高压电缆瓷套式终端故障导致瓷套管爆裂机理分析

李绍斌， 彭勇， 唐文博， 杨政， 范芳坤

(长缆电工科技股份有限公司， 湖南 长沙410205)

0 引言

目前高压电缆含绝缘填充剂的套管终端外绝缘主要有瓷套管绝缘和复合套管绝缘两种类型。 其中， 瓷套式电缆终端外绝缘为陶瓷材料制造， 陶瓷材料作为最为传统的无机绝缘材料， 相对于有机绝缘材料， 稳定性好， 且其拥有出色的绝缘性、 耐侯性和高抗压性等优势， 在电力系统中得到广泛运用[1]。 但由于电力电缆及附件采用封闭式紧凑型结构[2]， 高压瓷套式终端发生内绝缘击穿故障时，套管内部压力剧增[3]， 可能导致瓷套爆裂。 在故障应力的作用下， 釉面瓷片和其他碎片飞散到周围区域， 对相邻设备造成伤害[4]。

此前， 有学者专门针对高压瓷套式终端站的防爆措施开展了研究工作， 指出瓷套终端防爆的必要性， 并提出了相应的措施， 但并未对瓷套终端故障导致瓷套爆裂的机理进行分析。 高压电缆终端套管爆裂是一系列复杂物理化学综合作用的结果。 放电电弧释放的巨大能量， 导致固体材料断裂， 以及密封空间内气体迅速膨胀[3]。 瓷套管爆裂与高温和高压力两个因素相关。

本文主要以目前市场上广泛运用的日式结构的高压电缆瓷套故障中产生的温度和压力对瓷套管爆裂的影响进行分析， 探究瓷套爆裂的机理， 为产品设计及运行维护提供依据。

1 套管爆裂影响因素分析

高压瓷套管终端内部电缆发生击穿故障后会对终端产生不同结果的影响， 轻则造成终端密封失效， 导致填充剂泄漏， 重则造成瓷套管爆裂， 下面详细分析造成套管爆裂的原因。

1.1 日式套管终端结构及故障类型

高压电缆日式套管终端的结构特点是在应力控制单元上增加一套机械的弹簧装置以保证应力控制单元与电缆之间截面上的压力恒定， 如图1 所示，并且在应力控制单元外面多了一个应力锥罩， 将应力锥与绝缘剂隔离[5]， 此类终端在我国有大量的实际运用。

图1 日式套管终端结构及常见击穿点

日式套管终端内电缆绝缘被击穿后对大地放电有两大类途径。

故障类型1: 第一种途径是击穿部位位于应力锥下方， 电流沿着半导电屏蔽端口和铜网再经过尾管接地对地放电， 电流路径如图2 所示。

图2 故障类型1 电流路径

故障类型2: 另一种途径为击穿点位于应力锥上部， 电缆绝缘以及应力锥罩甚至应力锥绝缘同时被击穿， 电流沿着应力锥罩内嵌件对地放电， 如图3 所示。

图3 故障类型2 电流路径

1.2 电弧能量的计算

当电缆绝缘击穿并对地短路放电时， 其集中参数等效电路简化模型如图4 所示。

图4 终端为单相故障， U0为电路相电压64 kV，Z0为高架线路及电缆电抗， R 为终端击穿点到地的等效电阻。 于是单相对地短路时电流Isc为:

式中， Z0为零序电抗， 查阅相关资料后确定高架线零序电抗为2.2 Ω/km[6]； R 为电流可能经过路径的电阻， 包括击穿电弧电阻、 接地电阻、 铜网、编织带等电阻。 击穿电弧这一部分的电阻可以使用Cassie 模型[7]进行计算:

式中， u、 i 分别为瞬时电弧电压与瞬时电弧电流；E0为电弧暂态稳定电压； τ 为时间常数， 在电流大于1 000 A 的条件下， 取为0.000 1 s[7]。 经过计算，求得gc=2.4 Ω， 接地电阻一般为10 Ω 以内[8]， 其他铜网、 铜编织带、 铝护套以及锥罩内嵌件等， 电阻值相对于线路电抗都较小， 因此忽略不计。

假设架空线的距离为1 km， 断路器的反应时间为0.1 s， 则击穿电弧固化的能量按下式估算:

式中， E 为电弧固化的能量， t0为短路持续时间，计算可得电弧能量约为9.4×103kj， 按1 g TNT 爆炸释放能量4 184 J 计算[9]， 电弧总能量约为2 kg TNT 爆炸释放的能量。

从以上计算可以看出， 故障时产生的电弧拥有巨大的能量， 对电弧周围的绝缘物质甚至是金属造成破坏。 在密闭空间内， 超高的温度造成绝缘物质气化裂解会产生较高的压力， 对终端的结构造成破坏。

