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高壓電纜故障分析

日期：2025-05-01 05:25
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摘要：

高壓電纜故障分析

 
 
 
簡介：按照故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類大致分為以下幾類：廠家制造原因、施工質(zhì)量原因、設(shè)計單位設(shè)計原因、外力破壞四大類。制作電纜頭應(yīng)用的材料分析及改善電場分布的措施。
關(guān)鍵字：電場應(yīng)力、電纜終端頭

一、高壓電纜故障分析

按照故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類大致分為以下幾類：廠家制造原因、施工質(zhì)量原因、設(shè)計單位設(shè)計原因、外力破壞四大類。下面進(jìn)行分類介紹：

1、廠家制造原因

廠家制造原因根據(jù)發(fā)生部位不同，又分為電纜本體原因、電纜接頭原因、電纜接地系統(tǒng)原因三類。

1.1電纜本體制造原因

一般在電纜生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內(nèi)有雜質(zhì)、內(nèi)外屏蔽有突起、交聯(lián)度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護(hù)套密封**等，有些情況比較嚴(yán)重可能在竣工試驗中或投運后不久出現(xiàn)故障，大部分在電纜系統(tǒng)中以缺陷形式存在，對電纜長期**運行造成嚴(yán)重隱患。

1.2電纜接頭制造原因

高壓電纜接頭以前用繞包型、模鑄型、模塑型等類型，需要現(xiàn)場制作的工作量大，并且因為現(xiàn)場條件的限制和制作工藝的原因，絕緣帶層間不可避免地會有氣隙和雜質(zhì)，所以容易發(fā)生問題。現(xiàn)在國內(nèi)普遍采用的型式是組裝型和預(yù)制型。

電纜接頭分為電纜終端接頭和電纜中間接頭，不管什么接頭形式，電纜接頭故障一般都出現(xiàn)在電纜絕緣屏蔽斷口處，因為這里是電應(yīng)力集中的部位，因制造原因?qū)е码娎|接頭故障的原因有應(yīng)力錐本體制造缺陷、絕緣填充劑問題、密封圈漏油等原因。

1.3電纜接地系統(tǒng)

電纜接地系統(tǒng)包括電纜接地箱、電纜接地保護(hù)箱（帶護(hù)層保護(hù)器）、電纜交叉互聯(lián)箱、護(hù)層保護(hù)器等部分。一般容易發(fā)生的問題主要是因為箱體密封不好進(jìn)水導(dǎo)致多點接地，引起金屬護(hù)層感應(yīng)電流過大。另外護(hù)層保護(hù)器參數(shù)選取不合理或質(zhì)量不好氧化鋅晶體不穩(wěn)定也容易引發(fā)護(hù)層保護(hù)器損壞。

2、施工質(zhì)量原因

因為施工質(zhì)量導(dǎo)致高壓電纜系統(tǒng)故障的事例很多，主要原因有以下幾個方面：一是現(xiàn)場條件比較差，電纜和接頭在工廠制造時環(huán)境和工藝要求都很高，而施工現(xiàn)場溫度、濕度、灰塵都不好控制。二是電纜施工過程中在絕緣表面難免會留下細(xì)小的滑痕，半導(dǎo)電顆粒和砂布上的沙粒也有可能嵌入絕緣中，另外接頭施工過程中由于絕緣暴露在空氣中，絕緣中也會吸入水分，這些都給長期**運行留下隱患。三是安裝時沒有嚴(yán)格按照工藝施工或工藝規(guī)定沒有考慮到可能出現(xiàn)的問題。四是竣工驗收采用直流耐壓試驗造成接頭內(nèi)形成反電場導(dǎo)致絕緣破壞。五是因密封處理不善導(dǎo)致。中間接頭必須采用金屬銅外殼外加PE或PVC絕緣防腐層的密封結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場施工中保證鉛封的密實，這樣有效的保證了接頭的密封防水性能。

