4-21220kV XLPE电缆故障原因分析

1、故障分析与反措 1 220kV XLPE电缆事故原因分析 马卫平1敖明王朔张书东王树声 （1.吉林省电力科学研究院; 2.吉林省电力公司） 摘要详细地介绍了一起由高压 XLPE 电缆故障引发电缆着火事故。通过对事故调查分析指出： 由于该电缆在制造、安装、验收、运行等方面均存在各种不同问题，最后导致电缆故障发生。在分析 了事故原因基础上，提出了防止类似事故再次发生的建议。 1前言 某供电公司的电缆隧道中需敷设220kV XLPE 电缆6回，66kV XLPE 电缆3回，通信光缆1回， 共10个回路。这些电缆分别在2005年11月至2006年02月期间投入系统运行。2006年4月6日17时24 分

2、，220kV春东乙线电缆发生C相接地故障，一次变电所侧故障电流： IA=560A、IB=110A、IC=19390A、3I。= 19870A ；双套分相差动保护、接地距离一段动作；故 障后 60mS开关三相跳闸；1160mS后重合闸动作，开关重合；重合后的故障电流： IA=30A、IB=10A、IC=17760A、3I。= 17800A 。60mS后双套后加速保护动作,开关再次三相跳闸； 故障电缆另一侧故障电流：IA=480A、IB=150A、IC=3160A、3I。= 2710A ,双套分相差动保护动 作,故障后50mS开关三相跳闸。故障点流过的最大接地电流为故障电缆两侧接地电流之和即: 3

3、I。= 22580A 。 17时44分，值班人员发现电缆隧道220kV线路出口、66kV线路出口以及电缆隧道5号检修口冒 烟，判断电缆故障着火,5号检修入口见图一。17时50分有关人员到达现场确认电缆隧道内电缆故 障着火并且马上通知了119消防人员。19时隧道中电缆全部停电。21时50分在消防人员的大力帮助 下，扑灭了电缆隧道内的大火。 全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集 2 图1电缆隧道5号检修入口图2电缆隧道损坏情况 2电缆隧道及隧道内电缆烧损情况. 2.1电缆隧道损坏情况 电缆起火造成电缆隧道的严重损坏。隧道侧壁和顶板混凝土剥落，损坏范围距5号检修入口东 约30米、西约20米，总长度

4、约50米。损坏情况见图二。 电缆隧道和5号检修入口的损坏主要是顶板和侧壁混凝土剥落、内侧钢筋露出、防水涂料损毁 和一处隧道伸缩缝的止水带损坏，造成顶板伸缩缝处漏水。其中：顶板损坏较严重，底层钢筋全 部露出，混凝土剥落深度平均150毫米左右、最大约250毫米；侧壁混凝土大部分脱落，剥落深度 约100毫米左右、最大约180毫米，内侧钢筋露出。 2.2利光纤电缆损坏情况 隧道内以第五检修口为基点，沿东西两侧共计45米左右敷设的光缆全部烧没，两侧各自再延 伸20米左右光缆外护套烧损变形，缆内光芯受挤压或折断或衰耗增大不能用。因此实际光缆损失 长度在190米左右。 2.3电缆的损坏情况 从第五检修口进入

5、电缆隧道，位于入口点西侧20米，东侧35米之间的所有电缆几乎全部烧损。 过火后的电缆烧损及其严重，高温使电缆三角铁支架弯曲变形，最终导致电缆从电缆架上脱落。 见图三。 由于电缆隧道起火之后，隧道内温度过高，导致铝合金护套溶化见图四。最严重的数十米 220kV 和66kV XLPE电缆烧损后只剩下了裸桐导体。据介绍，外层阻燃护套燃点在380800， 铝合金护套熔化温度一般大于600，从现场电缆燃烧程度看，电缆燃烧严重段铝合金护套度可能 达到上千度。完全熔化，仅剩导电线芯，因此电缆燃烧火焰温可能达到上千度。 图3电缆从电缆架上脱落图4溶化了的铝合金护套 2.4交叉互联箱损坏情况 事故后现场检查时发

