110_kV电缆中间接头铜壳爆裂的原因分析_李绍斌.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.021110 kV 电缆中间接头铜壳爆裂的原因分析李绍斌，谢仕林，彭勇，唐文博，周海，范芳坤(长缆电工科技股份有限公司，湖南 长沙 410205)摘要:中间接头短路击穿导致的铜壳爆裂易在电缆隧道中引发火灾危害。对一起典型110 kV 电缆中间接头铜壳爆裂事故进行分析，指出中间接头铜壳爆裂是由铜壳内物质的高温和高压两类状态复合作用导致，且短路击穿过程中可能伴随着绝缘物质裂解电离;开展中间接头的短路大电流模拟试验进行验证，对目前市场主流采用中间接头防爆方式的有效性进行分析，提出中间接头防火防爆的设计要素。关键词:中间接头;短路击穿;故障分析;短路模拟实验;防火防爆中图分类号:TM247文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0121-06收稿日期:2022-11-14修回日期:2022-12-12Cause Analysis on Copper Shield Burst of 110 kV Cable JointLI Shaobin，XIE Shilin，PENG Yong，TANG Wenbo，ZHOU Hai，FAN Fangkun(Changlan Electric Technology Co，Ltd，Changsha，410205，China)Abstract:The copper shield burst caused by shortcircuit breakdown of cable joints is prone to fire hazards incable tunnels This paper analyzes a typical 110kV cable joint copper shield burst accident and proposes that thecopper shield burst of cable joints is caused by the compound action of two types of states，high temperature andhigh pressure，and the short circuit breakdown process is accompanied by the cracking and ionization ofinsulating materials The above viewpoint is verfied throgh the shortcircuit highcurrent simulation test of thedesigned cable joint verifies the above viewpoint，the effectiveness of the current market mainstream use of thecable joint explosion proof method is analyzed，and the design elements of the cable joint fireproof andexplosionproof are proposedKey words:cable joint;shortcircuit breakdown;fault analysis;shortcircuit simulation experiments;fireand explosion protection0引言社会的发展进步带动城市输电网络的发展，电力电缆线路逐渐取代架空线成为城市配电网的主要输电方式，电力电缆的安全稳定性尤为重要。电缆接头是电缆线路中的薄弱环节1，电缆接头的故障问题可能引发爆炸，造成严重的火灾事故，据不完全统计，全国七成以上的电缆爆炸事故均发生在电缆接头处2。