3、設(shè)計原因

因電纜受熱膨脹導(dǎo)致的電纜擠傷導(dǎo)致?lián)舸＝宦?lián)電纜負(fù)荷高時，線芯溫度升高，電纜受熱膨脹，在隧道內(nèi)轉(zhuǎn)彎處電纜頂在支架立面上，長期大負(fù)荷運行電纜蠕動力量很大，導(dǎo)致支架立面壓破電纜外護(hù)套、金屬護(hù)套，擠入電纜絕緣層導(dǎo)致電纜擊穿。

二、高壓電纜頭制作技術(shù)

1、高壓電纜頭的基本要求

電纜終端頭是將電纜與其他電氣設(shè)備連接的部件，電纜中間頭是將兩根電纜連接起來的部件，電纜終端頭與中間頭統(tǒng)稱為電纜附件。電纜附件應(yīng)與電纜本體一樣能長期**運行，并具有與電纜相同的使用壽命。良好的電纜附件應(yīng)具有以下性能：

線芯聯(lián)接好:主要是聯(lián)接電阻小而且聯(lián)接穩(wěn)定，能經(jīng)受起故障電流的沖擊；長期運行后其接觸電阻不應(yīng)大于電纜線芯本體同長度電阻的1.2倍；應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、耐振動、耐腐蝕性能；此外還應(yīng)體積小、成本低、便于現(xiàn)場安裝。

絕緣性能好:電纜附件的絕緣性能應(yīng)不低于電纜本體，所用絕緣材料的介質(zhì)損耗要低，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)對電纜附件中電場的突變能完善處理，有改變電場分布的措施。

2、電場分布原理

高壓電纜每一相線芯外均有一接地的（銅）屏蔽層，導(dǎo)電線芯與屏蔽層之間形成徑向分布的電場。也就是說，正常電纜的電場只有從（銅）導(dǎo)線沿半徑向（銅）屏蔽層的電力線，沒有芯線軸向的電場（電力線），電場分布是均勻的。

在做電纜頭時，剝?nèi)チ似帘螌樱淖兞穗娎|原有的電場分布，將產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場（沿導(dǎo)線軸向的電力線）。在剝?nèi)テ帘螌有揪€的電力線向屏蔽層斷口處集中。那么在屏蔽層斷口處就是電纜*容易擊穿的部位。電纜*容易擊穿的屏蔽層斷口處，我們采取分散這集中的電力線（電應(yīng)力），用介電常數(shù)為20~30，體積電阻率為108~1012Ω?cm材料制作的電應(yīng)力控制管（簡稱應(yīng)力管），套在屏蔽層斷口處，以分散斷口處的電場應(yīng)力（電力線），保證電纜能可靠運行。

要使電纜可靠運行，電纜頭制作中應(yīng)力管非常重要，而應(yīng)力管是在不破壞主絕緣層的基礎(chǔ)上，才能達(dá)到分散電應(yīng)力的效果。在電纜本體中，芯線外表面不可能是標(biāo)準(zhǔn)圓，芯線對屏蔽層的距離會不相等，根據(jù)電場原理，電場強(qiáng)度也會有大小，這對電纜絕緣也是不利的。為盡量使電纜內(nèi)部電場均勻，芯線外有一外表面圓形的半導(dǎo)體層，使主絕緣層的厚度基本相等，達(dá)到電場均勻分布的目的。

在主絕緣層外，銅屏蔽層內(nèi)的外半導(dǎo)體層，同樣也是消除銅屏蔽層不平，防止電場不均勻而設(shè)置的。

為盡量使電纜在屏蔽層斷口處電場應(yīng)力分散，應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長度要求不小于20mm，短了會使應(yīng)力管的接觸面不足，應(yīng)力管上的電力線會傳導(dǎo)不足（因為應(yīng)力管長度是一定的），長了會使電場分散區(qū)（段）減小，電場分散不足。一般在20~25mm左右。

