一起110千伏输电电缆外屏蔽缺陷引起的外护套击穿故障分析

一起110千伏输电电缆外屏蔽缺陷引起的外护套击穿故障分析

刘霆

（南京供电公司江苏省南京市210000）

摘要：近年来，随着城市空间资源的紧张及用电量的增加，单芯高压电缆因其自身具有的集约利用空间资源、载流能力强的特性而得到日益广泛的应用。外护套作为单芯高压电缆最外层结构，起着维持金属护层与地的绝缘状态、保护金属护层不受外界水汽侵蚀的作用，是单芯高压电缆良好运行状态的第一层防线。外护套在实际运行中承受着金属护层感应电压、外界物理破坏等多重事故诱因，极易因外护套绝缘状态不良而引发金属护层破损、水汽入侵。本文针对某110kV输电电缆外护套击穿故障，结合工程实际及单芯高压电缆结构，探讨判定外护套运行状态的判据，并据此制定应对举措，以提升输电电缆安全运行水平。

关键词：输电线路；单芯高压电缆；外护套运行状态；金属护层；运行状态判据

0引言

单芯高压电缆是城市输电网络的重要组成部分。单芯高压电缆的一般结构由内向外为线芯、内屏蔽层、主绝缘、外屏蔽层、阻水带、金属护层、外护套。外护套起着保护金属护层不受外界水汽腐蚀、保持金属护层与外界绝缘状态的作用。金属护层则通过交叉互联或单点接地与保护器共同构成了单芯电缆的接地系统。在日常运行中，外护套极易因外力破坏损伤或长期浸泡于水中形成缺陷点，金属护套在缺陷点逐渐被腐蚀、破损，引发水汽入侵造成主绝缘性能下降。针对某地电网发生的外护套击穿事故进行深入分析，探讨应对举措，对提高输电线路安全运行水平和建设具有重要意义[1-3]。

1故障概要

2016年10月21日，运维工人在对某110kV线#11塔-#14塔段电缆进线常规巡检时，测量发现#14塔、#11塔侧C相接地环流值过高，该段电缆全长约735米无中间接头，#14塔侧为保护器接地，#11塔侧为直接接地，投运于2014年6月24日。此次测量中使用的钳形电流表规格型号为Fluke381。

表1某线#11塔—#14塔接地环流检测记录

根据《电力电缆线路试验规程》（Q/GDW11316—2014）第5.2.3条规，该检测值已不能满足继续运行的要求。运维单位立即申请该线路停电，进行了缺陷查找与消除。经过检测发现，该段电缆线路#14塔的C相保护器熔毁。

图1保护器熔毁照片

在对该段电缆进行主绝缘及外护套绝缘电阻测试时，发现该段电缆外护套绝缘电阻仅为2.3kΩ。对电缆外观进行细致检查，在距离#14塔约260米处发现C相电缆外护套击穿。

图2外护套击穿点

2故障判断

2.1电缆运行环境

该段电缆通道的土建形式为电缆沟与排管相结合的形式，排管顶部距离路面约0.7米。南京地区地下水位较高，因此设备运行环境中相对湿度较大。通道断面及相序如下图所示。

图3通道横断面图

2.2避雷器运行状况

避雷器作为安装于架空线与电缆线路交界处的过电压限制设备，起着泄导过电流、限制过电压的作用。在本次故障后，对#11塔、#14塔侧避雷器主绝缘、底座绝缘进行了测量，数据显示避雷器运行状态正常。对#11塔、#14塔侧避雷器监测器的活动情况进行了统计对比后发现，近期该段电缆C相承受了由#14塔侧架空线传导的雷电入侵波。

表2避雷器监测器活动情况（次）

图4雷电波传播路径图

2.3电缆本体击穿点解剖

对C相电缆外护套击穿点处进行了解剖、分析。经解剖发现，电缆外护套、金属护层、阻水带均已被击穿，在外屏蔽层上发现了凸起，该凸起简化认为为圆锥状，半径约3mm，高约1.5mm。由金属护层的击穿区域远大于外护套击穿点且外屏蔽层向外凸起可知，此次外护套击穿属于由内向外电气型击穿，排除了外界物理破坏的可能性。

图5纵向阻水带击穿图6外屏蔽凸起

3故障原因分析

3.1保护器熔毁

当线芯中流过传导电流时，会在以线芯为圆心的圆周上产生感应磁场，电流与磁场的方向符合右手定则。传导电流数值较大，不考虑电介质极化，可以认为此处磁场为磁准静态场。则金属护层上的感应电压与线芯流过的传导电流关系由下式确定：

