交联聚乙烯电缆一般故障分析

摘要：交联聚乙烯电力电缆由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，与油浸纸绝缘电缆比较没有漏油和引起火灾的危险，因此在实际施工中受到广泛欢迎，并不断向高压、超高压领域发展，现在基本上已经取代了油浸纸绝缘电缆的地位。

关键字：交联；聚乙烯；电力电缆

XLPE general failure analysis

Huang Qinghua

Abstract: XLPE power cables because of its electrical properties and heat resistance are good, a larger transmission capacity, structure, lightweight, easy to bend, connector accessories simple, easy to install laying, fall from height restrictions, and oil impregnated paper insulated cables less of the risk of oil spills and fire, so the actual construction has been widely welcomed, and continue to the high-pressure, high pressure areas of development, has now largely replaced the oil impregnated paper insulated cables position.

Keywords: cross-linking; polyethylene; power cable

一、交联聚乙烯电缆的结构特点

交联聚乙烯电缆相间主绝缘是交联聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形，还有两层半导体胶涂层。在芯线的外表面涂有第一层半导体胶，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。在相间绝缘外表面涂有第二层半导体胶，同时挤包了一层0.1mm厚的薄铜带，它们组成了良好的相间屏蔽层，它保护着电缆，使之几乎不能发生相间故障，如图一所示。

1、绝缘层；2-线芯；3-半导体胶层；4-铜带屏蔽层； 5-填料；6-塑料内衬；7-铠装层；8-塑料外护层

图一 交联聚乙烯电缆结构示意图

1-线芯；2-交联聚乙烯绝缘；3-半导电层；4-铜屏蔽；5-铠装带；6-外护层

二、事故原因

根据国内外报导，交联聚乙烯电缆发生事故的原因如下：

1、水树枝劣化

它是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占事故的71%，多发生于自然劣化。所谓“树枝”不过是一个形象名词，它指固体介质击穿破坏前，固体介质中产生的树枝状裂痕和放电痕迹。树枝的产生引起绝缘进一步的恶劣化，不久将导致全部击穿。所以树枝现象也是预击穿现象。

按树枝化形成的原因，树枝可分为电树枝、水树枝和电化树枝（也可归为水树的特例）。

电树枝是由于绝缘内部或不同材料交界面存在气隙及杂质，或者屏蔽层存在缺陷、突出夹角等，引起电场集中，产生局部放电而逐步形成电树枝。

电化树枝，由化学因素造成的绝缘材料细微开裂，或由于化学杂质引起的树枝。

水树枝，它是水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。它的特点是引发树枝的空隙含有水分，它在比发生电树枝低得多的场强下即可发生。树枝有的大多不连续，内凝有水分，主干树枝较粗，分枝多且密密麻麻。水树枝一般是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。若绝缘体内存有气隙或杂质，则会在电场方向产生并加剧蝶形领结状水树枝。这些水树枝不仅受电缆结构的影响，而且还受半导作层性能和形状、含水率、电压等级、电缆芯温度以及浸水条件等因素的影响。

水树枝延伸最主要的条件是高温和浸水，这时水树枝的长度可以达到绝缘厚度的一半以上。图二表示经加速劣化而引起水树枝加剧的例子。

图二 水树枝延伸的时间特性

水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会重现。水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度降低，促进老化作用，缩短寿命。

水树枝劣化对电缆绝缘性能的影响如图三所示。

图三 水树枝长度和交流击穿电压的关系

(a)水树枝长度；(b)蝶形领结长度

由图三可以看出，后者比前者的交流击穿电压稍高。在此，将水树枝形状引用平均电场中的旋转椭圆体相近似的概念，则树枝末梢的电场E表示如下

E=2U/d*1/ln(Δl/r)*l/r

式中 r-突起末端的曲率半径，mm

l-突起的长半径，mm；

d-电极间的间隙宽度mm;

U-外加电压，kV。

设电缆绝缘的固有击穿电场强度为 600kV／mm， r=0．0025mm， d=4mm时，计算U和ι的关系，则图4－21中的（a）和（b）的理论值和实测值的结果基本一致。若水村校长度在1mm以上，则交流击穿电压比理论值要高些，这是因为水树枝已开始具有向横向扩展的能力和水树枝末端的已经缓和的缘故。

