10 kV 环网柜电缆肘型头故障分析

2022-06-28赵腾飞聂永杰

山西电力 2022年3期

赵腾飞，聂永杰，孙宬

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217；2.云南电网有限责任公司研究生工作站，云南昆明 650217）

0 引言

电力系统故障统计分析表明，电缆附件发生故障的比例占到电缆运行故障的一半以上，电缆附件主要包括电缆终端和接头，电缆接头又称电缆头。电缆铺设好后，为了使其成为一个连续的线路，各段线必须连接为一个整体，这些连接点就称为电缆接头。电缆线路中间部位的电缆接头称为中间接头，而线路两末端的电缆接头称为终端头。电缆接头是用来锁紧和固定进出线，起到防水防尘防震动的作用。电缆肘型接头是电缆接头的一种。10 kV环网柜作为小区域电网配电变电的核心设备，其安全运行对电网有较大的意义[1]。然而，近年来环网柜烧毁故障频发，分析发现环网柜烧毁的原因大多是因为电缆肘型头发生故障[2-6]。肘型头长期运行在封闭环境中，当表面受潮、黏污，会使表面电场分布发生畸变，引发局部放电，最终造成绝缘击穿，严重影响电力系统的安全性与稳定性[7]。因此，对电缆肘型头故障进行分析并有针对性地做好防范措施显得尤为重要。目前，关于电缆肘型头故障分析的文献较少，大部分从电缆附件生产质量、施工工艺和运行环境等方面去分析。刘凤莲等对220 kV 高压故障电缆线路进行解体分析，发现电缆接头的铜壳与铝护套间的焊接工艺不规范，接头两侧的焊点处存在接触面积不足、虚焊、脱焊等现象[8]。伍弘等对110 kV 整体预制干式电缆故障终端进行X 光图谱检测与解体分析，发现电缆预制橡胶件有损坏，应力锥内表面半导电部位与绝缘结合处烧蚀、碳化痕迹明显，且绝缘与半导电材料均出现裂纹[9]。本文以云南电网为背景，分析肘型头的故障原因，并提出相应的防范措施。

1 肘型头结构介绍

肘型头是环网柜电缆连接头的重要组成部件，其作用是增强高压带电导体相间及对地箱体外壳绝缘，防止高压带电导体直接裸露在空气中，以弥补分接箱或环网柜相间及对地空气距离不足的弱点。

目前，常用的肘型头结构有两种类型，即非屏蔽型和屏蔽型[10]。二者作用基本相当，区别之处在于有无内、外屏蔽层。非屏蔽型既无内屏蔽又无外屏蔽，只有绝缘层。在运行中外表面是不接地的，有悬浮电位，相间或与任何接地体都必须保持一定的空气距离，它实际上是橡胶绝缘层（一般为硅橡胶或三元乙丙橡胶）与空气的复合绝缘。对屏蔽型来说，比非屏蔽型多了内、外两层屏蔽。内屏蔽层采用半导电橡胶硫化成型，与绝缘层复合成一体。它的作用是使电缆导体连接处的空气隙处于等电位下，防止接线端子表面尖锐处因电场畸变而发生电晕放电。外屏蔽运行时接地使护套外表面保持零电位，带电可触摸，无须考虑对外部屏蔽的安全距离，可有效防止人员误碰而发生触电。

2 故障概述

在云南电网发生的多起线路故障中，我们选择以下案例进行分析。一是A 供电局案例：10 kV 1号路线（八号路段）8 号高压分支箱靠小号侧W 相电缆肘型头烧毁；二是B 供电局案例：10 kV 金沙线电缆分支箱烧毁；三是C 供电局案例：10 kV 城关线B5 地块电缆分支箱烧毁；四是D 供电局案例：安宁变电站10 kV 宁湖开关站010 开关出线电缆头击穿。这几起故障初步提取的故障特征为：故障表象基本都为10 kV 电缆分接箱肘型电缆头击穿或烧毁，运行人员对肘型头进行验电发现，前3个案例的电缆肘型头外部表面均带电。

3 肘型头故障分析

电缆肘型头烧毁或击穿，一般起始于某一部位的局部放电（以下简称“局放”）。随着局放的加剧，将造成肘型形头直接击穿或者起火，线路跳闸。肘型头的烧毁或击穿是一个“局放发生—局放发展—烧毁或击穿”的过程，特别是局放的发生至局放发展环节，有较长的时间尺度效应。常见的肘型头局部放电原因如表1 所示。

表1 肘型头局部放电原因

此外，与供电局现场工作人员沟通发现，在电缆分支箱的日常巡检中，很少进行局放、红外热扫描、紫外成像等必要的检测，错过了早期发现缺陷的时机，直至造成线路跳闸。下面根据部分现场故障进行简单的原因判定。

