刮伤外护套等情况经常遇到，接头制作过程中电缆处理粗糙电缆表面有剥削绝缘屏蔽时留下的刀痕、电缆未加热调直、绝缘屏蔽末端有凹坑等情况也时有发生，这些对电缆系统长期安全运行危害很大，甚至导致电缆系统在一两年内出现故障。施工中常遇到的情况如下图 13、14、15。随着城市建设的发展，各地外力破坏事故不断增加，一般直埋电缆因为没有保护所以容易遭受外力破坏，电缆沟槽和隧道内的电缆相对不容易受到外力破坏，而施工中或投运后的高压电力电缆在受到外力的破坏导致金属屏蔽损坏而击穿。图 13 电缆弯曲半径过小的情况图 14 电缆处理粗糙的情况图 15 外力损伤击穿部位特写事故分析：外力锐器导致外护套、金属屏蔽及主绝缘损伤，使得电缆本体在运行中被击穿。外力受损击穿见图 15。3 在实际工作存在的一些误区、高压电力电缆的铜屏蔽和钢铠一般都需要接地，两端接地和一端接地是有区别的，制作电缆终端头时，钢铠和铜屏蔽层焊接在一块、制作电缆中间头时，钢铠和铜11 / 14屏蔽层有时焊接在一块，有时分开，这需要看具体情况和具体要求。 高压电缆多为单芯电缆，单芯电缆在通电运行时，在屏蔽层会形成感应电压，如果两端的屏蔽同时接地，在屏蔽层与大地之间形成回路，会产生感应电流，这样电缆屏蔽层会发热，损耗大量的电能，影响线路的正常运行，所以我们为了避免这种现象的发生，通常采用一端接地的方式，当线路很长时还可以采用中点接地和交叉互联等方式。在制作电缆头时，将钢铠和铜屏蔽层分开焊接接地，是为了便于检测电缆内护层的好坏，在检测电缆护层时，将钢铠与铜屏蔽作为试验电极，在钢铠与铜屏蔽间通上电压，如果能承受一定的电压就证明内护层是完好无损。但如果没有这方面的要求，用不着检测电缆内护层，也可以将钢铠与铜屏蔽层连在一起接地。、理清与高压电缆接地紧密相连的电缆结构中“屏蔽”的概念，在电缆结构上的所谓“屏蔽” ，实质上是一种改善电场分布的措施。电缆导体由多根导线绞合而成，它与绝缘层之间易形成气隙，导体表面不光滑，会造成电场集中。在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的导体等电位并与绝缘层良好接触，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部放电，这一层屏蔽为内屏蔽层；同样12 / 14在绝缘表面和护套接触处也可能存在间隙，是引起局部放电的因素，故在绝缘层表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的绝缘层有良好接触，与金属护套等电位，从而避免在绝缘层与护套之间发生局部放电，这一层屏蔽为外屏蔽层；没有金属护套的挤包绝缘电缆，除半导电屏蔽层外，还要增加用铜带或铜丝绕包的金属屏蔽层，这个金属屏蔽层的作用，在正常运行时通过电容电流；当系统发生短路时，作为短路电流的通道，同时也起到屏蔽电场的作用。可见，如果电缆中这层外半导体层和铜屏蔽不存在，三芯电缆中芯与芯之间发生绝缘击穿的可能性非常大。制作电缆终端或接头时剥除一小段屏蔽层主要目的是用来保证高压对地的爬电距离的，这个屏蔽断口处应力十分集中，是薄弱环节！必须采取适当的措施进行应力处理。 （用应力锥或应力管等）剥除屏蔽层的长度以保证爬电距离；增强绝缘表面抗爬电能力为依据。屏蔽层剥切过长将增加施工的难度，增加电缆附件的成本完全没有必要。、在施工过程中，包括施工人员与技术管理人员来说，对于电缆终端与电缆中间接头附件安装都得到了足够的重视，而是着重针对历来高压电缆的故障情况和我们施工中一些错误观念和行为予以阐述。主要有以下几点：13 / 14、重视电缆附件的安装，忽视后继工作诸如接地处理。我们施工人员往往在电缆终端头和中间接头的制作安装过程中，对于电缆的处理及中心