根据现场运行经验，水树枝劣化特征如下：

（l）仅发生在6kV高压以上的交联聚乙烯电缆中。

（2）从投运到破坏的时间需要数年至十几年，大多数在10年以上。

（3）贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正常工作电压以上的电压值，只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏。

（4）环境温度高时，劣化进程加快。

（5）电缆构造对故障有很大关系，对用棉带做基布的半导体层的电缆要特别注意。

（6）全屏蔽的3．3kV交联聚乙烯电缆，由于接地有可能发展为相间短路。

2、屏蔽铜带断裂

在屏蔽铜带一端接地的电缆中，当屏蔽铜带断裂时，非接地一端的铜带成为非接地状态，该铜带上将感应出高电压，其值为

Ug=C1/(C1+C2)U

式中 C1-电缆芯与非接地一端铜带间的电容；

C2-非接地一端铜带对地电容。

这个高电压若导致断裂部位发生放电，往往引起绝缘破坏。断裂部位放电的示意图如图四所示。

图四 屏蔽铜带断裂时感应出高电压放电现象示意图

屏蔽铜带断裂的特征是：

（1）单芯电缆比三芯电缆的事故多。

（2）从投运到破坏的时间，从数周到数年不等。

（3）断裂部位的导体电阻增大到数千欧，不能保护非接地侧电缆的对地闪络。

（4）断裂部位放电时冒火、冒烟，严重时可能引起火灾。

3、铜屏蔽接地故障

交联聚乙烯电缆铜屏蔽接地故障已逐渐引起现场的重视。例如某地区的交联聚乙烯电缆多半采取直埋方式，为此将终端头的铜屏蔽地线和钢销地线分别引出，接地线截面分别不小于25mm2和10mm2，从热缩手套下引出时应互相绝缘，通过以上两项改进，就有条件在终端头处定期测量钢销对地和钢枪对铜屏蔽的绝缘电阻，可间接反映电缆内、外护套有无损伤，从而可以判断电缆是否受潮。

4、电缆护层故障

高压单芯交联聚乙烯电缆能否安全可靠地运行，与其护层能否安全可靠运行关系密切。电缆护层采用一端接地方式时，要求该电缆的护层必须绝缘良好。当电缆护层发生接地时，运行中电缆护层将受到交变磁场的作用，在铝波纹护层上将产生感应电压，使在接接地端和电缆护层的绝缘不良处产生“环流”。“环流”使铝波纹层发热，并使输送容量降低 30％～40％；而且严重的可将金属护层烧穿。护层烧穿后将使电缆的主绝缘在外，与地下（或空气中）的水分或潮气相接触，使绝缘层遭受破坏，最终导致绝缘击穿。

5、线芯屏蔽层厚薄不均匀

电力电缆线芯在紧压过程中容易产生尖锐毛刺。随着运行电压升高，导体表面电场增大，毛刺尖端电场严重畸变，导致引发主绝缘树枝状放电。因此，3kV及以上的交联聚乙烯电力电缆均要求设计由半导电材料构成的线芯屏蔽层和绝缘屏蔽层。半导电线芯屏蔽层的主要作用是：均匀线芯表面电场、防止气隙、提高电缆局部放电电压、屏蔽线芯毛刺、抑制树枝引发和树技状放电，还起热屏障作用。因此它直接影响电缆的安全运行和寿命。故障的原因是线芯屏蔽层较薄、体积电阻率偏高，不足以屏蔽线芯毛刺或铜屑所引起的畸变电场尖端放电，主绝缘迅速被破坏，最后导致电击穿。

三、结论

随着我国的电力事业的迅速发展,尤其是在城网改造中,用交联聚乙烯电缆代替架空线路已成为一种趋势,高电压的电力交联电缆使用的数量越来越多。为了检验和保证交联电缆的安装质量,在送电投运前,对交联电缆进行现场交流耐压试验十分必要。

作者简介：黄庆华 就职于杭州市电力局

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。