在做中間接頭時，必須把主絕緣層也剝?nèi)ヒ徊糠?，芯線用銅接管壓接后，用填料包平（圓）。有二種制作方法：

熱縮套管: 用熱縮材料制作的主絕緣套管縮住，主絕緣套管外縮半導(dǎo)體管，再包金屬屏蔽層，*后外護(hù)套管。

預(yù)制式附件: 所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠。為中空的圓柱體，內(nèi)孔壁是半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體層外是主絕緣材料。

預(yù)制式安裝要求比熱縮的高，難度大。管式預(yù)制件的孔徑比電纜主絕緣層外徑小2~5mm。中間接頭預(yù)制管要兩頭都套在電纜的主絕緣層外，各與主絕緣層連接長度不小于10mm。電纜主絕緣頭上不必削鉛筆頭（在電纜芯線上盡量留半導(dǎo)體層）。銅接管表面要處理光滑，包適量填料。

關(guān)鍵技術(shù)問題：附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合要符合規(guī)定的要求。另外也需采用硅脂潤滑界面，以便于安裝,同時填充界面的氣隙，消除電暈。預(yù)制附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定密封作用，有時可采用密封膠及彈性夾具增強(qiáng)密封。預(yù)制管外面同熱縮的一樣，半導(dǎo)體層和銅屏蔽層，*外面是外護(hù)層。

3、電纜終端電應(yīng)力控制方法

電應(yīng)力控制是中高壓電纜附件設(shè)計中的極為重要的部分。電應(yīng)力控制是對電纜附件內(nèi)部的電場分布和電場強(qiáng)度實行控制，也就是采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使得電場分布和電場?qiáng)度處于*佳狀態(tài)，從而提高電纜附件運行的可靠性和使用壽命。

對于電纜終端而言，電場畸變*為嚴(yán)重，影響終端運行可靠性*大的是電纜外屏蔽切斷處，而電纜中間接頭電場畸變的影響，除了電纜外屏蔽切斷處，還有電纜末端絕緣切斷處。為了改善電纜絕緣屏蔽層切斷處的電應(yīng)力分布，一般采用以下幾種方法：

3.1 幾何形狀法

采用應(yīng)力錐緩解電場應(yīng)力集中：

應(yīng)力錐設(shè)計是常見的方法，從電氣的角度上來看也是*可靠的*有效的方法。應(yīng)力錐通過將絕緣屏蔽層的切斷處進(jìn)行延伸，使零電位形成喇叭狀，改善了絕緣屏蔽層的電場分布，降低了電暈產(chǎn)生的可能性，減少了絕緣的破壞，保證了電纜的運行壽命。

采用應(yīng)力錐設(shè)計的電纜附件有繞包式終端、預(yù)制式終端、冷縮式終端。

3.2 參數(shù)控制法

采用高介電常數(shù)材料緩解電場應(yīng)力集中高介電常數(shù)材料：采用應(yīng)力控制層---上世紀(jì)末國外開發(fā)了適用于中壓電纜附件的所謂應(yīng)力控制層。其原理是采用合適的電氣參數(shù)的材料復(fù)合在電纜末端屏蔽切斷處的絕緣表面上，以改變絕緣表面的電位分布，從而達(dá)到改善電場的目的。另一方法是增大屏蔽末端絕緣表面電容（Cs)，從而降低這部分的容抗，也能使電位降下來，容抗減小會使表面電容電流增加，但不會導(dǎo)致發(fā)熱，由于電容正比于材料的介電常數(shù)，也就是說要想增大表面電容，可以在電纜屏蔽末端絕緣表面附加一層高介電常數(shù)的材料。

目前應(yīng)力控制材料的產(chǎn)品已有熱縮應(yīng)力管、冷縮應(yīng)力管、應(yīng)力控制帶等等，一般這些應(yīng)力控制材料的介電常數(shù)都大于20，體積電阻率為108-1012Ω.cm。應(yīng)力控制材料的應(yīng)用，要兼顧應(yīng)力控制和體積電阻兩項技術(shù)要求。