其中，I1为电缆线芯上的传导电流，H为磁场强度，B为磁感应强度，S为闭合回路限定的曲面，e为闭合回路上产生的感应电动势。当雷电波沿架空线侵入时，在#14塔终端搭头处发生折射、反射，一部分雷电流沿架空线返回、衰减，一部分雷电流被避雷器泄导入大地，最后一部分雷电流沿电缆线芯继续前进、衰减。当雷电流数值较大时，保护器为导通状态，根据彼得逊法则，经金属护层流经#14塔侧C相保护器的冲击电流为

其中，I2为保护器泄入接地网的感应电流，Z1为保护器为导通状态下的电阻，Zf为电缆金属护层的波阻抗,Uc为保护器通过感应电流时的残压。#14塔侧使用的保护器相关参数如下表所示：

表3保护器电气参数表

由此可知，雷电流陡度较大，在#14塔终端金属护层上产生的感应电压较高，保护器处于导通状态，回路中产生了较大的感应电流，致使保护器发生了熔毁。

3.2外护套击穿原因分析

根据资料及电缆厂家提供的材料显示，此次外护套击穿的电缆的型号规格及结构形式如下图所示。各层结构参数如表所示。

图7电缆断面结构

表4电缆结构参数表

通过对电缆电场仿真结果知，当外屏蔽层有微小凸起时，会在凸起处形成电场畸变，引发放电。

且由皮克公式知，表面粗糙度增加会使得起晕电场降低，即使电气设备抗电晕能力变差。

其中，EC为起晕电场，δ为空气相对密度，r为半径，m为表面粗糙度系数。当入侵雷电波沿电缆线芯前进时，抬高了线芯电位，在外屏蔽缺陷处引发电晕，导致外屏蔽层对阻水带、金属护层、外护套放电，致使外护套击穿。

4故障处理

图8电缆电场分布图

运维单位立即组织人员对#14塔保护器接地箱进行了停电更换，并对外屏蔽水泡凸起进行了停电消缺处理。首先对击穿处进行了环状外护套、金属护层、阻水带剥离，检查凸起点周围是否有其它外屏蔽水泡，经检查周围外屏蔽层光滑无凸起符合要求。用钝剥离片刮破水泡、清除水渍，将外屏蔽破损处打磨平整，用半导电带和阻水带绕包紧致并逐层恢复电缆结构。对修复后的电缆进行了外护套绝缘电阻测量，外护套绝缘电阻为432.5MΩ。对修复电缆外护套进行了10kV/1min耐压试验，通过耐压试验。线路重新投运后，对接地环流再次进行了测量，如表5所示，满足运行要求。

表5修复后接地环流测量值

对投运后的电缆进行了局部放电量检测，没有检测出高于背景噪声的放电脉冲。

5、总结

1、对于高压单芯电缆，接地环流检测是评价电缆外护套绝缘状态及保护器运行状态的重要参数，测量易于实现、判据简单有效，应在单芯电力电缆运维中得到广泛使用，尤其在水位较高及降水较多的地区，低洼处的运行电缆往往被水淹没，极易因长期浸泡造成外护套绝缘状态变差，引发击穿事故。

2、带保护器的接地箱中保护器的本质为非线性电阻（氧化锌），正常运行状态下通过的电流很小，普通的钳形电流表根本不具备在现场环境中测量该值的精度，因此一般在保护器接地端测量的接地电流值均为线芯负载电流的感应值，主要与负载电流的大小与钳形电流表与电缆的相对角度及距离有关，因此在保护器接地端测得的接地环流不应过大。

3、在电力电缆线路的巡视中，应加强对于雷电流活动的监测，巡视时记录避雷器计数器动作次数，在雷雨天气后加强对于多雷区设备的巡视。电力电缆由于其自身特性，主要受沿架空线入侵雷电波影响，应密切关注由于大幅值雷电过电流在金属护层上感应出的过电压而引发的外护套击穿带来的运维风险。

4、在高压电力电缆工程中，关键部位的微小凹凸缺陷都可能成为恶劣工况中事故的诱因。因此在制作电缆终端与中间接头的过程中，一定要严格执行工艺标准，确保内屏蔽、主绝缘、外屏蔽的打磨质量，确保相关结构的平滑平整。

5、利用现代化的检测方法如局部放电量检测把好入口关，加强对于高压电缆等工艺要求较高产品的出厂试验等环节的掌控，做到从源头消除事故诱因。

参考文献：

[1]袁燕领，周灏，董杰：高压电力电缆护层电流在线监测及故障诊断技术高电压技术2015,41（4）：1194-1203.

[2]张一鸣，钱勇，李嫣然：分布式XLPE局部放电在线监测系统的研制.电气自动化2015,37(6).

[3]陶文彪，周凯，沈智飞：XLPE电缆中水树区域干湿状态下的电场特性研究.绝缘材料2015,48(2):53-67.