1.3 电弧等离子体压强计算

在电缆绝缘被击穿之后， 介质失去绝缘性能，形成导电击穿通道， 如图5 所示。 因此， 此时通道中的初始压力即为内部等离子体的压力， 要计算其压力需了解等离子体的状态类型。

图5 击穿点示意图

等离子体一共有四类存在状态， 分别为完全电离等离子体Ⅰ， 部分电离弱耦合等离子体Ⅱ， 强简并等离子体Ⅲ， 强耦合等离子体Ⅳ[11]， 如图6 所示。 不同状态的等离子体性质差别很大， 为了得到等离子的详细的数据， 将对等离子体的简并态首先进行分析， 粒子简并度参数可用α 表示如下:

式中， n 为粒子数密度； h 为普朗克常数； m 为粒子质量； k 为玻尔兹曼常数； 可以求出， α ＜＜1，模型接近于高温稀薄等离子体的模型。

图6 四种不同类型的等离子体状态

因此等离子体的压力可以按照以下方程来计算:

式中， P 为压强； ε 为比内能； n 为粒子数密度； γ为气体比热比， 与气体的内部自由度相关， 如果气体有q 个自由度， 则γ = 1 + 2/q； 对于单原子分子， q = 3， γ = 5/3； 对 于 双 原 子 分 子， q = 5，γ=7/5； T 为瞬态温度， 可以利用等离子体比热容估算， 于是温度T 为:

式中， W 为总能量； C 为等离子体的比热容， 范围为5 000～25 000 J/ (kg·℃)[12]； m 为击穿通道的质量。 根据事故后的现象分析， 电缆绝缘的击穿孔径为30 mm[13]， 根据击穿XLPE 的体积密度可以估算出等离子体的温度T 的范围为3 × 104～1.5×105℃， 因此等离子体产生的压力范围约为4.8×104～2.4×105MPa。 等离子体会冲出击穿通道并会继续裂解周围的绝缘物质， 造成应力锥撕裂和烧蚀产生混合气体。

1.4 瓷套受内压强度校核

从计算可以看到， 等离子体的初始压力非常之高， 会对终端的结构造成巨大的影响， 因此， 有必要校核高压瓷套式终端的结构强度， 了解瓷套终端的薄弱点。

如图7 所示， 绝缘体击穿产生气体造成瓷套内部压力增大时， 顶部法兰的强度较高， 因此只计算比较顶盖与瓷套壁面失效的内部压力。

图7 顶盖环形受力面

1) 对于顶盖破坏受力计算， 将瓷套终端的顶部简化为由平面环形端盖与若干颗不锈钢螺栓压紧密封， 螺栓有效面积Ae:

式中， de为螺栓的有效直径， mm。

于是螺栓总的抗拉力F 为:

式中， σb为螺栓的屈服强度， nL为螺栓数量， 因此破坏端盖的压强约为:

式中， S端为环形端盖受压的面积。

如图7 对于市场主流运用的110 kV 日式套管终端， 顶盖的破坏压强约为50 MPa。

2) 对于瓷套破坏受力计算， 将瓷套简化为无伞裙的厚壁压力容器进行计算。 在厚壁圆筒中， 筒体处于三向应力状态， 分别为环向应力σθ为拉应力， 径向应力σr为压应力， 沿壁厚非均匀分布以及σz轴向应力， 其大小介于环向应力与径向应力之间， 为沿壁厚均匀分布[14]。 由于陶瓷为脆性材料， 考虑用第一强度理论校核， 故校核其环向应力σθ。

为了简化计算， 忽略套管的伞裙结构， 根据拉美公式， 瓷套厚壁圆筒仅内压作用时内壁的环向应力为:

式中， pi为瓷套内压， K 为瓷套去除裙边的外径与内径之比， 由于瓷套不是规则圆筒， 而故障经常发生在应力锥部位， 故以应力锥处作为计算截面取K=1.32， 而陶瓷的抗拉强度约为160 MPa， 而瓷套的许用应力[σt] 一般取拉伸强度的0.33 倍，因此当σθ≥[σt] 认为瓷套受到破坏。 将以上数据代入式(10) 得到pi约为13.1 MPa。 由此可见高压瓷套管终端的薄弱位置在于瓷套体本身。

1.5 等离子体压力对不同击穿模型的影响

当击穿点位于半导电口附近或者以下时， 击穿通道与锥托空间与尾管空间相连通， 因此当此处发生击穿时， 通道的等离子体压力能够得以迅速释放， 会很大程度减小对尾管和瓷套的冲击。 锥托和腔体的空间体积为击穿通道空间的数百倍， 温度会下降到1 000℃以内， 由于P∝T/V， 因此尾管比较难发生破坏。 尾管还会流经大电流和受电弧影响，因此受到温度影响尾管的强度会减弱， 不能抵挡住混合气体的冲击， 或者直接被电弧融化。

