曾懿辉，王道龙，刘 高

(广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

110 kV交联聚乙烯电缆本体击穿事故分析

曾懿辉，王道龙，刘 高

(广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

针对一起110 kV交联聚乙烯电缆本体击穿事故，对电缆金属护层悬浮电压及电缆金属护层最大瞬时放电电流进行了计算，分析并总结了事故发生的主要原因，最终提出了预防类似事故再次发生的相关措施。

交联聚乙烯；热击穿；外护层；光氧老化；悬浮电压

0 引言

随着城市的发展，电力电缆因具有隐蔽性好、占地小、容量大、可靠性高、维护工作量少等特点，在城市输电网中所占的比例逐年攀升。因此，保障电力电缆的安全运行对缩短用户平均停电时间和提高供电可靠性有着十分重要的意义。目前，110 kV及以上电压等级的单芯高压电缆多采用波纹铝护套作为金属屏蔽层，为了限制金属护层上产生的工频感应电压，在电缆线路设计中较多地采用了交叉互联接地或带保护器单端接地的金属护层接地方式。在正常运行状况下，这2种接地方式均能有效地限制金属护层上的工频感应电压并抑制流过金属护层的接地电流，但是在接地系统遭受意外破坏的情况下，金属护层上可能产生过高的悬浮电压，一旦外护层被击穿，将产生更为严重的后果。

1 故障情况

某110 kV线路于2007年6月投运，电缆敷设方式为槽盒直埋，线路全长750 m，为电缆和架空的混合线路，电缆本体型号为YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2，金属护层的接地方式为带保护器单端接地，电缆金属护层的接地方式如图1(a)所示。故障前线路仅进行过线路投运试验，各项试验结果均合格，而周期为3年的预防性试验尚未开展。该110 kV线路电缆段B相于2010年4月发生单相接地故障。经运行人员现场检查发现以下现象。

(1) 位于小号侧电缆终端塔上的三相电缆终端至保护接地箱的3段接地电缆全部被盗，大号侧电缆终端塔上B相电缆终端至直接接地箱的一段接地电缆被盗，被盗后的电缆金属护层的接地方式如图1(b)所示。

(2) 线路故障点位于小号侧电缆终端塔上B相电缆本体处，击穿点如图2(a)所示，铝合金电缆固定夹连同电缆本体一同被击穿。

图1 故障前后电缆金属护层接地方式

(3) 电缆外护层上存在石墨涂层脱落的现象，且石墨涂层脱落处有明显的剐蹭痕迹，裸露在外的聚乙烯层已泛白并显现明显裂痕，如图2(b)所示。

(4) 人工剥离石墨涂层的外护层，如图2(c)所示，局部劣化的聚乙烯层与其他正常部分有着明显的颜色区别，且表面存在粉化的裂纹。

(5) 三相电缆均存在铝合金电缆固定夹内橡胶保护垫层缺失的情况。

图2 事故现场检查情况

2 故障原因分析

2.1 电缆金属护层悬浮电压计算

由于故障相电缆两端的接地线均被盗窃，切断了电缆金属护层与终端塔地网之间的连接，导致故障相电缆金属护层上的电压由正常运行状况下的工频感应电压转变为接地线被盗状况下的悬浮电压，其故障状态下的电气原理如图3所示。图3中C1为线芯与金属护层之间的电容，C2为金属护层与大地之间的电容。单芯高压电缆可视为标准的圆柱形电容器，因此可按圆柱形电容计算模型计算C1与C2的值。

图3 故障相电缆电气原理

查阅该110 kV电缆工程竣工资料中的《110 kV电力电缆供货技术协议》，可得到故障电缆的断面结构图以及相关尺寸信息，如图4所示。其中，D1=37.5 mm为电缆线芯的外径，含线芯屏蔽层；D2=69.5 mm为主绝缘外径，不含主绝缘外屏蔽层；D3=95.4 mm为波纹铝护套外径，不含沥青涂层；D4=104 mm为电缆外径，含石墨涂层。由厂家提供的绝缘介质交联聚乙烯的相对介电常数ε1=2.2，聚乙烯的相对介电常数ε2=2.3。l=750 m为电缆长度。

图4 电缆断面图及相关尺寸

C1由电缆线芯和金属护层构成两极，以交联聚乙烯为绝缘介质，计算如下：

由于故障相电缆存在金属夹具橡胶保护垫层缺失的情况，可认为电缆的石墨涂层通过铝合金电缆固定夹与终端塔地网良好连接。C2由金属护层和大地以构成两极，以聚乙烯为绝缘介质，计算如下：

