一起电力隧道中220 kV电缆接头爆炸机理的研究及应对措施

黄顺涛

摘  要：随着城市化进程的加快推进，各种电压等级的电力电缆遍布大街小巷，而由于各种原因导致电力电缆发生爆炸事故时有发生，这给电力系统的安全稳定运行带来重大冲击，乃至给社会和人民生命和财产安全带来严重影响，文章通过对一起电力电缆接头爆炸事故的机理分析，找出其爆炸原因，制定防范措施。

关键词：电缆;爆炸;分析

中图分类号：TM247     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）36-0082-04

1  概  述

2014年10月珠海电力隧道发生一起220 kV电缆由检修转运行（送电）的运行操作过程C相中间头发生爆炸并起火，并造成敷设其上方的另外二相电缆被烧灼。受其影响，导致由该线送电的电厂窝电达半个月，并对澳供电可靠性大大降低。

2  故障调查及原因分析

2.1  情况调查

2.1.1  电缆概况及运行维护情况

该故障电缆于2013年12月投运，全长约10.446 km，全线采用电缆隧道敷设方式，三根电缆采用品字形布置。电缆型号为ZR-YJLW

02-1*2500 mm2，中间接头型号为LSXI-220MC-1*2500 mm2，运行过程每周进行1次电缆隧道的巡视，未发现设备异常情况;并已进行了2次的环流检测，及2次电缆接头红外检测，均未发现异常。截至故障发生时，该电缆投运未满1年，也未发生过负荷情况。

2.1.2  现场检查情况

①C相（#16）接头短路、爆炸，爆炸起火，造成接头完全损坏，同时造成敷设其上方的A、B相被烧灼电缆受损：电缆外护套烧熔下滴，铝护套有局部烧损（未烧穿）。跳闸约2 h左右，现场还有明火及冒烟，灭火后，检查现场发现该电缆接头现场外壳绝缘环氧件除了下方有剩余外，其余完全被炸飞，最远一块（约1 kg）距#16接头约20 m，其余发散落在接头周围，环氧件内部接头已被绝缘体被烧空。接头接地线外套被烧熔。电缆故障现场照片，如图1所示。

②经检查，电缆隧道上方及内部均无外力破坏痕迹，可排除外力破坏的的可能。电缆故障点隧道内部和隧道外道路照片，如图2所示。

2.2  原因分析

2.2.1  电缆及电缆接头固定夹具送检

为找出电缆爆炸原因，对故障接头位置临近的电缆、新作接头附近电缆、抢修用电缆及电缆接头固定夹具的取样送科研机构检测分析。经检验：故障段电缆及抢修用电缆各性能参数符合标准及技术协议要求，金属抱箍材质符合要求，电缆及抱箍不是本次故障产生的原因。

2.2.2  非故障的两个接头送检试验

非故障的两个接头送至中国电力科学研究院（武汉分院），试验检测，检测项目包括：局部放电试验、耐压试验、雷电冲击试验、操作冲击试验。

所有试验结果均合格，符合标准要求。根据本项试验结果，非故障接头设计及电气性能参数均符合要求。

2.2.3  C相故障接头和非相故障接头分别解体对比分析

①该故障电缆#16两个非故障接头送检试验情况。

根据中国电力科学研究院（武汉分院）对故障电缆#16两个非故障接头的局部放电试验、耐压试验、雷电冲击试验、操作冲击试验等所有试验结果显示设计及电气性能参数均合格，符合标准要求。