已有学者根据电缆接头故障情况进行了研究分析34，对于电缆接头爆炸的机理，国内有学者进行了相关研究。卞斌等认为电缆接头的爆炸是高温电弧击穿瞬间释放了大量热量，这些热量使得电缆线芯附近的气体急剧膨胀，从而产生爆炸1。程鹏认为接头故障击穿时内部会产生高温和应力集中，其中应力参量的响应速度快于温度参量，接头爆炸来源于接头局部的应力集中5。仇炜等认为高压接头短路时放电电弧产生的巨大能量使得密封空间 内 的 气 体 迅 速 膨 胀，瞬 间 产 生 巨 大 冲 击力67。葛安然认为爆炸产生的冲击波是铜壳爆裂的主要原因8。上述学者对于中间接头爆炸的原因持有大致相121第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月同意见，即电缆接头在故障产生电弧击穿时，接头铜壳内部会产生急剧的高温和高压，而高压气体的膨胀是导致接头爆炸的原因。对于铜壳内部的高压状态，诸多学者已经进行了分析和论证，如卞斌、仇炜、葛安然等人;对于铜壳内部的高温状态，程鹏研究指出电弧通道内的最高温度可达 2.68 1045，此观点与徐建源等测得峰值电流 750 A情况下电弧最高温度为 23 000 K 相吻合9;但同时程鹏认为高温电弧在宏观上不表现为高温状态5，此观点与实际观测到的故障现象不符。目前尚未有学者对中间接头故障的高温高压复合现象做出符合判断的故障机理分析。本文以一起典型 110 kV 中间接头故障案例的故障现象为例，综合考虑高温和高压的复合状态，对中间接头故障电弧击穿爆炸过程的机理进行分析，研究中间接头铜壳的爆裂机理。1故障情况某 110 kV 电力电缆线路发生交联聚乙烯电缆用整体预制橡胶绝缘件电缆接头的击穿故障，如图1 所示，在电缆线芯与铜壳之间形成贯穿的击穿通道。故障引发爆炸，爆炸后在现场勘验中发现如下现象:1)电缆线芯导体有高温电弧熔融痕迹，表面存在烧蚀孔洞，击穿路径如图 1 所示;2)电缆主绝缘及接头主体有一击穿孔，深达导体线芯，如图 2 所示;3)铜壳出现熔穿孔及爆炸烧蚀痕迹如图 3 所示。图 1接头击穿路径示意图图 2接头主体表面电弧贯穿孔图 3接头铜壳出现熔穿孔参照 卞 斌、仇 炜、葛 安 然 等 人 的 分 析 观点1，68，电缆接头的爆炸是因为高温电弧释放的能量加热空气导致气体急剧膨胀而产生的铜壳爆裂。本次中间接头的故障现象与上述观点有所出入:一是铜壳的熔点约 1 000 10，铜壳出现了约50 mm 的烧蚀孔，同时线芯也出现烧蚀凹坑，上述系列观点未将高温电弧导致铜壳熔穿的结构破坏纳入结构分析体系中;二是该接头为整体预制橡胶绝缘件电缆接头，铜壳内灌注聚氨酯胶，电弧击穿起始点到铜壳之间无空气间隙，如图 1 所示，上述观点对膨胀气体的来源无明确说明;三是从过往故障案例看，有诸多案例电缆击穿孔位置存在烧蚀凹坑，如图 4 所示，对于该处材料的去向上述观点无明确说明。图 4过往故障案例电缆击穿烧蚀孔上述故障现象与部分学者现场观察到的实际现象一致4，11，为电缆击穿的典型现象，卞斌、仇炜、葛安然等人提出的分析观点无法完全解释上述故障现象。为了深入探讨电缆接头的爆炸机理，在卞斌、仇炜、葛安然等人的研究基础上，提出一种可以解释各类电缆接头故障现象的中间接头爆炸机理。2材料的裂解及电离以交联聚乙烯绝缘电力电缆为例，当电缆接头发生电弧的击穿故障时，击穿通道内会瞬时出现急剧的高温高压5。根据顾菁、冀星等人的研究，封闭系统的高温和高压环境会促使聚乙烯材料发生热裂解，且温度越高，聚乙烯热裂解速率越快，断链程度越深，产物趋向更小碳数分布1214。聚乙烯热裂解的主要反应为 CC 键的断裂，图 5 为聚乙烯高压热裂解过程中的典型反应15。当聚乙烯分解的产物无法继续裂解时，高温及高压条件将使分子先离解成原子，随后原子电离成各级离子，继而形成电弧等离子体16。221第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月图 5聚乙烯高压热裂解过程机理交联聚乙烯是聚乙烯在高能射线或交联剂的作用下，使大分子之间形成交联，将线性的交联聚乙烯分子链交联为网状，因而聚乙烯与交联聚乙烯的热裂解性质相似。