10kV冷缩电缆附件典型缺陷故障分析

10kV冷缩电缆附件典型缺陷故障分析

黄宇

广州供电局有限公司 广东广州 510620

摘要：本文以某地区冷缩电缆附件为研究对象，通过从现场施工方面故障案例着手，针对几种发生故障率较高、施工中易被忽略的问题进行具体故障原理及发生机理的分析。通过暴露的问题，反映出绝大多数故障问题属于施工工艺问题，如半导电层剥离不齐、安装尺寸不满足要求、压接管存在毛刺、主绝缘划伤和存在杂质、防水带缺失或者绕包错误等。

关键词：电缆附件；接头；冷缩；运行故障

1 引言

随着中国经济的快速发展，城市现代化水平的不断提高，电力电缆作为城市电网中的重要设备，发展速度极快，平均年增长量达到35%。电缆接头主要由各种电缆附件部件组成，附件整体绝缘性能好坏直接影响接头的安全可靠运行，目前电网主要采用的是热缩和冷缩附件，热缩和冷缩附件有各自的优缺点，因此与，面对我国南北差异教大的气候条件和地理位置，研究冷缩和热缩附件的适用性具有重要意义。据调研发现，引起电缆接头故障问题的主要因素有绝缘老化、外力破坏、制作工艺不良、本身质量缺陷、敷设环境及运行环境，暴露的问题均直接与附件密切相关。

南方地区常年属于高温、高湿气候条件，附件存放周期受到一定影响，因此，附件入网前的质量把控显得尤为重要，同时电缆附件在湿热环境下运行会加速材料性能老化，电缆接头通常需要在现场进行制作和安装，外部环境因素和现场安装工艺的好坏直接影响电缆附件的运行情况，最直接的反映就是故障率高低。本章针对某地区供电局已送检的冷缩热缩附件开展质量检测工作，分析冷缩热缩附件质量情况，并对该地区附件运行情况做具体分析，在总结故障案例的基础上，重点分析了故障率较高的几种故障，从理论上对故障发生机理做了具体分析。

2运行故障分析

2011-2013年某地区10kV配网设备共发生绝缘类故障521起，其中电缆附件故障共157起，占比为30.1%，在故障设备类型中排行第一，配网中电缆附件故障问题的频发严重影响着城市供电系统的安全可靠运行。

投入运行的电缆按照投运时间分类，发现2009年投入运行的电缆故障所占比例最高，2007年投入运行的电缆故障所占比例最低，每一年投入运行的电缆故障率差别较大，这也说明了目前现场施工单位及施工人员技术的参次不齐。按照投运后运行的时间来分类，发现投运2年就发生故障所占比例最大，投运后1-3年就发生故障所占比较较高，这充分说明了现场施工单位施工工艺的好坏决定了电缆能否安全可靠运行。

故障发生部位处于中间接头居多，且基本上是绝缘内部烧蚀或直接击穿，解剖接头内部可以发现，接头内部进水导致铠装生锈，连接管上产生铜绿，依据故障案例初步可以判断接头密封效果不好、接头运行环境潮湿或直接长时间处于浸水状态。

同时，根据反馈资料表明，目前附件厂家与附件安装队针对近五年出现的故障原因各执一词，部分故障原因进过实验室分析能够被明确，但仍然存在较大部分故障原因无法明确，因此，目前而言，无论是施工队施工工艺，还是附件厂家供货质量，均是值得怀疑。下面将结合某省会地区已发生的故障案例，从现场施工方面故障案例着手，针对以上几种发生故障率较高、施工中易被忽略的问题进行具体故障原理及发生机理的分析。

3.1半导电层剥离不齐

半导电层剥离不齐导致的故障率高达73%，可见现场施工中导致半导电层剥离不齐是常见现象。通常施工中说的半导电层剥离不齐是指外半导电层，故障相电缆接头解剖发现半导电层制作各种常见缺陷。

半导电层分为内半导电层和外半导电层，内半导电层位于电缆线芯和主绝缘之间，由于电缆线芯一般采用绞制的方法制成，会在导体上面形成许多的小突起，突起地方的电场会远高于其他地方，为了避免导体与主绝缘之间发生局部放电，因此在两者之间填充一层半导电层。外半导电层则位于主绝缘和铜屏蔽层之间，因为运行中电缆受弯曲时，电缆绝缘层表面受到张力作用而伸长，若这时存在局部放电，则会由于表面弯曲应力产生亚微观裂纹导致电树枝的引发，或表面受局部放电腐蚀引起新的开裂，引发新的树枝。所以外半导电层亦不可缺少，只是随着电压等级的不同，屏蔽的结构与方式可以改变。 外半导电层的另一个作用是消除绝缘层与外金属屏蔽层之间的气隙。不论金属屏蔽层的加工工艺多么完善，其运行与施工中的弯曲变形、冷热作用等，多少都会在金属屏蔽层与绝缘层之间产生环状扁平气隙，它对电场的恶化作用很大，首先导致气隙放电，直至绝缘击穿，而采用外半导电层可以解决此问题。

