电缆头故障分析与处理

周成军

（新疆有色冶金设计研究院有限公司 乌鲁木齐 830000）

近年来，矿业发展较快，矿山多位于戈壁深山，为矿山送电的线路普遍较长。由于交通不便，矿山35kV变电站大多采用箱式变电站。箱式变电站具有整体式，占地面积小，安装方便，土建工作量小的特点。由于其特殊的形式，其电源进线多为电缆进线。但电缆头频繁故障，给企业带来了许多不便，特别是对于矿山井下工作的人员安全带来隐患。

哈密图拉尔根铜镍矿35 kV变电站于2008年投运，投运初期，矿山仍处于建设阶段，负荷较轻，为500～600 kW。在这段时间，进线电缆头每隔几个月就击穿一次，2008～2009年发生故障8次。

图拉尔根铜镍矿地处中蒙边界，属哈密地区电网白山泉110 kV变电站的供电范围，白山泉110 kV变电站安装两台40 MVA三圈变，35 kV侧出线4条，投运3条（葫芦铜镍矿、境儿泉和图拉尔根铜镍矿），线路长度均在40～55 km。图拉尔根铜镍矿35 kV电源就由此变电站出线，导线规格为LGJ-185/30，线路长55.3 km，杆塔形式为铁横担砼杆。线路终端杆与图拉尔根35 kV变电站为电缆连接，电缆规格为ZRYJG22-26/351X185。35 kV线路终端杆上采用室外型热缩套管作电缆头，在终端杆上安装有避雷器HY5WS5-51/170。

电缆故障均为35 kV线路终端杆上电缆头击穿，起初认为电缆头质量不合格和电缆头制作不规范，但在使用各种品牌的电缆头并严格按照标准和厂家要求制作安装，电缆头还是多次击穿，最后只能从系统角度找原因。

系统过电压主要有以下几个方面：一是外过电压即雷电过电压，二是內过电压即暂时过电压和操作过电压。在电缆头故障时，线路并未受到雷击。那么造成电缆头击穿应是內过电压，电缆头击穿时，经查记录白山泉和矿山35 kV变电站亦无任何操作。那就是暂时过电压，过电压一般是由于线路空载、接地故障或甩负荷和因操作故障引起线路谐振过电压。经查电缆头击穿时，均有系统35 kV线路接地故障发生。由于35线路分布范围广、线路长，且戈壁风沙大，造成线路瞬间接地时有发生。线路长电容电流较大形成弧光间歇性过电压。

35 kV电力系统的接地方式有中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经电阻接地系统。在中性点不接地系统中，单相接地故障允许系统持续运行2 h。当系统对地电容电流达一定值时，就会发生间歇性电弧熄灭、重燃的多次重复过程，从而引起单相接地弧光过压，电压值为3～4 p.u.。单相间歇性电弧故障产生的过压值高低一般随接地方式不同而异。中性点不接地系统≤3.5p.u.；中性点经消弧线圈接地系统≤3.2 pu；中性点经电阻接地系统≤2.5 p.u.。

弧光在交流电压升高到一定值时发生，在电压接近过零时熄灭，周而复始，这些残压致使线路中出现高次谐波，高次谐波将叠加到线路的正弦波上，致使电压升高。这些谐波沿线路向两端行进，碰到波阻抗不同的结点处会被反射，与原来的高压再叠加，所以弧光过电压可能升得较高。

内部过电压得不到有效限制使绝缘寿命大大降低。避雷器的放电电压为相电压的4倍以上按躲过内部过电压设计。而且避雷器接在相对地之间对发生在相与相之间的操作过电压根本起不到限制作用。在内部过电压的长期持续作用下聚乙烯交联电缆等固体绝缘设备的运行寿命大大降低，形成绝缘的薄弱环节，导致对地击穿。

线路负荷较低也是产生内部过电压的一个原因，线路的容抗与线路两侧变压器感抗形成LC回路，较易造成谐振。

白山泉变电站在设计中已考虑35 kV线路长，电容电流大，易形成弧光接地。为减少建弧率，在中性点安装有消弧线圈。但在实际运行中，并未投入。

图拉尔根侧经检查，变电站10 kV的电容补偿2×600 kVar全部投入。造成过补，35 kV侧功率因数达－0.5。

为此解决的方法是：白山泉侧主变35kV中性点自动跟踪消弧线圈投入，图拉尔根侧根据切除电容补偿。经1年的运行，电缆头没有再发生故障。同时，经过2年的建设，矿山也进入生产阶段，负荷增大4300 kW，电容补偿再次投入，线路运行至今，电缆头击穿故障再没有发生。

