杂质引发高压电缆户外终端硅橡胶电树枝绝缘击穿分析*

2020-10-27周凤争宋鹏先朱晓辉孟峥峥朱明正房晟辰

合成材料老化与应用 2020年5期

周凤争，宋鹏先，朱晓辉，孟峥峥，李旭，朱明正，于洋，房晟辰

（国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384）

目前高压交联聚乙烯（XLPE）电缆线路以其安全可靠、节省空间和节约城市土地资源的特点，得到越来越多的应用。尤其是高压变电站内变压器和气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）之间、高压变电站与高压变电站之间广泛采用高压电缆线路进行连接。高压电缆线路的安全运行对电力系统运行具有重要意义。

图1 高压电缆户外终端结构图Fig.1 Structure of high voltage outdoor cable terminal

电缆附件是电缆线路的薄弱环节，近年来系统内发生多起高压电缆户外终端绝缘击穿故障，经过分析发现主要原因是终端内部存在杂质引起的硅橡胶电树枝放电缺陷。电树枝老化是导致硅橡胶电缆附件劣化的首要原因,文献[1-7]对硅橡胶电树枝放电的机理进行了深入分析，主要采用硅橡胶试样在各种试验条件下进行的模拟分析，缺少实际的案例分析。本文针对一起220kV高压电缆户外终端硅橡胶电树枝绝缘击穿故障进行了深入分析，并提出预防措施。高压电缆户外终端的结构如图1所示，结构主要包括高压电缆本体、硅橡胶应力锥、户外瓷套或复合套管以及内部填充的硅油。

1 高压电缆户外终端故障分析与仿真

1.1 高压电缆户外终端故障分析

一条220kV高压电缆户外终端发生绝缘击穿故障，电缆一相套管终端向避雷器侧倾斜45度，塔下有大片油迹及套管支撑绝缘子碎片，如图2所示。

图2 220kV高压电缆户外终端故障图Fig.2 Insulation breakdown of 220kV high voltage outdoor cable terminals

对故障终端进行故障解剖分析，其故障击穿路径如图3所示，击穿路径一端位于应力锥内部半导电处，另一端位于电缆本体上与应力锥交界处。

图3 故障击穿路径图Fig.3 Path of insulation breakdown

应力锥与电缆本体故障点的相对位置，如图4所示。

图4 故障点与电缆的相对位置图Fig.4 Relative position between cable and insulation breakdown point

在击穿通道周围，有明显的电树枝放电痕迹，如图5所示。通过近距离观察应力锥表面，可以看到，在击穿路径旁边存在一独立的放电痕迹。

图5 应力锥表面电树痕迹Fig.5 Electrical tree on the surface of stress cone

如果击穿是由绝缘油质量问题或者受潮导致，则在应力锥表面会留下环状或者面状的放电痕迹，而不会形成图中单独的一个放电点。分析认为，在终端施工过程中，应力锥表面存在脏污，或者在安装过程中，如吊装瓷套管时落入了其他杂质。在运行过程中，杂质在电场力或绝缘油热对流的作用下，吸附在应力锥表面上的高场强区域，造成应力锥表面场强畸变并在表面形成电树，电树向距离最近的地电位处发展，最终导致绝缘击穿，形成了由电缆导体经过主绝缘、应力锥绝缘部分至应力锥半导电部分的击穿通道，放电能力通过半导体部分对地释放，引起套管尾部炸裂，击穿过程示意图如图6所示。

图6 击穿过程示意图Fig.6 The processes of Insulation breakdown

1.2 仿真分析

采用ansoft maxwell电磁场有限元分析软件对图1所示的220kV高压电缆户外充油终端进行了仿真分析，其电位分布图和电场强度分布图分别如图7和图8所示。在图7中，红色为高电位，最高为相电压127kV，蓝色为地电位0V，在应力锥以下部分，电位分布主要集中在XLPE绝缘部分，应力锥以上部分，电压分布从高压线芯过渡到应力锥。在图8的高压电缆户外终端场强分布图中，可以看出，在应力锥以下部分，场强集中在XLPE绝缘中；在应力锥以上部分，场强主要集中在应力锥喇叭口端部。