由于电弧击穿通道内温度分布呈现中间高、两段低的分布态势5，因而击穿通道核心物质电离程度高，越靠近两侧材料的裂解及电离程度越低，所以物质分布将出现分层现象。电弧击穿通道内部的物质分布如图 6 所示，为等离子体层，组成物质主要为部分或完全电离的电弧等离子体;为气相层，组成物质主要包含氢气、甲烷、乙烯等 C14小分子可燃裂解气体;为液相层，主要成分为不完全裂解的 C530等中高碳数液相产物;为软化层，主要成分为轻度裂解软化的交联聚乙烯;为壁面层，主要成分为未裂解的交联聚乙烯、绝缘主体及其他相关材料1216。图 6电缆绝缘电弧击穿通道物质分布电缆绝缘层外侧为预制橡胶绝缘主体，以三元乙丙橡胶为例，三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和少量的非共轭二烯烃的共聚物，其裂解电离程度较电缆绝缘层弱，电离裂解产物与交联聚乙烯相近。3接头的爆炸机理当电缆接头发生故障击穿时，蕴含巨大能量的高温短路电弧瞬间击穿交联聚乙烯绝缘，在线芯导体表面形成熔蚀凹坑并在电缆绝缘径向形成击穿通道，材料发生裂解形成等离子体和各类气体，而后受到高温加热形成高压气体。通道沿着径向继续发展，熔穿接头主体及灌封胶，最后接触铜壳，铜壳发生高温熔穿或高压气体的冲击，导致铜壳发生爆裂。铜壳爆裂瞬间，裂解产生的各类可燃的氢气、甲烷、乙烷等气体冲出铜壳，铜壳发生爆裂，随后可燃气体在空气中发生剧烈燃烧，过程如图 7所示。图 7接头爆炸燃烧发生过程4实验验证接头故障发生电弧击穿，引发铜壳爆裂及起火燃烧，对应逐层结构的故障现象表征如下。1)电缆线芯:电缆线芯因高温电弧熔融，在电弧引发处出现烧蚀凹坑。2)电缆绝缘:电缆绝缘因高温电弧熔融形成径向击穿孔，同时击穿孔内材料发生裂解及电离，321第 43 卷第 1 期李绍斌等:110 kV 电缆中间接头铜壳爆裂的原因分析2023 年 2 月形成裂解气和等离子体等相关物质。3)绝缘主体:绝缘主体因高温电弧熔融形成径向击穿孔，同时击穿孔内小部分材料发生裂解或电离，形成裂解气和等离子体等相关物质。4)填充胶:填充胶因高温电弧熔融形成径向击穿孔。5)铜壳及铜壳护层:铜壳作为击穿电弧的接地极，被高温电弧高温熔穿，同时高压气体从铜壳中冲出，铜壳爆裂。上述表征现象除裂解气及等离子体部分外，其余均与电缆接头故障现象相符。为验证上述故障表征，设计短路大电流模拟实验进行验证。如图 8 所示，选用 110 kV 交联聚乙烯电缆用整体预制三元乙丙橡胶绝缘件中间接头进行实验，分别将电缆和接地柱接入短路大电流模拟实验线路，再用一根直径为 0.5 mm 的铜丝缠绕在线芯上，从绝缘主体中穿出并缠绕在绝缘主体上。(a)实验接线(b)实验现场布置图 8110 kV 电缆接头短路大电流模拟实验参照 GB/T 390620203.6 kV40.5 kV 交流金属封闭开关设备和控制设备的相关规定，实验电源装置选择额定电压为 12 kV、额定电流为 40kA。对于 110 kV 电压等级线路，从发生接地短路故障到继电保护装置使断路器跳开所需时间在 130ms 以内17，电弧持续时间不超过 3 个周波，交流电压频率为 50 Hz，单个周波为 20 ms，总计不超过0.2 s，考 虑 到 裕 度，因 而 设 定 短 路 持 续 时 间t=0.4 s。短路大电流实验后的接头产品如图 9所示。图 9110 kV 电缆接头实验后实物图对实验接头进行剖解，从内到外各层结构如图10 所示，由图可见:1)电缆线芯出现烧蚀凹坑;2)电缆绝缘部分烧熔，绝缘主体出现径向击穿通道，填充胶出现击穿孔并开裂;3)铜壳出现烧熔孔，铜壳炸裂。从实验现象来看，模拟实验后的各部件与猜想的表征一致。(a)实验后烧蚀电缆线芯及金具(b)实验后击穿接头主体(c)实验后接头图 10110 kV 电缆接头实验后各部件对于材料裂解部分，在爆炸发生瞬间，裂解可燃气体与空气接触发生剧烈燃烧，燃烧现象应为喷薄的火焰;而若是非裂解气体的固体爆炸及燃烧，则爆炸发生瞬间不会形成剧烈的火焰。上述结构电