一起220 kV电缆故障中间接头解剖分析

阚 毅，高书阳，任 想，冯志强

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

电力电缆具有占地面积小、易于维护等优势，在城市电网输电线路中的使用比例逐年上升［1-3］。电缆敷设时需要由中间接头进行连接，其中环氧树脂浇注的组装式预制型中间接头［4-7］以其安装简单、质量可靠等特点被大规模使用。该类型中间接头在进行环氧树脂浇制时，如果石英填料、苯二胺固化剂和环氧树脂的比例没有配好、注模速度过快，或者温度不适宜，将导致环氧树脂混合物绝缘体的内部产生气孔［8-11］，形成绝缘安全隐患，后期运行时极易发生跳闸故障。

2022 年某220 kV 电缆架空混合线路差动保护动作跳闸，故障发生后，运维人员使用声磁同步定位等技术手段，在8号井确定故障电缆接头，并且对电缆中间接头进行解剖，发现中间接头环氧树脂预制件存在质量问题，是造成本次事故的主要原因。

1 解剖分析情况

故障接头未解剖之前，无法看出故障点位置。防爆壳上灌胶口采用PVC胶带缠绕密封，解开后发现密封良好。防爆壳内部AB胶基本固化完整，如图1、图2所示。

图1 故障接头防爆盒外侧无明显异常Fig.1 No obvious abnormality on the outside of the explosion-proof box

图2 故障接头防爆盒内侧无明显异常Fig.2 No obvious abnormality inside the explosion-proof box of the faulty connector

完全剥离AB 胶时，发现AB 胶包覆的铜壳表面残留有浑浊水渍 ，如图3所示。

图3 铜壳表面残留浑浊水渍Fig.3 Residual turbid water stains on copper shell surface

检查电缆接头两端的尾管与波纹铝护套连接处，发现两侧封铅处无进水现象，密封良好，但封铅局部存在不均匀和缺失现象，如图4、图5所示。

图4 电缆两侧尾管-护套连接处封铅缺失Fig.4 Lead seal missing at tail pipe-sheath connection on both sides of cable

图5 电缆两侧尾管-护套连接处封铅不均匀Fig.5 Uneven lead seal at the tail pipe-sheath connection on both sides of cable

进一步熔融故障侧封铅，剥离后未发现内部有明显水渍。剥除金属铜壳外表面的PVC缠绕带，显现出两侧铜壳体及环氧材质绝缘筒，发现铜壳法兰和环氧筒对接固定用金属螺杆有3根锈蚀，如图6所示，内部的密封圈有部分崩出，如图7所示。剥离过程中，有浑浊水渍从法兰对接处流出，如图8所示。

图6 两侧铜壳体法兰对接处金属螺杆锈蚀Fig.6 Rust of metal screw at docking point of copper shell flanges on both sides

图7 两侧铜壳体法兰对接处密封圈Fig.7 Seal ring at docking point of copper shell flanges on both sides

图8 铜壳体法兰对接处有水渍流出Fig.8 Water stain outflow at the docking site of the copper shell flange

拆除短端的铜壳体，发现内部的锥托固定装置上附着大量熔融物，进一步从该侧拆除环氧筒、应力锥锥托及其固定装置，无放电痕迹，确定故障区域位于铜壳内部，如图9所示。

图9 短端铜壳体内部情况Fig.9 Internal condition of the short-end copper shell

完全剥离短端侧的应力锥托后，发现与应力锥配合用的环氧预制件明显断裂，且已断成两截，断裂处内外表面有明显熏黑痕迹，如图10所示。

图10 环氧预制件情况Fig.10 Epoxy prefabrication parts

取下应力锥仔细核查后，发现除其外部有部分熏黑痕迹外，其余均完好，且紧密贴合于电缆本体上，故可排除故障点位于应力锥及以内部分。

将断裂的环氧件取出来，发现断裂处漏出环氧件内部的部分高压金属电极，且电极表面找到明显的击穿点，如图11所示。

图11 环氧预制件表面击穿点Fig.11 Surface breakdown point of epoxy prefabrication parts

仔细剥离预制件击穿点附近的环氧树脂，露出金属电极，可见电极表面的清晰击穿点，如图12所示。

图12 环氧预制件内部金属电极表面击穿点Fig.12 Breakdown point of metal electrode surface inside of epoxy prefabrication

