XLPE电缆故障分析诊断

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  摘 要:本文主要介绍XLPE电缆的结构和原理,然后从结构和原理出发,对10kV电缆终端常见错误布置以及电缆事故案例进行了分析。
  一、XLPE电缆基础知识
  1.1XLPE电缆结构
  三相XLPE电缆的结构从内至外依次为:导体、导体屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽、内护层、填芯和填料、玻璃丝带、外护套。
  导体:通常用导电性好、有一定韧性、一定强度的高纯度或铝制成。除有特殊要求外,导体一般采用多股紧压而成;
  导体屏蔽:由半导体材料组成,具有较低的体积电阻率,与导体接触,与绝缘层紧密 贴合;
  绝缘屏蔽:结构与功能与导体屏蔽类似,其与内护层(金属屏蔽层)相接触,与绝缘层紧密贴合;
  内护层:一般为铜带,按一定方式绕包在绝缘屏蔽上,工作时,内护层引出接地;
  填芯和填料:作填充用,使电缆整体成圆形;
  玻璃丝带:包裹着导体及填芯使电缆成圆形;
  外护套:包覆在电缆护套(内护层)外面的保护覆盖层,主要起机械加强和防腐蚀作用。金属护套的外护层为衬垫层、铠装层和外被套三部分组成。衬垫 层位于金属护套与铠装层之间,起铠装衬垫和金 属护套防腐蚀作用;铠装层为金属带或金属丝,主要起机械保护作用,金属丝可承受 拉力;外被层在铠装层外面对金属铠装起防腐作用。
  1.2XLPE电缆绝缘原理
  每相电缆内存在两个电极:处于高电势的导体和处于地电势的铜屏蔽层理想情况下,电极之间的等势面为与两个电极同轴的圆柱面。
  实际中,由于两个电极的材料和结构,使其不可能与绝缘层紧密贴合,因此在两个电极与绝缘层之间加入了半导体屏蔽层,半导体屏蔽层与绝缘层贴合紧密,大大减小了局部放电。
  在现场安装过程中电缆需要与其它设备相连,需制作电缆终端,在制作过程中需要将绝缘层外的半导体屏蔽剥离,由于被剥离的电极在截断处曲率半径很小,使电场在该处集中,轴向场强很强,如不加处理,该处极可能发生沿绝缘层表面的闪络,影响电缆安全运行。
  1.3处理电缆沿绝缘层表面的闪络主要方法
  1.3.1加装应力锥
  应力锥的结构为:使用电阻率很低的半导体材料制成锥状的电极,与被截断的半导体屏蔽层相连接,应力锥与本体之间则采用绝缘材料填充,使地电势向上延伸,改变了原本曲率半径较小的电极形状,从而改善了电场的分布。
  1.3.2加装应力管
  应力管的结构为:应力管的结构比应力锥简单,为高介电常数,中电阻率的单一材料制成,一般为筒状,并具有良好的收缩性,安装时,套在半导体截断处,良好接触,无气隙。
  在未装应力管前,半导体截断处的界面的介质为空气,空气的介电常数约为1,电阻率也较大,因此其容抗与电阻均较大。而应力管介电常数远高于1,電阻率也远小于空气,因此其阻抗远小于空气,在安装之后,代替了界面处的空气,其单位长度在轴向的阻抗网络中,分得的轴向电压变低,使界面的轴向场强大大减小。
  二、 10kV电缆终端常见错误布置
  2.1电缆终端布置要求
  电缆布置时,首先要知道电缆终端哪些是地电位,哪些是高电势的电极。铜屏蔽层剥离处以下均应视作地电位,应与其他高电势的电极(导体)保持足够的空气距离。同时铜屏蔽剥离处以上的区域均应视作带电部位,应远离其它相,以及接地的各种构架、尖端状的电极,
  2.2几种电缆常见错误布置
  电缆头为热缩电缆头,电缆终端主绝缘靠在角钢上,由于电缆终端外表面带电,会对角钢产生局放,在阴雨天气有肉眼可见的放电火花,导致电缆与角钢接触处的绝缘劣化,有明显的烧蚀痕迹。
  三、 XLPE电缆事故案例分析
  2011年5月9日110kV××站新安装10kV电容四路927#开关柜及电容器组,交接试验后投入运行。一个月后户外电缆头B相炸毁,
  2012年3月29日,在35kV××站,与110kV××站同型号,同厂家的电缆头在进行交流耐压时,应力管处连续击穿3次
  2、故障原因分析
  为了找到电缆头击穿的原因,首先了解电缆头结构,故障的始发点在应力锥位置,应力锥末端在轴向场强作用下产生放电击穿,短路电流从铜屏蔽流向接地线,导致铜屏蔽烧毁。假如故障点在应力锥之下的其它某个地方(图5),由于硅橡胶具有阻燃性那么在故障点以上的电缆终端不会烧毁,因为,根据电路的基本原理,电流一定是从高电位端流向低电位端,在故障点以上部位为高电位或等电位部分,故障点以下部分为地电位部分,因此故障电流只能从故障点流向接地线。
  应力锥在设计时,其顶部的轴向场强最大,顶部以下曲面的轴向场强设计为近似相等的值。因此,故障的始发区域应当是应力锥顶部附近的界面。
  从该厂家该型号产品最近六次的电缆头故障来看,无一例外都在应力锥主绝缘交界处发生击穿。通过对故障应力锥和电缆的解剖,本体绝缘的厚度符合国家标准要求,也未发现气隙、杂质等绝缘缺陷,且应力锥与硅橡胶浇筑良好,硅橡胶与本体绝缘接触良好不存在气隙。符合国家标准的绝缘厚度要求、性能良好的硅橡胶和交联聚乙烯在10kV场强不可能直接发生径向的击穿,因此击穿最开始的原因应当是轴向场强使界面发生闪络。
  四、对10kV电缆安装的几点建议
  (1)由于应力锥和应力管往往为厂家预制的,其半径往往固定。针对不同型号不同半径的电缆要合理选用,保證应力锥和应力管的半径与电缆的半径相适应,既不能太细,也不能太粗。使两者接触良好为宜;
  (2)对半导体屏蔽层进行剥离时,应注意防止损伤主绝缘;
  (3)切断半导体屏蔽层时,应使其延轴向尽量平整光滑;
  (4)对主绝缘进行清洁时,应防止半导体颗粒、导体金属颗粒、水分、其它杂质污染主绝缘界面,尤其对应力锥和应力管覆盖的界面尤其应当注意。
  (5)电缆终端各相电缆头的布置非常重要,在国家标准中对电缆头的布置也有要求。电缆头的布置一定要考虑到避免电应力集中的情况。但从现场的实际情况来看,相当部分人对电缆头的布置不是很了解,随意很大,埋下隐患,导致电缆故障。由于10kV开关柜内空间狭小,如果采用双电缆,则很难保证电缆相间和对地距离,易产生故障。因此,在10kV开关柜内尽量避免采用双电缆。
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