35 kV高压电缆头故障对策分析

2013-12-10王文珍王志坚

山西电力 2013年1期

王文珍，王志坚

（山西省电力公司电力建设四公司，山西太原 030012）

0 引言

鲁能白云风电一、二期工程由山西省电力公司电力建设四公司（以下简称“电建四公司”）负责施工。一期工程于2009年5月全部实现并网发电，二期工程已有13台风机投入运行。在一年多的运行过程中，发现陆续有35 kV高压电缆头单相短路故障及绝缘降低现象，严重影响了风机的正常运行。据调查了解，乌拉特中旗风电厂也有类似现象发生。35 kV电缆作为风电机组输电的唯一通道，其重要性不言而喻。在国家大力提倡节能环保能源，风电机组逐渐有大规模发展趋势的今天，认真查找35 kV高压电缆头故障及绝缘降低原因，采取纠正措施，避免此类故障的再次发生，有着特殊重要的意义。

1 故障现象及原因分析

故障现象有风电场室外电缆外护层与铠甲脱开、箱变内电缆外护层与铠甲脱开、屏蔽层断口处熔芯击穿等。

白云风电35 kV电缆型号为YJY23-26/35 kV，电缆头附件均采用高压热缩技术。

高压电缆每一相线芯外均有一接地的（铜）屏蔽层，导体的屏蔽层之间形成径向分布的电场。也就是说，正常电缆线芯与屏蔽层的电场只有从（铜）导线沿半径向（铜）屏蔽层的电力线，没有芯线轴向的电场（电力线），电场分布是均匀的，如图1所示。

图1 电缆组成结构

电缆附件的绝缘性能应不低于电缆本体，所用绝缘材料的介质损耗要低，在结构上应对电缆附件中电场的突变能完善处理，有改变电场分布的措施。

在做电缆头时，剥去屏蔽层，改变了电缆原有的电场分布，将产生对绝缘极为不利的切向电场（沿导线轴向的电力线）。剥去屏蔽层芯线的电力线向屏蔽层断口处集中，那么在屏蔽层断口处就是电缆最容易击穿的部位。

在电缆最容易击穿的屏蔽层断口处，为了分散集中的电力线（电应力），采用了介电常数为20～30、体积电阻率为108～1 012Ω·cm的材料制作的电应力控制管（简称应力管），套在屏蔽层断口处，以分散断口处的电场应力（电力线），保证电缆能可靠运行，如图2所示。

图2 屏蔽层断口处电场分布（装应力管后）

若昼夜温差大（最高温度30℃以上，最低温度-45℃），热胀冷缩作用频繁，易造成电缆外护套与热缩根部脱开，固体绝缘介质表面吸附潮气，产生较大的介质表面电导，从而形成电缆绝缘的薄弱环节。白云风电大部分电缆击穿发生在如图3所示屏蔽断口的部位，充分证明了如果电缆头附件不能发挥应有的改善断口处电场分布的作用，其后果是极其严重的。

从以上分析可以看出，使用热胀冷缩适应性好的合格电缆、出厂及现场检验合格的热缩材料，以及采用经过工艺评定合格的电缆头附件制作安装程序，是确保35 kV高压电缆运行质量的关键环节。以下重点对保证35 kV高压电缆头施工质量进行对策分析。

2 关键施工步骤分析

要使电缆可靠运行，电缆头制作中应力管非常重要，而应力管是在不破坏主绝缘层的基础上，才能达到分散电应力的效果。在电缆本体中，芯线外表面不可能是标准圆，芯线对屏蔽层的距离会不相等，根据电场原理，电场强度也会有大小，这对电缆绝缘也是不利的。为尽量使电缆内部电场均匀，芯线外有一外表面圆形的半导体层，使主绝缘层的厚度基本相等，达到电场均匀分布的目的。在主绝缘层外，铜屏蔽层内的外半导体层，同样也是为消除铜屏蔽层不平、防止电场不均匀而设置的，如图3所示。