总结原因，造成电缆头频繁故障的原因是多方面的，系统过电压的成因复杂，每一个环节均应注意。

首先在系统设计上需综合考虑防范系统过电压，除采用避雷器的防雷电过电压外，对接地故障和操作引起的弧光过电压及谐振过电压应特别注意。

空间间歇性弧光过电压对系统绝缘危害最大。

目前多采用消弧线圈作为防止措施，消弧线圈接地具有降低建弧率的作用，但不能消除电弧，有可能加大过电压指标。采用小电阻接地方式配合重合闸，对供电的可靠性应更为合适。

变电站电容补偿装置的设置对系统安全运行也很重要，设置整组投切的电容器组，在负荷不稳定或在与补偿容量不协调情况下，要么过补要么欠补，都会对系统谐振过电压埋下隐患。

其次是电缆头的制作和安装。

由于电缆头内部特别是绝缘层与外半导体层交界处的电场畸变，形成了局部电场很高的应力效应，电场没有了束缚，被释放出来，在绝缘层表面形成电压梯度，造成了距半导层切断处越近，电场强度就越强的情况，易引发局部放电，形成了电缆线路中的薄弱点，也因此最易发生事故。所以外半导层切断处是电力电缆最容易发生事故的地方。在外半导层处加装应力控制单元可有效地改变电场畸变问题，因而在制作户内、户外终端时，要精心处理好外半导体层切断处的工艺，断口光滑平整，台阶处要削成坡形，绝缘层表面要处理干净，无刀痕和凹凸不平，无残留半导电颗粒和杂质。

矿山所处环境恶劣，气候复杂多变、风沙大，高寒，早晚温差大，冬夏季节冻土层冻融变化复杂。杆塔上电缆固定绑扎工艺不规范，长期受风力影响造成，电缆线芯与绝缘层之间易形成楔形间隙，由于电缆线芯由多股铜线绞合而成，使靠近线芯的绝缘层表面凹凸不平。电缆的绝缘层在持续工频电压的作用下，靠近线芯的电场强度最强。间隙中局部场强要比周围绝缘层的场强大，在间隙中可能产生局部放电。因此在安装固定电缆时，要防止电缆头随风摇摆对芯线多次弯曲扭转造成绝缘损伤。

温差较大地区宜使用全冷缩电缆头，由于全冷缩电力电缆附件实际上就是弹性电缆附件；也就是说利用液体硅橡胶本身的弹性在工厂预先扩张好放入塑料及支撑条。到现场套到指定位置，抽掉支撑条使其自然收缩。这种冷缩附件具有良好的“弹性”，可以避免由于大气环境、电缆运行中负载高低产生的电缆热胀冷缩。即“电缆呼吸”所产生的绝缘之间的空隙，造成的击穿事故。而热缩附件的最大缺点就是本身不具有弹性，不能与电缆同呼吸。故全冷缩的附件用于温差大、受气候环境影响大的地域使用是最佳的选择。冷缩电缆终端绝缘性能优异，耐老化，防腐蚀，密封性能好，抗电痕性能好且硅橡胶弹性好，与电缆界面结合紧密，应力控制与绝缘复合为一体，有效解决了电缆屏蔽断面处应力集中的问题，保证电缆的安全运行。

另外，35 kV高压交联电缆应避免施工单位进行直流耐压试验，要严格执行采用交流耐压试验的行业要求，仅对新做终端或接头后的电缆进行直流耐压试验，因为它对发现接头内部的缺陷还是有效的。

[1]交流电气装置的过电压保护和绝缘配合.中华人民共和国电力工业部，1997.

[2]张殿生,等.电力工程高压送电线路设计手册.中国电力出版社，2002.

[3][德]L.Heinhold，R.Stubbe（Hrsg）著，门汉文，崔国璋，王海译.电力电缆及电线.中国电力出版社，2001.