高压电缆GIS 终端环氧套管典型缺陷仿真与故障分析*

周凤争，孟峥峥，宋鹏先，朱晓辉，李 旭，朱明正，于 洋，房晟辰

（国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384)

目前高压交联聚乙烯（XLPE）电缆线路以其安全可靠、节省空间和节约城市土地资源的特点，得到越来越多的应用。尤其是高压变电站内变压器和气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）之间、高压变电站与高压变电站之间广泛采用高压电缆线路进行连接。高压电缆线路的安全运行对电力系统运行具有重要意义。

电缆附件是电缆线路的薄弱环节，近年来系统内发生多起高压电缆GIS 终端绝缘击穿故障，经过分析发现主要原因是终端内部绝缘套管内部存在气泡绝缘缺陷［1-3］。高压电缆GIS 终端的结构如图1 所示，结构主要包括硅橡胶应力锥和环氧套管。环氧套管是在高压电极和地电极之间真空浇注环氧树脂而成。

图1 高压电缆GIS 终端结构图Fig.1 Structure of high voltage GIS(gas insulated switchgear) cable accessory

1 高压电缆GIS 终端仿真与故障分析

1.1 仿真分析

采用ansoft maxwell 电磁场有限元分析软件对图1所示的220kV 高压电缆GIS 终端进行了仿真分析，其电位分布图和电场强度分布图分别如图2 和图3 所示。在图2 中，红色为高电位，最高为相电压127kV，蓝色为地电位0V，在应力锥以下部分，电位分布主要集中在XLPE 绝缘部分，应力锥以上部分，电压分布从高压线芯和高压电极过渡到应力锥和地电极。在图3 的高压电缆GIS 终端场强分布图中可以看出，在应力锥以下部分，场强集中在XLPE 绝缘中；在应力锥以上部分，场强主要集中在高压电极附近。

图2 高压电缆GIS 终端电位分布图Fig.2 Voltage distribution of high voltage GIS cable accessory

图3 高压电缆GIS 终端场强分布图Fig.3 Field strength distribution of high voltage GIS cable accessory

图4 是电场强度沿着图3 中高压电极和地电极之间（黑线所示）的分布图。图5 是环氧套管内部高压电极附近存在气泡缺陷的CT 扫描图［3］。高压电极附近的最高电场强度为76kV/cm，远远大于空气击穿场强30kV/cm。如果高压电极附近存在气泡气隙，将会引起局部放电，引发绝缘击穿故障。

图4 高压电极和地电极间 的电场强度分布图 Fig.4 Electric field intensity distribution between high voltage electrode and ground electrode

图5 环氧套管CT 扫描图 Fig.5 CT scan of epoxy bushing

1.2 高压电缆GIS 终端故障分析

220kV 高压电缆GIS 终端C 相故障，C 相电缆终端环氧罩外表已被电弧灼烧变黑，且从内向外发生炸裂，有大片裂片散落，露出内层高压电极，如图6 所示。

图6 220kV 高压电缆GIS 终端故障图Fig.6 Insulation breakdown of 220kV high voltage GIS cable accessory

现场解剖发现击穿点位于环氧绝缘体内部的高压电极与环氧树脂的接触界面处，由于界面处存在气隙绝缘缺陷，引起该部位电场发生畸变，产生局部放电，放电通过逐步发展，最终导致环氧绝缘体击穿，放电能量将部分外壳炸开，如图7 所示，其击穿路径如图8 所示。

图7 环氧套管内部 绝缘击穿图 Fig.7 Inner insulation breakdown of epoxy bushing

图8 绝缘击穿路径图 Fig.8 Path of insulation breakdown

2 环氧套管预防技术措施

目前高压电缆附件主要依据国家标准GB/T 11017、GB/T 18890 和GB/T 22078，标准规定的主要检测项目见表1。

表1 110kV～500kV 高压电缆附件的主要检测项目Table 1 Test items of 110kV～500kV high voltage cable accessory

上述标准规定了橡胶应力锥和整体预制橡胶绝缘件的电气试验（包括局部放电试验和工频电压试验），从而确保了应力锥的产品质量；而对环氧套管只规定了密封试验，对环氧套管内部绝缘缺陷缺少检测项目，不能确保绝缘套管的出厂产品质量。

通过上述故障分析，对于高压电缆GIS 终端用环氧套管质量管控十分必要，为了避免有绝缘缺陷的环氧套管引发电缆线路绝缘击穿故障发生，应该在现有的标准中增加环氧套管绝缘缺陷检测项目，确保环氧套管出厂产品质量。在例行试验（出厂试验）中除密封试验外增加局部放电试验和CT 扫描项目，具体如下：

（1）局部放电试验应根据GB/T 3048.12，其灵敏度优于或等于10pC(110kV)、5pC(220kV 和500kV)，试验电压应逐渐升至1.75U0 并保持10s，然后慢慢地降至1.5U0，在1.5U0 下被试品无可检测出的放电。局部放电试验可以采用无局放的应力锥配合环氧套管的方式，逐个对环氧套管进行局部放电检测。

（2）对局部放电不合格的环氧套管进行CT 扫描定位，重点检查高压电极与环氧树脂浇注界面是否接合紧密，高压电极周边是否存在微孔、气隙等缺陷。