雖然在理論上介電常數(shù)是越高越好，但是介電常數(shù)過大引起的電容電流也會產(chǎn)生熱量，促使應(yīng)力控制材料老化。同時應(yīng)力控制材料作為一種高分子多相結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在材料本身配合上，介電常數(shù)與體積電阻率是一對矛盾，介電常數(shù)做得越高，體積電阻率相應(yīng)就會降低，并且材料電氣參數(shù)的穩(wěn)定性也常常受到各種因素的影響，在長時間電場中運行，溫度、外部環(huán)境變化都將使應(yīng)力控制材料老化，老化后的應(yīng)力控制材料的體積電阻率會發(fā)生很大的變化，體積電阻率變大，應(yīng)力控制材料成了絕緣材料，起不到改善電場的作用，體積電阻率變小，應(yīng)力控制材料成了導(dǎo)電材料，使電纜出現(xiàn)故障。這就是應(yīng)用應(yīng)力控制材料改善電場的熱縮式電纜附件為什么只能用于中壓電力電纜線路和熱縮式電纜附件經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因所在，同樣采用冷縮應(yīng)力管和應(yīng)力控制帶的電纜附件也有類似問題。

采用非線性電阻材料---非線性電阻材料（FSD）也是近期發(fā)展起來的一種新型材料，它利用材料本身電阻率與外施電場成非線性關(guān)系變化的特性，來解決電纜絕緣屏蔽切斷處電場集中分布的問題。非線性電阻材料具有對不同的電壓有變化電阻值的特性。當(dāng)電壓很低的時候，呈現(xiàn)出較大的電阻性能；當(dāng)電壓很高的時候，呈現(xiàn)出較小的電阻性能。采用非線性電阻材料能夠生產(chǎn)出較短的應(yīng)力控制管，從而解決電纜采用高介電常數(shù)應(yīng)力控制管終端無法適用于小型開關(guān)柜的問題。

非線性電阻材料亦可制成非線性電阻片（應(yīng)力控制片），直接繞包在電纜絕緣屏蔽切斷處上，緩解這一點的應(yīng)力集中的問題。

4、中低壓電纜附件主要種類

中低壓電纜附件目前使用得比較多的產(chǎn)品種類主要有熱收縮附件、預(yù)制式附件、冷縮式附件。它們分別有以下特點：

4.1 熱收縮附件

所用材料一般為以聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯（EVA）及乙丙橡膠等多種材料組分的共混物組成。該類產(chǎn)品主要采用應(yīng)力管處理電應(yīng)力集中問題。亦即采用參數(shù)控制法緩解電場應(yīng)力集中。主要優(yōu)點是輕便、安裝容易、性能尚好，價格便宜。

應(yīng)力管是一種體積電阻率適中（1010-1012Ωcm），介電常數(shù)較大（20--25）的特殊電性參數(shù)的熱收縮管，利用電氣參數(shù)強(qiáng)迫電纜絕緣屏蔽斷口處的應(yīng)力疏散成沿應(yīng)力管較均勻的分布。這一技術(shù)一般用于35kV及以下電纜附件中。因為電壓等級高時應(yīng)力管將發(fā)熱而不能可靠工作。

其使用中關(guān)鍵技術(shù)問題是：

要保證應(yīng)力管的電性參數(shù)必須達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值方能可靠工作。另外要注意用硅脂填充電纜絕緣半導(dǎo)電層斷口出的氣隙以排除氣體，達(dá)到減小局部放電的目的。交聯(lián)電纜因內(nèi)應(yīng)力處理**時在運行中會發(fā)生較大收縮，因而在安裝附件時注意應(yīng)力管與絕緣屏蔽搭蓋不少于20mm，以防收縮時應(yīng)力管與絕緣屏蔽脫離。熱收縮附件因彈性較小，運行中熱脹冷縮時可能使界面產(chǎn)生氣隙，因此密封技術(shù)很重要，以防止潮氣浸入。

