浅析高压电力电缆击穿与措施

焦宏所 刘召见 李影 常军 马龙

摘  要：高压电力电缆作为输电系统的中枢纽带，遍布整个电力系统的主干输电线路。随着人们用电需求的提高，高压电力电缆的安全性和可靠性得到了很大提升，但高压电缆击穿问题依然存在，电缆的击穿会严重影响电力的供应。本文总结了二十多年来出厂检验过程中电缆击穿的实例，分析高压电缆绝缘电击穿类型，提出提升高压电缆产品质量的措施。

关键词：高压电缆;绝缘;击穿

1  引言

电缆绝缘只能在一定的电场强度以内，才能保持介电特性。当电场强度超过绝缘本身能够承受的某一临界值时，绝缘就会由介电状态变为导电状态，这一过程即为击穿。一般固体电介质击穿分为电击穿、热击穿及电化学击穿。本文主要针对电缆绝缘电击穿进行探讨。

电缆绝缘电击穿是指在一定电场的环境下，因缺陷导致该处电场集中，周围材料电极化，自由电子越来越多，最后形成连接导体至金属护套的导电通道。下面针对出厂耐压试验过程中击穿进行分析。

2  击穿点定位

击穿点的粗测定位方法有：电桥法、驻波法、脉冲法和闪络法;较精确的方法有音频法和声测法等等。但各种定位方法都会对击穿点有不同程度的破坏，失去电树枝击穿形态。为准确分析击穿的原因，采用直接扒除金属护套的方法，找到击穿点后，对击穿点进行硅油试验，分析击穿通道的类型。

3  击穿原因分析

针对各种击穿图像，可以将击穿通道分成三种典型的类型：

3.1 类型一：绝缘内部存在缺陷

击穿通道：这类击穿图像显示绝缘内部击穿通道两头粗、中间细，或者中间部分出现拐弯的情况，两端均有明显的电树枝，有时电树枝因击穿时被破坏后留下较粗的击穿通道。

原因分析：这类缺陷主要是绝缘内部存在杂质、粒子、气隙等引起，这类缺陷较严重时，在局放试验过程中就会出现明显的放电现象，较轻微时在局放试验过程中没有观察到放电现象，但耐压一段时间发生击穿。杂质有原材料本身异物或者在加料过程中异物進入，但原材料本身异物的情况极少碰到。粒子、气隙是挤出过程温控异常以及绝缘内部应力过大等因素。

3.2 类型二：绝缘屏蔽存在缺陷

击穿通道：靠近外屏蔽处绝缘击穿通道较直，没有明显的电树枝，另一端绝缘至内屏蔽部分有明显的电树枝。

原因分析：这类击穿起点是外屏蔽或靠近外屏蔽的绝缘。主要有外屏蔽与绝缘界面存在严重的凸凹（如焦烧颗粒），或在转运过程中绝缘线芯碰伤。焦烧颗粒一般是挤出过程温控异常造成，绝缘线芯碰伤如果露出绝缘，在局放过程中就会有明显的放电现象，轻微碰伤会出现没有观察到放电现象，但耐压一段时间发生击穿。

3.3 类型三：导体屏蔽存在缺陷

击穿通道：靠近内屏蔽处绝缘击穿通道较直，没有明显的电树枝，另一端绝缘至外屏蔽部分有明显的电树枝。

原因分析：这类击穿起点是内屏蔽或靠近内屏蔽的绝缘，主要有内屏蔽与绝缘界面存在严重的凸凹（如焦烧颗粒）、或导体缺陷。焦烧颗粒一般是挤出过程温控异常造成，较深凹坑是导体外的绕包带受损伤，在交联管内氮气压力将内屏蔽压入导体，绝缘随着进入内屏蔽。导体缺陷是导体毛刺。

4  预防措施

4.1 保证导体质量

内屏蔽料的电阻远大于导体电阻，内屏蔽与导体并不是完全等电位体，也会存在电位差。只要有电位差，内部的毛刺就会产生放电，因电位差很小，放电量也很小。如此处绝缘有微小缺陷，那么微小的放电也会引起绝缘的破坏，一旦达到影响绝缘性能的程度，就会引起绝缘击穿。所以要避免导体毛刺等影响导体圆滑程度的缺陷，同时要避免屏蔽层厚薄不均，以此来削弱导体质量对电缆质量的影响。

4.2 保证净化等级

绝缘的耐压程度取决于材料的性能，目前要求绝缘料中存在的金属杂质直径不大于50μm，非金属杂质直径不大于70μm（更高的要求为不大于50μm）[1]，如果材料中混入异物会使电场分布不均匀，容易造成击穿。所以生产的环境要保证作业过程及材料的流道符合相应的净化等级，如：换料作业，料斗、料道、过滤盘、机头螺杆的清理组装以及过滤网的选择，此外建议对主机室进行千级净化，身着净化服进行相关作业。