②接头解体情况分析：

其一，该故障电缆#16C相故障接头解体情况。

故障接头解剖数据，如图3所示。

根据解剖结果，故障接头预制件向故障侧（长端）整体偏移了25 mm，大于说明书要求的小于±5 mm的标准。

其二，该电缆#16其中一个非故障接头解体情况。

两个非故障中间接头做完试验后，其中一个在中国电力科学研究院（武汉分院）完成解体工作。非故障接头解剖数据，如图4所示。

非故障接頭解剖数据，见表1。

由表1可知，非故障电缆接头安装尺寸及质量均满足安装工艺要求。

其三，故障接头预制件位置偏移原因分析。

造成故障接头预制件位置偏移的原因有如下两种可能：

可能一：安装尺寸错误导致预制件偏移

经查询记录及施工经办人员：本工程接头安装人员均由厂家事先认可的人员安装施工，作业过程中，严格按照工艺要求作业，每个关键节点都进行了检查、记录，并经厂家代表确认，监理单位对每个接头安装均进行了旁站记录，其结果尺寸符合厂家安装工艺要求，如图5所示。

从非故障接头解体情况看，安装尺寸准确，安装工艺规范，且解体的故障与非故障接头位于同一接头区，安装人员及厂家技术代表均为同一组人员，因此从接头解体情况看，安装记录真实可信。非故障接头现场解剖图，如图6所示。

可能二：故障后引起预制件位移。

从故障接头解体现场看，预制件向长端偏移，故障接头解体后观察到以下情况：

其一，铜壳解剖后短端剩余部分预制橡胶件尾端半导电带松动现象。

故障接头解开铜网时拍摄，短端与铝护套连接的铜网解开后，看到预制橡胶件尾端包绕的半导电带有松动现象，如图7、图8所示。并且绕包不均匀，正常的施工工艺不可能允许如此明显的问题存在，推断预制橡胶件本体有位移，导致此现象发生。

其二，短端预制件内主绝缘表面被熏黑。

故障接头解体露出短端主绝缘，如图9所示，图中可看到主绝缘及预制件表面全部被熏黑，说明接头故障短路瞬间，有一股强大的气流通过接头短端预制件与主绝缘之间的界面。

其三，短端剩余部分预制橡胶件内残留痕迹。

从非故障接头解体情况看，切开预制件后，在应力管内对应屏蔽罩位置两边残留两道明显痕迹，如图10所示。

而从故障接头解体情况看，在长、短端两边各留下了两道痕迹，两道痕迹间距约20 mm，如图11、图12所示，这两道痕迹应是预制件爆炸后移位产生。

其四，类似电缆接头爆炸案例。

2009年11月，110 kV南澳B线C相1#接头故障时，由于击穿过程中的巨大短路能量使电缆线芯空间的空气剧烈膨胀，膨胀的气体必须有向外宣泄的通道，气体由长段排出，巨大的后推力力量使预制件只能向铜壳短端推进，使绝缘体向短端移动了约25 cm，并造成短端铜壳与其连接的塑料制件分离，并压缩了短端电缆铝护套。如图13、图14所示。

该接头故障引起预制件位移原因，故障接头预制件安装工艺为现场往返拖拉锥形式，这种安装工艺将导致安装完后，存在向长端的反应力集中在长端预制件内，在接头发生故障短路时，反应力得到释放，拉动预制件向长端位移。同时，从故障头短端预制件内表面及电缆主绝缘表面全部被熏黑情况来看，爆炸时产生的强大气流往短端方向通过预制件及电缆之间的界面，推动预制件向长端位移。另外，解剖的故障接头长、短端两边各留下的间距约20 mm两道痕迹，与解剖实际位移基本一致。

综合以上情况分析判断，并从本次故障及非故障接头解体情况看，本次故障接头预制件位移是由本次故障造成的。

③故障接头击穿原因分析

其一，放电通道分析。

从故障现场的电缆头情况看，长端预制件炸裂烧毁，只剩下电缆线芯，线芯完整，无断股、烧损的现象，如图15所示。从解剖情况看，长端残留绝缘表面上有明显放电通道，如图16所示，故障电流通过顺序：压接管-编织带（已烧熔）-屏蔽罩，最后沿绝缘表面通道逐渐变宽，如图17～图19所示，因长端预制件及绝缘烧损，未能观察到放电通道末端，从长端残留预制件上可见明显裂纹，接头预制件内部存在黑色物质，未见电缆主绝缘表面形成的明显放电通道。