在故障类型2 中， 击穿点在应力锥或以上部位， 当击穿点位于应力锥绝缘时， 电场会将应力锥罩同时击穿， 电流通过击穿通道和应力锥罩内嵌件对地短路放电， 同时在击穿通道产生极高的温度和巨大的压力， 而此处不与应力锥托所在的空间连通， 因此压力无处释放， 只能通过冲击对周围的部件而进行释放， 而硅油作为不可压缩液体， 不能起到缓冲作用， 因此瓷套很可能在这种冲击下发生破坏。

当击穿点位于应力锥上部电缆绝缘与硅油接触处时， 其情况更恶劣， 由于一般情况下瓷套内径与高度成反比， 因此击穿点越高冲击波就越容易作用于瓷套。 因此当击穿点位于硅油界面时， 瓷套更容易发生爆裂。

1.6 温度对高压瓷套终端的影响

电介质被击穿会伴随着高温使击穿通道中的介质击穿电离， 而通道边缘会产生碳化现象， 因此，在击穿通道的边缘， 绝缘物质的温度必然为其碳化温度， 于是可以把橡胶的碳化温度作为边界条件，利用Simulation 有限元分析软件[15-16]对击穿过程进行热分析。

在故障类型2 中击穿位置离瓷套壁更近。 电流沿着应力锥嵌件对地放电， 电流流过应力锥嵌件会产生大量热量， 通过传导传递到四周， 但无论中心温度如何， 绝缘物质的边缘温度必定为其碳化的临界温度， 因此以击穿边缘温度为碳化温度(500℃)，其他部位初始温度为20 ℃为边界条件做仿真分析，具体仿真参数见表1。

表1 仿真参数

模拟击穿后稳定10 s 击穿通道周围温度分布情况， 其结果如图8 所示。

图8 模拟击穿仿真结果

根据图8 显示， 当应力锥罩击穿时， 10 s 后通过锥罩和硅油传递到瓷套的温度仅为20 ℃， 几乎没有升温。 由此可见击穿短时间内热量在终端内部的瞬时传导情况很差。 应力锥罩的材料为环氧树脂， 其拉伸强度约为80 MPa， 在此压力下应力锥罩已经分解破坏， 高温高压等离子体会直接冲击瓷套， 对瓷套产生不利影响。

由于高压电缆击穿后持续发热， 瓷套厚壁圆筒还会受到热应力作用， 其内表面环向的热应力表达式为:

下面分析当高压气体冲击瓷套壁时， 瓷套壁仅在温度的作用下受力情况。 仿真条件为1 000 ℃的气体作用在瓷套内壁上1 s 之后， 忽略冲击压力影响， 瓷套壁的受力情况， 结果如图9 所示。 从结果可以看出瓷套壁最大应力超过了900 MPa， 超过了瓷套材料的拉伸强度， 因此瓷套在热冲击压力的作用下会发生爆裂。

图9 温度冲击仿真效果

2 结果分析

1) 终端绝缘物质被击穿后电离的等离子体压力非常大， 将应力锥撕裂开， 再通过锥罩和绝缘剂对瓷套产生冲击或者在绝缘剂内直接产生冲击波破坏瓷套。

2) 根据瞬态传热仿真分析， 不考虑压力冲击， 由于终端内部物质大多传热性能差， 单纯温度传递速度较慢， 击穿部位的温度难以影响到瓷套壁。

3) 高压套管式终端的结构薄弱点在瓷套管，当瓷套内外温差达到一定程度时， 瓷套会在热应力的作用下产生破坏， 因此瓷套管的高低温循环性能是其重要的指标之一。 如果击穿时高温等离子体冲击到瓷套内壁， 则瓷套在温度和压力的作用下会发生破坏爆裂。

4) 终端内电缆不同位置击穿导致不同结果，在应力锥以上的部位击穿易导致爆裂现象， 而应力锥半导电以下部位击穿则不易导致套管爆裂。

3 结语

本文根据以往的瓷套终端爆裂事故， 通过计算分析击穿电弧带来的一系列影响， 得出了高压电缆日式终端爆裂的原因: 电缆终端应力锥绝缘上部击穿时绝缘物质电离会产生高温高压等离子体， 进而会气化裂解周围材料产生高温高压的混合气体， 高温高压气体的压力会通过绝缘油传递到瓷套壁上，使瓷套壁发生爆裂破坏。

高压瓷套式有着优良的耐候性、 绝缘性和力学性能， 但由于发生故障时可能会导致瓷套管爆裂，威胁到人员财产安全而限制了其应用场景。 通过对瓷套管爆裂的机理分析， 为将来的电力建设中应用高压瓷套管终端采取一定的防爆措施提供参考作用， 减少故障带来的次生损失， 提升高压瓷套管终端的应用场景。