交联聚乙烯电缆

交联聚乙烯电缆

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，特别是没有漏油和引起火灾的危险，因此受到用户广泛欢迎，并不断向高压、超高压领域发展，呈现出逐步替代油纸电缆的趋势。

一、文联聚乙烯电缆的结构特点

如图4－17所示，交联聚乙烯电缆和大家熟悉的油浸纸统包电缆的区别除了相间主绝缘是交联聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形之外，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4－18所示。

图4-17 交联聚乙烯电缆断面构造示意图

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4-18 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-包带；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，它指团体介质击穿破坏前，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（也可归为水村的特例）。

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，如图4－19所示。

图4-19 自内侧的水树枝状

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4－20表示经加速劣化而引起水树枝加剧的例子。

图4-20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4－21所示。

图4-21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4－21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4－22所示。

图4-22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。

检测发现电缆铜屏蔽接地，在某变电所终端侧绝缘电阻力0．01MΩ。

图4-23 电缆敷设及其测试接线图

( a）敷设示意图；（b）测试接线图

注：1，2，3，4，5为电缆接头编号

为进一步找到故障点，又用QF1-A型电缆探伤仪测试。电缆敷设示意图和测量接线图如图4－23所示。测量结果如下：

正接线 R1=0.492

LX=R1L=0.492×4014=1795(m)

反接线 R2=0.507

LX=(1-R2)L=(1-0.507)×4014=1978.9(m) 测量结果表明，正、反接线的测量结果基本吻合，故障点的位置在离变电所1973m的4号电缆接头上。将1号接头刨开，把接头内、外护套分别剥开检查，发现造成铜屏蔽接地的原因是内、外护套搭接处密封不严，钢销甲和银屏蔽处均有潮气存在。针对故障原因，用喷灯对该接头进行充分排潮后，把铜屏蔽在接头处断开，分别摇测接头两侧铜屏蔽对地绝缘电阻，测量结果是：变电所侧为4．5 MΩ，终端侧为5 MΩ。由于处理及时，避免了事故发生。

4．电缆护层故障

某电业局敷设了日本生产额定电压为47／66kV交联聚乙烯单芯电缆，其结构如图4－24所示。