隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，以及對供電質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，對輸電線路提出了更高的要求。因此，越來越多的城市采用占地面積小、輸送容量大的高壓電纜替代架空線路，高壓電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。由于長線路高壓電纜負(fù)荷電流對金屬外護(hù)層會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，需要采用交叉互聯(lián)的方式抵消金屬外護(hù)層上較大的感應(yīng)電流。

目前，國內(nèi)外對于同軸電纜的故障暫無相關(guān)研究。同軸電纜是高壓電纜交叉互聯(lián)段的重要組成部分，其外護(hù)套感應(yīng)電壓對地泄放時間極短，而同軸接地電纜對于瞬態(tài)具有低阻抗特性，能夠較好地釋放外護(hù)套感應(yīng)電壓。

同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體連接方式合理方便，可靠性高，顯著減小金屬外護(hù)套的感應(yīng)電勢功能。一旦同軸電纜發(fā)生故障，交叉互聯(lián)失去作用，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加可達(dá)到危及人身安全的程度。在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，電纜金屬外護(hù)層上會形成過電壓，造成護(hù)套絕緣擊穿，造成嚴(yán)重事故。

本文闡述了110kV高壓電纜投運(yùn)前發(fā)現(xiàn)的交叉互聯(lián)段同軸電纜故障，對故障原因進(jìn)行分析并提出解決方案；對電纜線路施工過程中同軸電纜工藝存在的問題，提出針對性解決措施，有助于提高電纜線路運(yùn)行可靠性，減少電纜故障。

1 故障概況

1.1 故障現(xiàn)象

某110kV電纜線路投運(yùn)前，需對電纜線路進(jìn)行交接試驗，高壓電纜線路如圖1所示。

圖1 某110kV電纜線路

圖1中，220kV變電站至#1接頭之間為Ⅰ段電纜，#1接頭到#2接頭之間為Ⅱ段電纜，#2接頭至上塔段之間為Ⅲ段電纜。

進(jìn)行電纜外護(hù)套直流耐壓試驗，首先需進(jìn)行外護(hù)套絕緣電阻測試，測試原理如圖2所示。

圖2 外護(hù)套絕緣電阻測試原理

試驗時，斷開被試品電源，將試品充分放電，將電纜鋁護(hù)套兩側(cè)斷開脫空，將非被試相電纜鋁護(hù)套接地，逐相測量，外護(hù)套絕緣電阻測試電壓1kV。絕緣外護(hù)套絕緣電阻合格后方可按照圖3所示接線進(jìn)行外護(hù)套直流耐壓試驗。

圖3 外護(hù)套直流耐壓試驗原理

從#1交叉互聯(lián)箱處進(jìn)行兩側(cè)纜外護(hù)套直流耐壓試驗。如圖4所示。

圖4 直流耐壓試驗線路示意圖

此時，變電站側(cè)直接接地箱為接地狀態(tài)，#1、#2交叉互聯(lián)箱連接片已全部斷開，終端塔側(cè)直接接地箱為接地狀態(tài)。試驗時發(fā)現(xiàn)Ⅱ段電纜A相電纜外護(hù)層絕緣電阻阻值極低，為0.2M◆。

圖5 解除變電站側(cè)直接接地后的直流耐壓試驗線路示意圖

為節(jié)約工作時間，如圖5所示，將變電站側(cè)直接接地解除以后，對Ⅰ段電纜段進(jìn)行測試，試驗結(jié)果見表1。

表1 絕緣電阻試驗記錄表

Ⅰ段電纜外護(hù)套三相均通過10kV、1min的直流耐壓試驗，但由表1可知，Ⅰ段電纜段A相外護(hù)套絕緣阻值明顯偏低。

經(jīng)過仔細(xì)檢查#1—#2段電纜外護(hù)套，未找到明顯破損放電點，重新對#1—#2段電纜進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 絕緣電阻試驗記錄表

#1—#2段電纜三相均通過5kV、1min的直流耐壓試驗，但A相絕緣電阻仍然偏低。

通過查閱歷史資料，發(fā)現(xiàn)#1接頭制作前#1—#2段A相絕緣阻值為56M◆，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有2M◆；Ⅰ段電纜外護(hù)套也未發(fā)現(xiàn)破損點，至此，初步懷疑高壓電纜絕緣接頭出現(xiàn)故障或同軸電纜發(fā)生故障。使用絕緣電阻表測量#1交叉互聯(lián)箱同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體間電阻值，結(jié)果顯示為0M◆，至此，確定高壓電纜絕緣接頭出現(xiàn)故障或同軸電纜發(fā)生故障。

通過現(xiàn)場解剖#1電纜絕緣接頭，發(fā)現(xiàn)故障點位于絕緣接頭同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體壓接處，燒蝕點為內(nèi)導(dǎo)體與外半導(dǎo)電層之間裸露的絕緣段。燒蝕的現(xiàn)場情況分別如圖6和圖7所示。

圖6 故障發(fā)生部位

圖7 半導(dǎo)電尖端放電燒蝕

1.2 同軸電纜參數(shù)

高壓電纜型號為YJLW03-Z-64/110kV-1×1000，#1絕緣接頭燒蝕損壞處同軸電纜型號為YJOV- 8.7/10kV-240，結(jié)構(gòu)如圖8所示（1—絞合緊壓銅芯內(nèi)導(dǎo)體；2—內(nèi)半導(dǎo)電層；3—主絕緣層；4—外半導(dǎo)電層；5—緩沖層（半導(dǎo)電繞包帶）；6—銅芯外導(dǎo)體；7—無紡布繞包層；8—聚氯乙烯外絕緣層）。

圖8 YJOV結(jié)構(gòu)圖

1.3 故障處理與恢復(fù)