根据电缆接头头的结构，其击穿过程有三种可能，如图20所示，第一种如红色路径所示，为预制件本体击穿：通常为预制件质量不良引起，国内目前也发生多起这类情况，通常会在预制件外表面形成击穿圆孔，一般不会炸裂整个预制件，从本次故障接头解剖情况看，在残留预制件体未见明显放电通道。第二种如蓝色路径所示，为沿面击穿：通常从金属屏蔽罩、应力管（内半导电层）沿电缆绝缘与预制件界面至应力锥形成击穿通道。从本次故障接头解剖情况看，从屏蔽罩至残留电缆主绝缘表面存在明显放电通道。第三种如绿色路径所示，通常由于安装尺寸错误，导致应力锥未起到改善电场分布作用，导致电场集中，超过击穿场强，直接在应力锥部位造成电缆主绝缘击穿，从本次故障接头解剖情况看，长端露出的该部位电缆线芯完整，无断股、烧损的现象，没有放电痕迹，可以排除。

从本次故障接头解剖看，接头预制件长端击穿通道的一侧内表面有许多不规则放电通道，如图21所示，从预制件内半导电层与预制件硅橡胶接触面开始产生的刷状放电通道，可能原因分析如下：

第一接头预制件内部半导电层与硅橡胶接触面间有毛刺，或存在气隙等缺陷，由于这些缺陷部位的场强非常集中，运行一段时间达到临界场强后，产生局部放电，并发展为刷状放电通道;

第二接头设计不合理，但该型号接头已通过型式试验及预鉴定试验，没有理由表明其设计不合理，该原因可以排除。

综上所述，导致预制件内半导电层与硅橡胶接触面产生的刷状放电通道是由于接头内部存在缺陷。

其二，操作过程中导致接头击穿原因分析。

本次接头故障是在220 kV环琴甲线操作合闸送电过程中发生，该故障电缆故障时合闸时录波图，如图22所示。

从录波图可以看出，C相处于峰值时合闸。通过ATP仿真软件计算可知，本次事故的系统过电压最大值出现在终端站侧，而不在接头故障点处。如果所有接头质量完好，本次故障不应在C相#16接头处，说明C相#16接头本身已存在缺陷。

其三，本次故障头击穿原因分析。

根据以上推断，本次故障接头存在缺陷，从解体的故障接头可以明显看到预制件内半导电层与硅橡胶接触面有刷状局放通道，说明预制件内半导电层与硅橡胶接触面可能存在气隙或毛刺等缺陷，在运行过程中界面产生局部放电，进而形成刷状局放通道，属于预制件质量问题。合闸瞬间的过电压加速刷状局放通道击穿，造成本次故障直接原因。同时，在该故障电缆合闸时录波图可以看出，C相刚好处于负峰值时合闸，使得该相合闸过电压值达到极大值，加上本线路为220 kV长距离电缆线路，因此合闸时产生的极值过电压是本次故障的间接原因。

3  预防措施

①尽可能在中间电缆头安装防爆灭火系统;

②为保证进入隧道的工作人员人身安全，制定隧道补充管理要求（规定涉及的电缆线路需进行运行方式调整或较大负荷调整时，须通知隧道内人员撤离）;

③加强隧道内电缆接头局部放电带电检测，并开展“局放”在线监测技术的研究;

④严格执行对新建或新做接头的110 kV以上电缆线路，尽量采用交流耐压试验，避免采用24 h空载代替耐压试验;

⑤为保证进入隧道的工作人员人身安全，进行智能巡检系统的可行性调研;

⑥综合国内兄弟单位的运行经验与教训，为防止类似事件发生，进一步开展长距离电缆线路及此类接头的击穿机理的研究。

参考文献：

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[2] 魏华勇，孙启伟，彭勇，等.电力电缆施工与运行技术[M].北京：中国电力   出版社，2013.

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