4.2 預(yù)制式附件

所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠。主要采用幾何結(jié)構(gòu)法即應(yīng)力錐來處理應(yīng)力集中問題。其主要優(yōu)點是材料性能優(yōu)良，安裝更簡便快捷，無需加熱即可安裝，彈性好，使得界面性能得到較大改善。是近年來中低壓以及高壓電纜采用的主要形式。存在的不足在于對電纜的絕緣層外徑尺寸要求高，通常的過盈量在2～5mm（即電纜絕緣外徑要大于電纜附件的內(nèi)孔直徑2～5mm），過盈量過小，電纜附件將出現(xiàn)故障；過盈量過大，電纜附件安裝非常困難（工藝要求高）。特別在中間接頭上問題突出，安裝既不方便，又常常成為故障點。此外價格較貴。

其使用中關(guān)鍵技術(shù)問題是：

附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合要符合規(guī)定的要求。另外也需采用硅脂潤滑界面，以便于安裝,同時填充界面的氣隙。預(yù)制附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定密封作用，有時可采用密封膠及彈性夾具增強(qiáng)密封。

4.3 冷縮式附件

所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠。冷縮式附件一般采用幾何結(jié)構(gòu)法與參數(shù)控制法來處理電應(yīng)力集中問題。幾何結(jié)構(gòu)法即采用應(yīng)力錐緩解電場集中分布的方式要優(yōu)于參數(shù)控制法的產(chǎn)品。

與預(yù)制式附件一樣，材料性能優(yōu)良、無需加熱即可安裝、彈性好，使得界面性能得到較大改善，與預(yù)制式附件相比，它的優(yōu)勢在如安裝更為方便，只需在正確位置上抽出電纜附件內(nèi)襯芯管即可安裝完工。所使用的材料從機(jī)械強(qiáng)度上說比預(yù)制式附件更好，對電纜的絕緣層外徑尺寸要求也不是很高，只要電纜附件的內(nèi)徑小于電纜絕緣外徑2mm（資料上這樣的，這與預(yù)制式附件要求2～5mm有偏差-編者）就完全能夠滿足要求。因此冷縮式附件施工安裝比較方便。其*大特點是安裝工藝更方便快捷，安裝到位后，其工作性能與預(yù)制式附件一樣。價格與預(yù)制式附件相當(dāng)，比熱收縮附件略高，是性價比*合理的產(chǎn)品。

另外，冷縮式附件產(chǎn)品從擴(kuò)張狀況還可分為工廠擴(kuò)張式和現(xiàn)場擴(kuò)張式兩種，一般35kV及以下電壓等級的冷縮式附件多采用工廠擴(kuò)張式，其有效安裝期在6個月內(nèi)，*長安裝期限不得超過兩年，否則電纜附件的使用壽命將受到影響。66kV及以上電壓等級的冷縮式附件則多為現(xiàn)場擴(kuò)張式，安裝期限不受限制，但需采用專用工具進(jìn)行安裝，專用工具一般附件制造廠均能提供，安裝十分方便，安裝質(zhì)量可靠。

5、鉛筆頭問題

在制作終端頭時，可以不削鉛筆頭。但是，如電纜絕緣端部與接線金具之間需包繞密封帶時，為保證密封效果，通常將絕緣端部削成錐體，以保證包繞的密封帶與絕緣能很好的粘合。在制作中間接頭時，如果所裝接頭為預(yù)制型結(jié)構(gòu)（含預(yù)制接頭、冷縮接頭），絕緣端部不要削成錐體，因為這種類型的接頭，在接頭內(nèi)部中間部分都有一根屏蔽管，該屏蔽管的長度只比銅或鋁連接管稍長，如電纜絕緣削成錐體，錐體的根部將離開屏蔽管，連接管部分的空隙將不會被屏蔽，從而影響到接頭的性能，造成接頭在中部擊穿。如果所裝接頭為熱縮型或繞包型結(jié)構(gòu)時，絕緣端部必須削成錐體，即制成反應(yīng)力錐，同時必須將錐面用砂帶拋光，因為錐面的長度遠(yuǎn)大于絕緣端部直角邊的長度，故而沿著錐面的切向場強(qiáng)遠(yuǎn)小于絕緣直角邊的切向場強(qiáng)，沿錐面擊穿的可能性大大降低，從而提高了接頭的性能。