图3 安装半导体管尺寸（mm）

为了尽量使电缆在屏蔽层断口处电场应力分散，应力管与铜屏蔽层的接触长度要求不小于20 mm，短了会使应力管的接触面不足，应力管上的电力线会传导不足（因为应力管长度是一定的），长了会使电场分散区（段）减小，电场分散不足。所以一般控制在20～25 mm左右。以下为35 kV高压电缆头制作一般步骤。

a）剥去护套。用电缆夹将电缆垂直固定，对户内终端量取760 mm（这个数字不确定，视现场具体情况而定），剥去外护套。

b）剥铠装。由外护套断口量取30 mm铠装，绑扎线，其余剥除。

c）剥内垫层。在铠装断口处保留20 mm内垫层，其余剥除。

d）分芯线。摘去填充物，分开芯线。

e）焊接地线。打光铠装上接地线焊接区，用地线连通每相铜屏蔽层和铠装，并焊牢。

f）包绕填充胶。在三叉根部包绕填充胶，形似橄榄状，最大直径大于电缆外径约15 mm。

g）固定手套。将手套套入三叉根部，由手指根部依次向两端加热固定。

h）剥铜屏蔽层。由手套指端量取55 mm铜屏蔽层，其余剥除，保留20 mm半导体层，其余剥除。清理绝缘表面。

i）固定应力管。搭接应力管20 mm，加热固定应力管。

j）压接线端子。按端子孔深加5 mm剥去线芯绝缘，端部削成“铅笔头”状。压接端子，在“铅笔头”处包绕填充胶，并搭接端子10 mm。

k）固定绝缘管。套入绝缘管至三根部（管上端超出填充胶10 mm），由上端起加热固定。再将相色管套在密封附管上，加热固定。

保证h）和i）步骤施工质量，在剥切铜屏蔽层时不伤害电缆主绝缘，会改善屏蔽层断口处电场分布，加强对电缆薄弱环节保护，成为避免在屏蔽层断口处发生短路故障的有效措施。

3 施工注意事项

a）在剥外护套时,为防止钢甲松散，应先在钢甲切断处内侧把外护层剥去一圈（外侧留下），用铜丝绑紧钢甲并焊妥钢甲接地线。

b）在锯钢甲时，在卡子边缘（无卡子时为铜丝边缘）要顺钢甲包紧方向锯一环形深痕（不能锯断第二层钢甲，否则会伤到电缆），用一字螺丝刀撬起（钢甲边断开），再用钳子拉下并转松钢甲，脱出钢甲带，处理好锯断处的毛刺。整个过程都要顺钢甲包紧方向，不能把电缆上的钢甲搞松。

c）剥内护绝缘层时，要注意保护好色相标识线，保证铜屏蔽层与钢甲之间的绝缘。

d）焊接屏蔽层接地线时，要把内护层外侧的铜屏蔽层铜带上的氧化物去掉，涂上焊锡。把附件的接地扁铜线（分成三股）在涂上焊锡的铜屏蔽层上绑紧，处理好绑线的头，再用焊锡与铜屏蔽层焊住线头。外护套防潮段表面一圈要用砂皮打毛，涂密封胶，以防止水渗进电缆头。屏蔽层与钢甲两接地线要求分开时，屏蔽层接地线要做好绝缘处理，如图4所示。

图4 电缆头屏蔽层绝缘（mm）

e）铜屏蔽层处理时在电缆芯线分叉处做好色相标记，按电缆附件说明书，正确测量好铜屏蔽层切断处位置，用焊锡焊牢（防止铜屏蔽层松开），在切断处内侧用铜丝扎紧，顺铜带扎紧方向沿铜丝用刀划一浅痕（注意不能划破半导体层），慢慢将铜屏蔽带撕下，最后顺铜带扎紧方向解掉铜丝。

f）剥半导电层时，在离铜带断口10 mm处为半导电层断口，断口内侧包一圈胶带作标记。

对于可剥离型，在预定的半导电层剥切处（胶带外侧），用刀划一环痕，从环痕向末端划两条竖痕，间距约10 mm。然后将这些条形半导电层从末端向环形痕方向撕下（不能拉起环痕内侧的半导电层），用刀划痕时不应损伤绝缘层，半导电层断口应整齐。检查主绝缘层表面有无刀痕和残留的半导电材料，如有应清理干净。对不可剥离型,从芯线末端开始用玻璃刮掉半导电层（也可用专用刀具），在断口处刮一斜坡，断口要整齐，主绝缘层表面不应留半导电材料，且表面应光滑。