由于半导电层电场强度大于线芯导体表面电场强度，径向场强分布的改善相当于分阶绝缘的作用，以防止场强特高引起气隙放电，把高场强移到半导电层表面处，且半导电层与导体几乎等电位，而紧密粘合的半导电层与绝缘层间的气隙较难产生，从而改善了局部放电和树枝放电特，但是一旦半导电层剥离不齐会使得局部地方电场畸变，导致中间接头主绝缘、应力锥和半导电层搭接部位发生局部放电，并逐渐损坏绝缘，最终导致绝缘击穿。

同时剥离半导电层的尺寸必须严格按照规定要求，如果半导电层剥离长了（即保留的半导电层短了），则应力锥的半导电层不能和其搭接，无屏蔽的一段主绝缘会产生感应电位，在两端的半导电层之间形成电场应力，长期运行后极易产生主绝缘破坏，并引发设备烧毁事故；如果半导电层剥离短了（即保留的半导电层长了），会造成主绝缘距离变短，运行中容易爬电，严重时造成绝缘击穿。因此，必须严格按照电缆附件内部结构的规定进行安装。

3.2 安装尺寸不满足

电缆中间接头安装的主要步骤分为电缆的预处理工作、导体连接、内半导电层恢复、绝缘层恢复、外半导电层恢复、金属屏蔽层恢复、铠装层恢复、外护套恢复。其中各个步骤处理过程的核心是每一个步骤均要严格按照规定的尺寸进行剥切和搭接，从而保证整个接头在制作完成之后可以满足电气性能、密封性能。

施工中没有按照规定要求，应力控制管两端的半导电层可能被人为剪掉，直接将绝缘护套搭接到电缆本体半导电层断口处，在规定地方缺少相应的缓解电场力的半导电层，时间长了电缆接头由于此原因导致绝缘损坏。而半导电层尺寸不符合要求，如果半导电层剥离短了（导致半导电层与应力锥搭接过盈），会造成主绝缘距离变短，运行中容易爬电，严重时造成绝缘击穿；如果半导电层剥离长了（导致半导电层与应力锥搭接不足），中间接头无屏蔽的两段主绝缘会产生感应电位，在两端的半导电层之间形成电场应力，长期运行后极易产生主绝缘破坏，并引发设备烧毁事故。

可见，施工中安装尺寸必须严格按照理论计算规定的尺寸进行剥切和搭接，严格保证安装中尺寸达到规定要求，尤其是对于已出现的因安装尺寸问题导致的事故案例，必须引起足够的重视，并在实际安装接头的过程中，重点监督此类问题。

3.3 压接管有毛刺

当压接管表面存在明显毛刺即相当于表面有尖形导体，当尖形导体带电后处于静电平衡状态时，由于电场力做功的结果，使得导体上的自由电荷能量增加，原来占据较低能级的自由电荷将去占据较高能级，而较高能级是局域于导体表面层的，因此，这些具有较高能量的自由电荷将移向导体的表面。在曲率ρ≥0(凸起)的地方，电荷的Coulomb斥力总是沿着导体的外法线方向的。这种作用的效果是降低了一维势阱的高度即降低了能级(但仍比导体内部的能级高)。导体不带电时，ρ＜0(凹陷)的地方也局域着高能级。当导体带电后，导体内的自由电荷若居留于ρ＜0的区域，则Coulomb斥力作用的效果总是提高其一维势阱的高度，使得凹陷处的能级变得更高，即较低的高能级局域于尖端部位；较高的高能级局域于凹陷（但较坦，|ρ|较小的)部位；而最高能级局域于凹陷曲率最大(（|ρ|最大）的部位（内表面上）。

由以上分析，根据能带论的一般结果可知，当一尖形导体带电(或放在外电场中)时，导体内具有较高能量的自由电荷，必然优先占据尖端部位较低的高能级，再依次去占据其他较高、更高的能级，但绝对不会去占据导体内表面上的最高能级，因为在占据它们之前，外表面上曲率较大的地方早以放电，以降低整个导体的电位。当金属尖针上带正电时，由于针尖面积S小，其电荷密度σ大，由公式E=σ/S，得出尖端附近的电场强度十分大，其附近的空气分子产生电离，即所谓的尖端放电。因此，压接管表面要坚决杜绝尖刺，否则尖刺对硅橡胶发生尖端放电，最终导致整体绝缘性能降低并发生故障。

3.4主绝缘划伤、杂质问题

电力电缆绝缘质量和绝缘水平，决定了电缆的使用寿命。电缆绝缘厚度的确定，是电力电缆设计的核心，设计绝缘厚度，应该从多方面进行分析。首先要分析电缆绝缘内的电场分布，一般以最大场强作为设计的依据。然后要考虑电力电缆在运行中所承受的各种电压及绝缘材料击穿的统计规律，还要考虑绝缘材料的机械强度和工艺性能等。由此可见主绝缘必须在完好的情况下才可以保证电缆安全稳定运行。