取出环氧预制件，检查金属铜壳体，发现铜壳体内已完全熏黑，表面存在明显放电点，距离端部约22.5 cm，如图13所示。

图13 铜壳内表面击穿点Fig.13 Breaking point of the inner surface of the copper shell

取出环氧筒与铜壳体对接处的密封圈（已崩出），发现密封圈完好，无被挤压痕迹，如图14所示。

图14 铜壳对接处密封圈Fig.14 Seal ring at docking point of copper shell

根据厂家提供的设计图纸可知，该环氧预制件内嵌金属铝电极，且与电缆的导体电气连接。环氧预制件内表面设计为反向应力锥形状，与应力锥外表面契合作为接头的主绝缘，环氧预制件外表面则通过半导电带和金属丝网与铜壳体内表面电气连接，如图15所示。

图15 接头内部结构设计Fig.15 Structural design of the joint interior

2 故障原因分析

结合解剖结果，发现环氧树脂预制件发生贯穿性击穿，击穿通道起于环氧预制件内部铝电极［12］，终于铜壳体内表面。原因分析如下：

1）根据本接头结构形式，接头自身密封防水性能好：防爆盒灌胶口及防爆盒内部AB 胶大部分固化完整，也未发现明显水渍痕迹；两侧尾管处封铅虽存在不均匀和局部缺失，但依然具备防水性能，密封良好。铜壳体对接法兰的螺杆有3 个发生严重锈蚀，且其表面存在大量浑浊水渍，说明水应进入到铜壳外表且长期存在。铜壳体对接处的密封圈崩出，且剥切过程中有浑浊水流出，说明水进入过壳体内部。检查发现密封圈完好、封铅完好，推测进入壳体内部的水为故障发生时环件断裂、密封圈崩出，铜壳体外部的水由此进入。铜壳外部的水一部分是由于故障发生后及抢修过程中进入，一部分是因接地箱存在较长时间的浸水，在运行过程中潮气因电缆铜壳体与接地同轴电缆的温差而逐渐从接地同轴电缆缓慢向内部迁移所致。因此，本次故障与进水或潮气无关。

2）故障侧应力锥表面虽然明显熏黑，但未形成横向贯穿性熏黑痕迹，亦未见电弧灼伤痕迹，说明本次故障并非沿应力锥表面放电，故障原因与应力锥无关。

3）环氧预制件内嵌高压铝电极表面明显烧熔，有击穿点，外表面包裹铜壳，铜壳内表面也有击穿点，且该路径附近环氧件明显开裂，说明故障电弧高压端起弧点在环氧预制件内嵌高压铝电极，贯穿环氧绝缘体，通过外表面包裹的铜壳接地［13-14］。故障电流瞬间产生的高温导致电弧路径上的环氧绝缘体和铝电极局部气化，气化产生的压力造成环氧绝缘体进一步破裂，高温气化固态微粒沿着裂缝向故障侧空间扩散［15］。

4）环氧树脂绝缘性能非常稳定，击穿场强可达30 kV/mm，约为空气的10 倍，正常情况下不会发生贯穿性击穿［16］。另外，内嵌高压铝电极起弧点在边沿表面，属于金属与环氧树脂的交界面，该处既是真空浇注时气隙残留聚集点，又是外力冲击时应力集中点，容易产生微裂纹，还是场强集中点［17-18］。因此，推测该接头投运前，在内嵌高压铝电极起弧点附近存在气隙或微裂纹缺陷。

3 结语

本次中间接头故障为环氧树脂预制件发生贯穿性击穿，击穿通道起于环氧预制件内部铝电极，终于铜壳体内表面，认定故障原因为该环氧件生产过程中存在质量缺陷，长期运行后发生击穿。根据故障现象，推断该环氧件在生产过程中铝电极与环氧绝缘界面大概率存在微裂缝，导致在后期运行中长期发生局部放电，在多年热胀冷缩及机械电动力的作用下，缺陷程度逐渐缓慢发展，直至形成贯穿性击穿通道。

为了防范上述类型的故障发生，提出以下几条建议：1）选取该环氧预制件的部分环氧样片，开展微观结构及材料理化性能等方面的深入检测分析；2）目前该类型中间接头已逐渐被淘汰，针对该类型的存量接头应加强局部放电和红外监测［19-21］，并逐步计划退出运行，在退出前，根据运行状态必要时可停电开展交流耐压及高频局放诊断试验［22-33］。