3.1 肘型头电荷的产生及电位形成原因

据现场工作人员介绍，分接箱的插头为屏蔽型，但工艺较差，采用的是表面喷涂半导电层，容易脱落，脱落后形成局部高阻。从现场故障可知，肘型头屏蔽型工艺较差，采用的是表面喷涂半导电层，容易脱落，脱落后形成局部高阻，此时该“屏蔽型”肘型头实际类似于“非屏蔽型”肘型头。另外，错误地将接地金属抱箍固定在了绝缘胶带上，没能和插头表面半导电层良好接触，属于无效接地。

“局部高阻”+“无效接地”导致肘型头的实际结构是“金属导体—内屏蔽层—绝缘层—外局部高阻层—空气—大地”。在交流情况下，电场分布与绝缘材料的介电常数相关，空气的介电常数小，所以肘型头周围的空气承担的电场强度较大，在较大的电场强度下，空气中会产生一些电荷沉积在肘型头的外层上，外层的高阻状态及无效接地，导致沉积的电荷无法移动、释放，因此形成了较高的“悬浮”电位。

肘型头喷涂的外屏蔽层不连续脱落，形成局部高阻效应，使其不完全是绝缘层。所以，“导体—内半导电屏蔽层—绝缘层—外半导电屏蔽层—空气—大地”可等效为“电容器”效应，在外半导电屏蔽层上产生感应电压，形成悬浮电位。悬浮电位高到一定程度，会出现肘型头对地以及相间的放电。通过肘型头外半导电屏蔽层的可靠接地，可以释放感应电压，避免肘型头对地及肘型头相间的放电。因此，大多肘型头采用有外半导电屏蔽结构，用来减少电荷沉积和保障人员安全。对于10 kV 的电缆，其线芯所产生的感应电压可达到40%～50%的线芯电压。本案例中，三相肘型头外半导电屏蔽层的工艺及错误接地导致肘型头外部的感应电压无法有效释放。因此，采用验电器检测时，发现肘型头外部带电。

3.2 肘型头接地不良或假接地

正常接地时，从内层往外层是高压（电缆铜芯电压）—内半导电屏蔽层—绝缘层—外半导电屏蔽层—接地线（接电线处电位为零）。但由于运行环境等各种原因，电缆肘型头会发热，引起电缆头凸起处碳化，造成屏蔽接地线脱落，导致电缆肘型头失去屏蔽接地的功能，从而出现肘型头接地不良或假接地现象。相当于高压对地整个回路串了空气，悬浮电位会很高，从内层往外层是高压（电缆铜芯电压）—内半导电屏蔽层—绝缘层—外半导电屏蔽层—空气—接地，空气和外半导电屏蔽层之间的介电常数变化比较大，容易分配到较高的电场强度，电场分布均匀性变差。因此，接地不良或假接地情况下，肘型头内及表面上容易引发局放。

3.3 电缆分接箱内积灰和污物沉积严重

电缆肘型头或者终端外绝缘污秽过重时，导致表面出现局部爬电，放电产生的能量导致肘型头或者终端局部发热。此时，除了用红外可以检测到温升外，还可以听见放电声，或者用紫外设备检测到表面放电。

3.4 肘型头安装不规范

电缆肘型头的装配应符合《电力电缆运行规程》肘型电缆头安装流程。规范安装时可以避免缺陷的引入，肘型头内部及外部电场分布比较均匀，降低引发局放的概率。但现场存在肘型头安装不规范的现象。

4 防范措施

a）加强产品质量的管控。应注意对产品质量的把关，尤其是肘型头生产时防止材料中混入杂质，按照预试规程做绝缘摇测及交流耐压试验，确保肘型头制作质量。

b）规范安装。肘型头安装前，对安装人员进行专项培训，提高安装人员电缆头制作工艺水平及技术素质，要求参与者技术熟练，细心谨慎，严格按有关操作技术规范进行。肘型头安装时，应在良好的条件下进行，防止灰尘和污染物等杂质混入。肘型头安装之后，要派专业人员对其进行检查验收，尤其是检查接地线是否安全牢靠，避免因接地线安装不规范造成假接地与接地不良等情况。

c）加强运维。定期对分接箱进行局放、红外检测以及终端头的接地情况检测，开展放电和温度的异常诊断，以便及时发现缺陷和隐患。尤其对高温、湿热地区，还应注意接地线、接地排、箱体的锈蚀情况，对由此可能引起的接地可靠性进行重点关注。结合计划停电，逐步对质量较差和局放检测异常的电缆终端头和中间接头进行更换，防止配网跳闸事故的发生。