在现场施工中由于操作人员的操作不当而造成主绝缘划伤，未有效清洁主绝缘使得金属屑或其他杂质留存在主绝缘上，这些均是典型的隐患问题，实际运行情况表明此类原因造成的故障层出不穷。均匀介质的电缆电场是标准的圆柱形电场，可以通过解析的方法计算其电场。因为其长度和半径是不可比拟的，所以可以忽略复杂的边缘效应，采用柱面坐标。因为各种电场轴向分量很小，均可看成与导线相垂直的方向。这样圆柱侧面积上的电场方向处处与外法线的方向一致，而上下地面的电场方向与底面的外法线方向垂直，根据高斯定理，在积分过程中，可只计算圆柱侧面积的电场矢量通量即可。又因对称关系，圆柱侧面上个点的场强在数值上均相等。在生产过程中电缆接头绝缘材料中可能会混入小体积颗粒状杂质，相对接头结构而言这些杂质尺寸微小，因此难以被及时发现并加以剔除，其存在会改变接头原有电场分布，并导致局部发热，长期作用下可能导致电缆接头绝缘击穿。而当主绝缘划伤则会在划伤部位存在空气，长时间在电场作用下会发生缓慢放电，最终导致接头故障。

3.5 密封失效

在国内南方地区，中低压电力电缆地下敷设时，无论采用哪一种敷设方式，电缆的某几处可能短期或长期浸泡在水中。电缆敷设是一个费时费力的过程，如果施工时不小心或不注意，造成电缆护套被刮破或拉脱，又没有及时发现有损坏的部位，而将电缆穿入电缆沟中，这样，电缆损伤的部分有可能会浸泡在水中，其后果不堪设想。因此，电缆必须有足够的防水结构。电缆附件由于是在现场制作接头时安装在电缆本体上，电缆附件与本体之间如果搭接和密封不好的话会造成严重问题。一般在中间接头两端需做防水处理措施，要在电缆中间接头的两端均绕制防水绝缘带，并与中间接头的两端和半导电层至少搭接40mm以上。

接头制作是否合格检验标准之一就是密封性能是否达到要求，防水带在附件密封中起到了关键作用。中间接头两端未按要求缠绕防水绝缘带时，水分很容易从中间接头两端进入接头内部主绝缘，此时主绝缘处在既有水分也有电场的环境中，在主绝缘上产生水树，研究表明水树是诱发电力电缆绝缘破坏的主要诱因。特别是当电缆接头遭受雷电或操作过电压时，瞬时的过电压足以导致水树枝转化成电树枝，并在较短的时间内导致电缆接头绝缘击穿，造成停电事故。因此，为了杜绝接头绝缘击穿，必须从源头杜绝水树的产生，严格保证防水绝缘带起到良好密封的作用。

4 结论

本文首先针对开展质量抽检电缆附件的检测结果进行了分析，结果发现送检16套附件合格率为62.5%，其中13套冷缩附件合格率为62.5%，3套热缩附件合格率为0。试验结果表明提高电缆附件电流耐受能力，不仅需要确保样品材料质量，还要提高制作工艺及设计的精确性，比如选取合适横截面积的编织铜带，确保承受供电线路中可能出现故障电流；注意编织铜带与屏蔽层之间的连接是否足够牢固，减少接触电阻。

然后，以某地区投入运行的电缆附件为研究对象，分析研究了目前投入运行的附件厂家信息、运行情况并根据运行情况反馈的故障案例重点分析故障发生的原因，从理论上解释故障发生的机理。目前该地区投入运行的电缆附件主要为冷缩附件，同时也存在少量热缩附件。由于具体投入运行的冷缩、热缩附件数量未知，因此，难以从故障率来判断冷缩和热缩附件的适用性。但是，整体上近五年10kV电缆附件的故障率是偏高，从故障发生部位来看，主要以中间接头居多，比如行业内口碑较好的3M公司附件产品投运4年后发生中间接头烧穿的现象，其他公司产品平均运行年限更少，一般只有1-2年。并且从目前暴露的问题来看，绝大多数故障问题属于施工工艺问题，如半导电层剥离不齐、安装尺寸不满足要求、压接管存在毛刺、主绝缘划伤和存在杂质、防水带缺失或者绕包错误等。进一步解剖接头发现某些故障并不是单单一种原因引起的，而是同时存在多种施工工艺缺陷。目前，电缆运行寿命相对理论寿命极短，而电缆寿命主要依靠良好的绝缘性能保护，当绝缘性能遭受破坏，导致电气性能、机械性能严重下降，不能满足规定要求，严重减少电缆运行寿命。

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