該同軸電纜外半導(dǎo)電層燒蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，XLPE主絕緣受損嚴(yán)重。經(jīng)過技術(shù)處理，擬定了以下解決方案。

• 1）清除因燒蝕產(chǎn)生的碳化雜質(zhì)，并用酒精紙進(jìn)行清洗。
• 2）加大半導(dǎo)電層斷口距內(nèi)導(dǎo)體的剝削長度，約100mm。
• 3）對同軸電纜主絕緣受損部位整體切除，用絕緣帶材進(jìn)行纏繞填充，恢復(fù)切除部位的絕緣性能。同軸電纜整體不做更換。

處理完畢后，再次對#0—#1、#1—#2段電纜進(jìn)行外護(hù)套直流耐壓試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 絕緣電阻試驗記錄表

#1接頭兩側(cè)電纜外護(hù)套直流耐壓試驗均通過。由表3可知，A相電纜外護(hù)套絕緣電阻明顯升高，故障成功修復(fù)。

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2 故障原因分析

YJOV系列同軸電纜，主要用于高壓電纜線路交叉互聯(lián)箱的連接，可以顯著減小金屬護(hù)套的感應(yīng)電勢。如圖9所示，該型號同軸電纜XLPE主絕緣外存在一層半導(dǎo)電層，外半導(dǎo)電層斷口剝削長度距離導(dǎo)體較短，約30～40mm，斷口處理較為粗糙，毛刺、尖端現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在此處外半導(dǎo)電層發(fā)生爬電、燒蝕。

圖9 故障燒蝕點

同軸電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖如圖10所示，圖中，同軸電纜主絕緣外存在外半導(dǎo)電層及半導(dǎo)電緩沖層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致進(jìn)行該段電纜外護(hù)套直流耐壓試驗時，外導(dǎo)體與外半導(dǎo)電層等電位狀態(tài)，內(nèi)導(dǎo)體通過變電站側(cè)直接接地箱接地，處于零電位。

圖10 同軸電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖

如圖11所示，當(dāng)同軸電纜外導(dǎo)體施加試驗電壓時，由于外導(dǎo)體處于高電位，燒蝕處電位差較大；外半導(dǎo)電層剝削長度不夠，進(jìn)一步使電場強(qiáng)度增大；外半導(dǎo)電層斷口處理粗糙，尖端較多，使電場強(qiáng)度過于集中，發(fā)生放電、爬電現(xiàn)象，最終造成主絕緣燒蝕、碳化。

圖11 同軸電纜內(nèi)部放電示意圖

據(jù)此，搭建如圖12所示簡化模型進(jìn)行詳細(xì)理論分析。

圖12 同軸電纜等效電路圖

圖12中，同軸電纜半導(dǎo)電層與XLPE主絕緣過渡位置的電阻值等效為R1；XLPE層剝削半導(dǎo)電層時特別是靠近斷口位置處理粗糙，存在大量XLPE毛刺和坑道，存在較多氣隙，將小氣隙的電阻等效為R2，其數(shù)值較大；同軸電纜XLPE主絕緣及內(nèi)半導(dǎo)電層的絕緣電阻等效為R3，其數(shù)值較大。

在施加10kV直流電壓進(jìn)行外護(hù)套直流耐壓試驗時等效電路圖如圖12所示，由于半導(dǎo)電層斷口位置處理粗糙，半導(dǎo)電層存在尖端、毛刺，造成該位置電場強(qiáng)度十分集中。

此位置存在的氣隙尺寸較小，且空氣的相對介電常數(shù)較小，而氣隙周圍同軸電纜半導(dǎo)電層的相對介電常數(shù)值比較大，電場強(qiáng)度分布與相對介電常數(shù)成反比，加上該處電場十分集中，電場達(dá)到足夠強(qiáng)度時，氣隙擊穿發(fā)生局部放電，進(jìn)而造成發(fā)熱燒蝕，且R2急劇減?。粺g造成XLPE主絕緣厚度變小，碳化，進(jìn)一步使R3數(shù)值減小，回路等效電阻變小，電流變大，最終導(dǎo)致接地故障。

3 結(jié)論

本文在對一起110kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜交叉互聯(lián)段同軸電纜故障案例分析的基礎(chǔ)上，對同軸電纜外半導(dǎo)電層剝削不到位、斷口處理不精細(xì)時引起的局部放電、燒蝕情況進(jìn)行了討論，并得出以下結(jié)論。

1）目前對于高壓電纜絕緣接頭制作過程中，對同軸電纜的外半導(dǎo)電層的剝削工藝重視程度不夠，造成同軸電纜半導(dǎo)電層斷口處理十分粗糙，尖端毛刺較多。同軸電纜羊角與交叉互聯(lián)箱端同軸電纜和外半導(dǎo)電層斷口處應(yīng)平滑過渡，避免電場集中，且主絕緣應(yīng)打磨光滑。

2）絕緣接頭羊角處同軸電纜的處理尺寸尚無明確標(biāo)準(zhǔn)，外半導(dǎo)電層剝削長度全憑施工人員經(jīng)驗，存在隱患。根據(jù)以往已投運(yùn)線路運(yùn)行經(jīng)驗，半導(dǎo)電層剝削長度至少為100mm，且斷口處理應(yīng)與高壓電纜類似，應(yīng)該平滑過渡，避免場強(qiáng)集中。

3）當(dāng)進(jìn)行高壓電纜外護(hù)套直流耐壓試驗時，接頭一側(cè)外護(hù)套施加直流電壓時，接頭另一側(cè)外護(hù)套應(yīng)保持接地，可以在進(jìn)行試驗的同時檢測羊角處同軸電纜安裝工藝有無缺陷，避免潛在隱患。