XLPE电缆故障分析诊断

杨涛

摘 要：本文主要介绍XLPE电缆的结构和原理，然后从结构和原理出发，对10kV电缆终端常见错误布置以及电缆事故案例进行了分析。

一、XLPE电缆基础知识

1.1XLPE电缆结构

三相XLPE电缆的结构从内至外依次为：导体、导体屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽、内护层、填芯和填料、玻璃丝带、外护套。

导体：通常用导电性好、有一定韧性、一定强度的高纯度或铝制成。除有特殊要求外，导体一般采用多股紧压而成；

导体屏蔽：由半导体材料组成，具有较低的体积电阻率，与导体接触，与绝缘层紧密 贴合；

绝缘屏蔽：结构与功能与导体屏蔽类似，其与内护层（金属屏蔽层）相接触，与绝缘层紧密贴合；

内护层：一般为铜带，按一定方式绕包在绝缘屏蔽上，工作时，内护层引出接地；

填芯和填料：作填充用，使电缆整体成圆形；

玻璃丝带：包裹着导体及填芯使电缆成圆形；

外护套：包覆在电缆护套（内护层）外面的保护覆盖层，主要起机械加强和防腐蚀作用。金属护套的外护层为衬垫层、铠装层和外被套三部分组成。衬垫 层位于金属护套与铠装层之间，起铠装衬垫和金 属护套防腐蚀作用；铠装层为金属带或金属丝，主要起机械保护作用，金属丝可承受 拉力；外被层在铠装层外面对金属铠装起防腐作用。

1.2XLPE电缆绝缘原理

每相电缆内存在两个电极：处于高电势的导体和处于地电势的铜屏蔽层理想情况下，电极之间的等势面为与两个电极同轴的圆柱面。

实际中，由于两个电极的材料和结构，使其不可能与绝缘层紧密贴合，因此在两个电极与绝缘层之间加入了半导体屏蔽层，半导体屏蔽层与绝缘层贴合紧密，大大减小了局部放电。

在现场安装过程中电缆需要与其它设备相连，需制作电缆终端，在制作过程中需要将绝缘层外的半导体屏蔽剥离，由于被剥离的电极在截断处曲率半径很小，使电场在该处集中，轴向场强很强，如不加处理，该处极可能发生沿绝缘层表面的闪络，影响电缆安全运行。

1.3处理电缆沿绝缘层表面的闪络主要方法

1.3.1加装应力锥

应力锥的结构为：使用电阻率很低的半导体材料制成锥状的电极，与被截断的半导体屏蔽层相连接，应力锥与本体之间则采用绝缘材料填充，使地电势向上延伸，改变了原本曲率半径较小的电极形状，从而改善了电场的分布。

1.3.2加装应力管

应力管的结构为：应力管的结构比应力锥简单，为高介电常数，中电阻率的单一材料制成，一般为筒状，并具有良好的收缩性，安装时，套在半导体截断处，良好接触，无气隙。

在未装应力管前，半导体截断处的界面的介质为空气，空气的介电常数约为1，电阻率也较大，因此其容抗与电阻均较大。而应力管介电常数远高于1，电阻率也远小于空气，因此其阻抗远小于空气，在安装之后，代替了界面处的空气，其单位长度在轴向的阻抗网络中，分得的轴向电压变低，使界面的轴向场强大大减小。

二、 10kV电缆终端常见错误布置

2.1电缆终端布置要求

电缆布置时，首先要知道电缆终端哪些是地电位，哪些是高电势的电极。铜屏蔽层剥离处以下均应视作地电位，应与其他高电势的电极（导体）保持足够的空气距离。同时铜屏蔽剥离处以上的区域均应视作带电部位，应远离其它相，以及接地的各种构架、尖端状的电极，

2.2几种电缆常见错误布置

电缆头为热缩电缆头，电缆终端主绝缘靠在角钢上，由于电缆终端外表面带电，会对角钢产生局放，在阴雨天气有肉眼可见的放电火花，导致电缆与角钢接触处的绝缘劣化，有明显的烧蚀痕迹。

三、 XLPE电缆事故案例分析

2011年5月9日110kV××站新安装10kV电容四路927#开关柜及电容器组，交接试验后投入运行。一个月后户外电缆头B相炸毁，

2012年3月29日，在35kV××站，与110kV××站同型号，同厂家的电缆头在进行交流耐压时，应力管处连续击穿3次

2、故障原因分析

为了找到电缆头击穿的原因，首先了解电缆头结构，故障的始发点在应力锥位置，应力锥末端在轴向场强作用下产生放电击穿，短路电流从铜屏蔽流向接地线，导致铜屏蔽烧毁。假如故障点在应力锥之下的其它某个地方（图5），由于硅橡胶具有阻燃性那么在故障点以上的电缆终端不会烧毁，因为，根据电路的基本原理，电流一定是从高电位端流向低电位端，在故障点以上部位为高电位或等电位部分，故障点以下部分为地电位部分，因此故障电流只能从故障点流向接地线。

应力锥在设计时，其顶部的轴向场强最大，顶部以下曲面的轴向场强设计为近似相等的值。因此，故障的始发区域应当是应力锥顶部附近的界面。

从该厂家该型号产品最近六次的电缆头故障来看，无一例外都在应力锥主绝缘交界处发生击穿。通过对故障应力锥和电缆的解剖，本体绝缘的厚度符合国家标准要求，也未发现气隙、杂质等绝缘缺陷，且应力锥与硅橡胶浇筑良好，硅橡胶与本体绝缘接触良好不存在气隙。符合国家标准的绝缘厚度要求、性能良好的硅橡胶和交联聚乙烯在10kV场强不可能直接发生径向的击穿，因此击穿最开始的原因应当是轴向场强使界面发生闪络。

四、对10kV电缆安装的几点建议

（1）由于应力锥和应力管往往为厂家预制的，其半径往往固定。针对不同型号不同半径的电缆要合理选用，保證应力锥和应力管的半径与电缆的半径相适应，既不能太细，也不能太粗。使两者接触良好为宜；

（2）对半导体屏蔽层进行剥离时，应注意防止损伤主绝缘；

（3）切断半导体屏蔽层时，应使其延轴向尽量平整光滑；

（4）对主绝缘进行清洁时，应防止半导体颗粒、导体金属颗粒、水分、其它杂质污染主绝缘界面，尤其对应力锥和应力管覆盖的界面尤其应当注意。

（5）电缆终端各相电缆头的布置非常重要，在国家标准中对电缆头的布置也有要求。电缆头的布置一定要考虑到避免电应力集中的情况。但从现场的实际情况来看，相当部分人对电缆头的布置不是很了解，随意很大，埋下隐患，导致电缆故障。由于10kV开关柜内空间狭小，如果采用双电缆，则很难保证电缆相间和对地距离，易产生故障。因此，在10kV开关柜内尽量避免采用双电缆。