6、應(yīng)力管和應(yīng)力疏散膠

電纜附件中應(yīng)力管和應(yīng)力疏散膠主要用于緩和分散電應(yīng)力的作用，應(yīng)力管和應(yīng)力疏散膠的材質(zhì)構(gòu)成都是由多種高分子材料共混或共聚而成，一般基材是極性高分子，再加入高介電常數(shù)的填料等等。應(yīng)力管和應(yīng)力疏散膠中是否含有半導(dǎo)體成分這就要看生產(chǎn)廠家的材料配方了，有可能有，也可能沒有。

7、電纜接地問題

在制作電纜頭時，將鋼鎧和銅屏蔽層分開焊接接地，是為了便于檢測電纜內(nèi)護(hù)層的好壞，在檢測電纜護(hù)層時，鋼鎧與銅屏蔽間通上電壓，如果能承受一定的電壓就證明內(nèi)護(hù)層是完好無損。如果沒有這方面的要求，用不著檢測電纜內(nèi)護(hù)層，也可以將鋼鎧與銅屏蔽層連在一起接地（提倡分開引出后接地）。

電力**規(guī)程規(guī)定：35kV及以下電壓等級的電纜都采用兩端接地方式，這是因為這些電纜大多數(shù)是三芯電纜，在正常運行中，流過三個線芯的電流總和為零，在鋁包或金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，這樣，在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應(yīng)電壓，所以兩端接地后不會有感應(yīng)電流流過鋁包或金屬屏蔽層。

感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比，電纜很長時，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身**的程度，在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，屏蔽上會形成很高的感應(yīng)電壓，甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。

三、改善電場分布的措施

1、在35kv及以下電力電纜接頭中，改善其護(hù)套斷開處電場分布的方法有幾種(1)脹喇叭口：在鉛包割斷處把鉛包邊緣撬起，成喇叭狀，其邊緣應(yīng)光滑、圓整、對稱。(2)預(yù)留統(tǒng)包絕緣：在鉛包切口至電纜芯線分開點之間留有一段統(tǒng)包絕緣紙。(3)切除半導(dǎo)電紙：將半導(dǎo)電紙切除到喇叭口以下。(4)包繞應(yīng)力錐：用絕緣包帶和導(dǎo)電金屬材料包成錐形，人為地將屏蔽層擴(kuò)大，以改善電場分布。(5)等電位法：對于干包型或交聯(lián)聚乙烯電纜頭，在各線芯概況絕緣表面上包一段金屬帶，并將其連接在一起。(6)裝設(shè)應(yīng)力控制管：對于35kv及以下熱縮管電纜頭，首先從線芯銅屏蔽層末端方向經(jīng)半導(dǎo)體帶至線芯絕緣概況包繞2層半導(dǎo)體帶，然后將相應(yīng)規(guī)格折應(yīng)力管，套在銅屏蔽的末端處，熱縮成形。

2、目前中壓電纜附件中改善電場分布的措施主要有兩大類型。一是幾何型：是通過改變電纜附件中電壓集中處的幾何形狀來改變電場分布，降低該處的電場強(qiáng)度，如包應(yīng)力錐、預(yù)制應(yīng)力錐、削鉛筆頭、脹喇叭口等。二是參數(shù)型：是在電纜末端銅屏蔽切斷處的絕緣上加一層一定參數(shù)材料制成的應(yīng)力控制層，改變絕緣層表面的電位分布，達(dá)到改善該處電場分布的目的。如常見的應(yīng)力控制管、應(yīng)力帶等