6、现：电缆隧道内春东乙线电缆交叉互连箱A相铜排有一个烧蚀的圆洞， 故障分析与反措 3 部分交叉互联线因有过热、被烧断。经查铜的熔点为：1083。可以断定铜排圆洞为电弧烧蚀所 致，互连线断线则说明互联线在电缆故障期间流过比较大的短路电流。见图五。 3XLPE电缆故障查找 3.166KV XLPE电缆故障查找 由于电缆在隧道内燃烧温度很高，造成隧道两侧的混凝土脱落后覆盖了部分电缆，所以给电 缆事故原因的查找带来了很大困难。见图六。 图5交叉互联箱损坏情况图6隧道内混凝土脱落覆盖了电 事故后检查中首先发现66kV长东乙线B、C相有两个明显击穿点，位置在220kV春东乙线2#中 间头的最上方，两个击穿点

7、的距离大约为2m。在电弧作用下，B、C两相击穿部位的铜导体表面生 成了熔铜锥形突出体。见图七和图八。 图 766kV 电缆 B 相击穿点图 866kV 电缆 C 相击穿点 3.2220KV XLPE电缆故障查找 根据继电保护的动作记录，可以确定电缆事故起始于 220kV春东乙线C相。在电缆故障过程中C相的短路电流最大 达到了19390A，因此重点查找C相的故障点。在电缆隧道内 反复查找没有发现220kV春东乙线第一次接地故障点后，将 图9220kV春东乙线C相故障点 全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集 4 重点怀疑的C相电缆2中间接头锯下，拿到电缆隧道外进行解体检查，经检查发现该中间头铜套

8、 移位，并在距离铝护套3cm处发现击穿部位，击穿点同样也留下了熔铜锥形突出体。见图九： 4XLPE电缆事故分析 4.1220KV XLPE电缆事故分析 根据春东乙线 C 相电缆头解体发现的故障（见图九） ，确认春东乙线保护动作跳闸是由该故 障点所致。仔细观察解体后的电缆中间街头，没有发现接头的绝缘有任何异常，因此可以排除因 电缆接头绝缘不好，导致的电缆主绝缘击穿。 该故障点位于电缆中间接头的端部，仔细检查故障点附近发现距故障点左侧 3cm 处对应铝护 套切割方向有一个原始的锯痕(观察实际电缆锯痕要比在照片上观察清楚的多)。经过分析确认这 个锯痕是安装电缆接头时留下的。对于电缆接头而言，电场最集

9、中的区域就在铝护套边缘,而锯痕 恰好就在这个区域。由于锯痕伤及了电缆主绝缘并且加大该区域电场的不均度，因此最终导致电 缆在运行中击穿。故电缆头安装质量不良是造成电缆主绝缘击穿的主要原因。 4.266KV XLPE电缆事故分析 从220kV电缆首次发生故障接地到电缆隧道里的电缆全部停电大约经历了3个多小时。在这段 期间电缆故障引发了电缆着火，而电缆线路重合闸导致电缆着火事故进一步扩大。220kV电缆故 障着火时， 66kV长东乙线电缆仍然在运行，电缆着火的高温造成66kV XLPE 电缆的绝缘迅速降 低，从而引发单相接地，最后发展到66kV电缆的B、C相间短路。详见图七、图八。 4.3重合闸动作

10、行为分析 根据继电保护故障录波器提供的数据，春东乙线 220kV 电缆于 2006 年 4 月 6 日 17 时 24 分 首先发生接地故障接地电流达 19390A, 60mS 后保护动作切掉故障；1160mS 后重合闸保护合上开 关，由于 C 相故障没消除，接地电流仍为 17760A，因此在 50mS、60mS 后电缆两侧开关分别再 次动作切掉故障电缆。保护按照预先整定方案动作没有问题。 根据架空线路很多故障是可以自恢复的特点，因此有关规程要求架空线路配置重合闸有利于 提高供电的可靠性。电缆线路一般不配置重合闸理由也很简单，绝大多数电缆发生故障后不能自 恢复。如果电缆线路配置了从合闸装置，一