根据故障现场的检查情况以及佛山电缆长期的运行维护和工程管理经验分析，造成石墨层脱落的主要原因有以下2点。

(1) 施工过程中对电缆外护层的保护力度不够，在放缆施工或终端吊装过程中发生了硬物剐蹭电缆外护层的情况。

(2) 石墨涂层的涂覆工艺不过关，未按国标要求在聚乙烯层上施以均匀牢固的石墨层。当外护层受到剐蹭时，石墨涂层极易脱落。目前国标未给出针对石墨层附着力的检测方法和相关标准。石墨层脱落后，在光氧老化的作用下，聚乙烯材料的击穿强度将不断降低，同时裂纹的出现将减少外护层的有效绝缘厚度，外护层的整体击穿电压随着老化程度的加深而急剧下降。

2.3 电缆金属护层最大瞬时放电电流计算

金属护层对地放电瞬间的等效电路模型如图5所示，模型忽略了放电过程中接地回路的电感，查询架空线路杆塔地网检测记录得终端塔接地电阻R=5.2 Ω。在高达数千伏的悬浮电压作用下，耐压水平已严重下降的电缆外护层随时可能被击穿，击穿过程相当于图5中电容C2对地放电。

图5 外护层击穿瞬间的等效电路模型

依据图5中的等效电路模型计算最大瞬时放电电流过程如下。

将式(5)的结果U1代入式(6)计算电容C2最大初始电压|uc2|max，得出：

将|uc2|max与式(4)的结果C2与代入式(7)计算最大瞬时放电电流i(0)，得出：

放电结束后，如果金属护层能够有效接地，悬浮电压将消失，否则金属护层对地电容C2将会重新充电，并反复对地放电，造成放电点局部温度急剧升高。故障如若不能得到及时处理，最终将导致电缆主绝缘发生热击穿。击穿后状况如图6所示，击穿部位的外护层已烧蚀殆尽，电缆线芯与金属护层因高温熔化，主绝缘严重碳化。

图6 电缆主绝缘热击穿

3 预防措施

综合上述分析与计算，造成本次故障的主要原因如下。

(1) 故障相电缆两端金属护层接地电缆被盗，金属护层上产生了高达数千伏的悬浮电压。

(2) 电缆外护层上石墨层脱落，聚乙烯层失去保护后发生了光氧老化，致使外护层绝缘性能下降。金属护层反复对地放电所产生的巨大热量诱发了电缆主绝缘的热击穿，最终导致电缆发生单相接地故障而停止供电。

为防止类似事故再次发生，建议电缆运行部门采取如下预防措施。

(1) 加强电缆工程的监管工作，及时制止、纠正任何可能造成电缆损伤的行为，并严格依据《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》对电缆工程进行验收。

(2) 对于新建电缆户外终端，应遵循就近接地的原则，尽可能让各相终端通过接地状况良好的电缆支架或终端塔身就近接地，以降低接地电缆长度和被盗的几率。

(3) 对于已建成且接地电缆存在被盗风险的线路，应择机对具备改造条件的线路进行接地电缆改短工作。对于不具备改造条件的线路，应采取信息化监控手段加强线路监管，如加装具备报警功能的接地电流在线监测装置或部署户外场防入侵装置。

1 GB50127-2007电力工程电缆设计规范[S].

2 从 光，韩晓鹏，周作春，等.高压单芯电缆接地系统破坏后的悬浮电压分析[J].供用电，2009(5).

3 姚金霞.从一起电缆故障谈超高压电缆金属护套的接地方式[J].高电压技术，2004(S1).

4 杨贵河.电缆电容的计算[J].电器开关， 2010(1).

5 GB/T11017.2-2002额定电压110 kV交联聚乙烯电力电缆及其附件第二部分：额定电压110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆[S].

6 付 敏，郭宝星.聚乙烯材料热及光氧老化的研究进展[J]. 四川化工，2004(6).

7 杨传谱，孙 敏，杨泽富.电路理论-时域与频域分析[M]. 武汉：华中科技大学出版社，1998.

2013-09-12。

曾懿辉(1985-)，男，工程师，主要从事电力电缆运行与维护工作。

王道龙(1983-)，男，工程师，主要从事电力电缆运行与维护工作。

刘 高(1985-)，男，工程师，主要从事输电线路运行与维护工作。