g）清洁主绝缘层表面时,要用不掉毛的浸有清洁剂的细布或纸擦净主绝缘表面的污物，清洁时只允许从绝缘端向半导体层，不允许反复擦，以免将半导电物质带到主绝缘层表面。

h）安装半导电管时，半导电管在三根芯线与分叉处的距离应尽量相等。一般要求离分支手套50 mm，半导电管要套住铜带不小于20 mm，外半导电层已留出20 mm，在半导电层断口两侧要涂应力疏散胶（外侧主绝缘层上15 mm长），主绝缘表面涂硅脂。半导电管热缩时应注意：铜带不松动，表面要干净（原焊锡要焊牢），半导电管内不能有一点空气，如图3所示。

i）安装分支手套时，在内绝缘层和钢甲这段用填料包平，在手指口和外护层防潮处涂上密封胶，分支手套小心套入（做好色相标记），热缩分支手套，电缆分支中间尽量少缩（此处最容易使分支手套破裂），涂密封胶的4个端口要缩紧，如图5所示。

图5 安装分支手套

j）安装绝缘套管和接线端子时，要测量好电缆固定位置和各相引线所需长度，锯掉多余的引线。测量接线端子压接芯线的长度，按尺寸剥去主绝缘层（稍有锥度），芯线上涂点导电膏或硅脂，压接线端子（要对好接线螺丝穿孔的方向）。处理掉压接处的毛刺，接线端子与主绝缘层之间用填料包平（压接痕也要包平），套绝缘热缩管（套住分支手套的手指），在接线端子上涂密封胶，最后一根绝缘热缩套管要套住接线端子（除接触面以外部分），绝缘套管都要上面一根压住下面一根。最后套色相管（户外式套雨裙）。

4 新材料及新工艺应用

a）预制式附件。预制式附件所用材料一般为硅橡胶或乙丙橡胶，主要采用几何结构法即应力锥来处理应力集中问题。其优点主要表现在安装简便快捷，无需加热即可安装，且弹性好，使得界面性能得到较大改善，是近年来中低压以及高压电缆采用的主要形式。其缺点是对电缆的绝缘层外径尺寸要求高，通常的过盈量在2～5 mm（即电缆绝缘外径要大于电缆附件的内孔直径2～5 mm）。过盈量过小，电缆附件将出现故障；过盈量过大，电缆附件安装非常困难（工艺要求高）。特别在中间接头上问题突出，安装既不方便，又常常成为故障点，而且价格较贵。

使用预制式附件的关键技术是附件的尺寸与待安装的电缆的尺寸配合必须符合规定的要求，且需采用硅脂润滑界面，以便于安装,同时填充界面的气隙。预制附件一般靠自身橡胶弹力可以具有一定的密封作用，有时可采用密封胶及弹性夹具增强密封。

b）冷缩式附件。冷缩式附件所用材料一般为硅橡胶或乙丙橡胶，一般采用几何结构法与参数控制法来处理电应力集中问题，几何结构法即采用应力锥缓解电场集中分布的方式，优于参数控制法的产品。其优点主要表现在：材料性能优良、无需加热即可安装，弹性好，使得界面性能得到较大改善。与预制式附件相比，这种附件安装起来更为方便，只需在正确位置上抽出电缆附件内衬芯管即可安装完工。所使用的材料从机械强度上说比预制式附件更好，对电缆的绝缘层外径尺寸要求也不是很高，只要电缆附件的内径小于电缆绝缘外径2 mm就完全能够满足要求。因此冷缩式附件施工安装比较方便，且其价格与预制式附件相当，比热收缩附件略高，是性价比最合理的产品。

冷缩式附件产品根据扩张状况还可分为工厂扩张式和现场扩张式两种，一般35 kV及以下电压等级的冷缩式附件多采用工厂扩张式，其有效安装期在6个月内，最长安装期限不得超过两年，否则电缆附件的使用寿命将受到影响。66 kV及以上电压等级的冷缩式附件则多为现场扩张式，安装期限不受限制，但需采用专用工具进行安装，专用工具一般附件制造厂均能提供，安装十分方便，且质量可靠。