11、旦电缆线路发生故障，重合闸不但起不到保护作用， 相反会扩大事故。对于电缆、架空线复合线路按照现有的规程规定可以设置重合闸。根据事故教 训，我们认为：对于电缆架空线复合线路设置的重合闸时应该增加一个判据，在重合闸动作前， 首先判断故障点是否在电缆区域之外，只有当故障在电缆区域外，重合闸保护才动作。这样即可 以保证电缆出故障时不会因为重合闸保护动作导致电缆事故扩大，也可以使架空线出现暂态故障 及时切除保证系统运行的可靠性。 4.4交叉互联箱烧损原因分析 根据继电保护记录，春东乙线电缆主绝缘击穿的时的短路电流大约为 19870A。通过短路点的 电流为故障电缆两侧短路电流之和为：22580A。短路电流

12、应该沿电阻值最小的电气回路接地。根 据现场实际状况，该短路电流流经方向为：从电缆故障点到铝合金护套，由铝合金护套到中间接 头，通过中间接头引出线到交叉互联箱，大部分短路电流经交叉互联箱击穿点接地，部分短路电 故障分析与反措 5 流经铝合金护套以及回流线到接地点接地。 巨大短路电流通过中间接头引出线到交叉互联箱时，由于交叉互联箱接头处接触电阻较大， 所以在互联箱接头处产生了一个较高电位。假定互联箱接触电阻为 0.4 欧姆，大约 20000A 的短路 电流会使互联箱接头处达到 8000V。这个电压足以将互联箱接头处击穿，在短路电流作用下也足 以将互联箱的铜排击穿出圆洞见图五。 4.5电缆着火原因分

13、析 电缆着火应该首先发生在春东乙线电缆主绝缘击穿处。22580A 的短路电流可能引发电缆着火。 重合闸使故障电缆两次通过短路电流，加大电缆着火的概率。 另外短路电流通过中间接头引出线为 PE 绝缘的铜导线。根据武高所实验室数据，当电流达 到 20000A 时，这种电缆会自燃。春东电缆故障时中间接头引出线的电流能够达到 20000A。 短路电流会使互联箱接头处对地电位达到上万伏，导致互联箱接头处对地放电。在放电的过 程中，也将会导致电缆着火。 5XLPE电缆事故防范措施 经互联网查询及专家证实：这次高压 XLPE 电缆着火事故是全国最大的一起电缆着火事故。 随着现代工业发展，全国大、中城市将越来

14、越多应用电缆向城市负荷中心供电。为了保证电缆的 安全运行，结合事故调查提出如下事故防范措施： 5.1加强电缆隧道防火措施 本次事故的电缆隧道内设计有感温表、感烟探测器，实现自动报警，在每层电缆上设感温电 缆，温度高时实现自动报警，在电缆隧道内每隔 200 米设防火墙，以防止火灾漫延。但是由于工 程验收的时间关系，除防火墙外，其他防火措施并没有完成电缆就投入运行，从而导致了运行后 电缆着火事故扩大。本次事故教训是：对于易燃电缆，特别是易燃的电缆隧道，首先应该验收的 是防火工程，在防火工程达不到验收条件时，整个工程不能验收，更不能投入运行。 5.2加强电力电缆的全过程技术监督 5.2.1在验收事故

15、后抢修电缆时发现；国内某知名电缆厂家在 220kV 出厂电缆做局部放电试验时， 居然不进行方波校验。 5.2.2220kV XLPE 电缆的最外两层绝缘应该是 PEPVC，我们定制的电缆正好相反。 5.2.3某厂家 XLPE 电缆现场检查发现：电缆绝缘厚度、电缆绝缘同心度、电缆的外观都存在这 样、那样的问题。 5.3加强电缆施工质量监督 5.3.1加强电缆施工的监理工作。参加监理工作人员应经过培训并具备一定的专业知识。 5.3.2电缆应该蛇形布置，夹具应加橡胶垫。这一点非常重要。目前电缆隧道中部分电缆敷设没 有达到蛇形布置。见图十。 5.3.3电缆施工队伍需要有资质、有安装设备和安装经验。 5.3.4高压电缆接头安装特别重要。造成电缆事故的主要原因之一就是高压电缆安装时留下了安 装缺陷所致。 全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集 6 5.3.5施工队伍在电缆施工过程中应建立施工技术档案。包括必要的图片。 图 10电缆敷设过直，夹具无橡胶垫 6结论 a. 电缆头安装质量不良是造成电缆主绝缘击穿的主要原因。 b. 防火措施并没有完成电缆就投入运行，从而导致了运行后电缆