4.3 保证材料稳定

如果材料不稳定必然会在挤出过程中出现挤出参数的变化，形成缺陷。所以材料使用前必须经过恒温处理，屏蔽料要进行烘料处理，绝缘料禁止不同批号混用。

4.4 保证挤出效果良好

电缆料的挤出性能主要与材料的粘度特性、分子量及其分布有关[2]，体现在挤出压力及电机负载，取决于模具选配、过滤网选择、螺杆转速、机头结构以及温度控制。由于交联绝缘料在115℃以上环境中停留超过15min就会逐步出现预交联[3]，时间稍长就会形成块状物。如果料流存在死角，那么该处材料就会长时间处在流动异常的情况下，挤出的某一小区域材料容易改性最后形成粒子，使得场强畸变。所以既要保证材料实际温度、螺杆转速符合加工范围，又要保证料流顺畅、避免死角。

4.5 保证应力消除

当交联线芯从交联段至冷却段过程中，温度下降200余度。在这过程中，可能存在交联线芯内外层冷却不均，导致绝缘芯层冷却结晶[4]，结晶导致材料在亚微观上的不均匀性[5];在绝缘内部产生的机械应力值超出材料的破坏强度就会导致了晶界无定型区的裂纹状弱区出现。所以，从加热到冷却过程要梯度降温、适当降低表面温度，从而达到绝缘缓慢冷却。

4.6 保证脱气要求

脱气后降低绝缘内交联副产物的含量，挥发的交联副产物给XLPE中引入了苯乙烯基和羰基两种极性基团[6]，使XLPE 绝缘的相对介电常数增大，XLPE 绝缘的电导率和低频介质损耗因数也增大。同时脱气过程中外层绝缘的交联副产物挥发量最大，内层绝缘的挥发量最小，而交联副产物在XLPE绝缘中的分布不均匀造成介电性能和力学性能分布不均匀。而相反，长时间抽真空脱气，也会有不利影响。因为绝缘内部都有空间，这种空间很小，肉眼看不到。在绝缘线芯没脱气前，我们在硅油试验时，常看到有很大气泡，是因为气体受热膨胀的缘故;在绝缘线芯脱气后，原来的气泡看不见。并不是气体出去后原气体占的空间已填满，原气体占的空间仍然存在，仅仅是因为太小，肉眼看不到。在空间内气体很多，电子经过空间时，与气体发生多次碰撞，产生大量能量，引起放电。同样，当没有气体时，电子经过空间时，没有阻力，能产生加速，经过空间后因加速也会产生大量能量，引起放电。因此，气体不能多也不能少，即要严格执行脱气温度及时间的工艺要求。

4.7 避免外力损伤

交联线芯的损伤相当于减薄了外屏厚度，当损坏处外屏厚度不足以起到均化电场的作用时可能会发生击穿。在外力冲击的同时，也会在靠近外屏的绝缘上产生应力。所以，从绝缘线芯挤出到下道工序生产都要注意线芯的防护。如：定期清理管道及排污系统，合理控制张力、悬垂、导轮防护、收线防护等线芯能接触到的位置。

4.4 保证收线筒体满足电缆弯曲半径要求

弯曲半径越小对绝缘线芯质量影响越大，到了一定程度，影响较小，但仍有影响。因为绝缘线芯缠绕在线盘上，绝缘外层与绝缘内层因弯曲受拉伸程度不同，绝缘线芯外远远大于绝缘线芯内。绝缘与绝缘屏蔽的材料不同，断裂伸长率差距很大。原来绝缘屏蔽与绝缘粘贴牢固是不可剥离的，在多次受力后，在绝缘与绝缘屏蔽界面上会产生滑动、轻微气隙。如此处绝缘很好的情况下，可能没问题。但此处绝缘如有微小缺陷，微小的放电也会引进绝缘的破坏，当放电量一旦达到影响绝缘性能的程度，就会引起绝缘击穿。

5  结论

根据高压电缆的击穿类型，从内屏蔽、绝缘、外屏蔽三个方面找到造成绝缘线芯击穿的原因，再从人、机、料、法、环各个环节对产生击穿的原因准确管控，才能逐渐提高高压电缆的产品质量，提高电网稳定性。

参考文献 References

[1]王岩.赵斌.交联聚乙烯绝缘电缆的制造技术[J].电线电缆， 2014（5）：13-16

[2]华良伟.冯勇.茅雁.等.交联聚乙烯绝缘材料性能与挤出工艺的探讨[J].电线电缆.1999（6）：42-45

[3]金金元.影响交联电缆局部放电水平的因素[J].光纤与电缆及其应用技术.2012（6）：22-24

[4]刘召见.马兰杰.新技术在高压电缆VCV生产线的应用[J].电线电缆.2012（1）：35-37

[5]谢安生.李盛涛.郑晓泉.等.外施电压频率对XLPE电缆绝缘中电树枝生长特性的影响[J].电工电能新技术.2006：25（3）：33-36