水分对中低压交联电力电缆中间接头破坏机理及

水分对中低压交联电力电缆

中间接头破坏机理及预防措施

 谭俊

摘 要：文章分析了电缆导体进水的原因，以及水分对电缆中间接头破坏的两种现象。指出工程实际中，水的扩散、渗透现象是接头附件在很短时间内破坏的最主要原因，并提出了改进方法。

关键词：交联电力电缆；进水；破坏；措施

1 前言

在城市化建设中，大量使用电缆美化了环境。然而，电缆芯进水给电缆的运行留下极大安全隐患，往往导致电缆击穿等事故[1 2]，不但影响了设备的安全运行，降低了供电可靠性，同时增加了抢修、维护成本。

2 电缆芯进水原因

针对电缆芯进水问题，有的厂家生产阻水型电缆[3]或不断研制新型的阻水材料[4],目的是尽量降低进水对电缆的影响。对中低压电缆来说，由于技术及成本的原因，以及水极强的渗透性，一旦电缆芯进水，除非在进水部位及时切割掉，否则很难阻止水的纵向流动。电缆芯进水的原因较多，主要有下列几种情况。

1）在交联工序生产过程中，由于电缆阻水接头未处理好等原因将导致交联绝缘线芯进水。

2）电缆运行时，发生中间接头击穿等故障时，电缆井中的积水便会沿着缺口进入到电缆；在道路、施工开挖中，外力破坏电缆，导致进水。

3）非整筒电缆在封帽不严或没有封帽情况下，电缆长时间处在日晒雨林中。

4）敷设时，封帽不严或没有封帽的电缆头有时浸在水中，使水进入电缆。

5）拖放电缆时，电缆头热缩防水套开裂而引起。

6）电缆敷设后，未及时进行电缆头制作，使未经密封处理的电缆端口长期暴露在空气中，甚至浸在水中，使水汽大量进入电缆。

7）中间接头制作时，工作人员的大意，使电缆端头滑入到有积水的电缆井中。

3 理论分析

电缆接头的电场是一个畸变电场，在电缆接头线芯和屏蔽层的切断处，会产生电应力集中现象，电场强度最大，是整个接头的薄弱环节。高压电缆附件安装时的环境条件要求较严，不同厂家对于湿度、洁净度等要求皆近乎苛刻，尤其是对主绝缘与锥接触的表面处理十分严格：使用非金属颗粒砂制打磨，打磨后用无水乙醇或丙酮清洗干净，在强光下观察结果为光滑的情况下才能安装附件。如果其表面不光滑或混入杂质，将使此处的电场发生畸变，使得电力线集中，当畸变引起电场强度超出3kV/mm的允许值时，将会导致局部发生放电。

3.1 电缆中间接头结构

中间接头附件如图1示，主要有主绝缘体2，内半导电屏蔽层3，外半导电屏蔽层4等主要部分。对电力电缆来说，导体线芯与绝缘层、绝缘层与金属屏蔽层之间的半导电屏蔽层，分别称为内、外半导电屏蔽层。电力电缆生产过程中，由于制造工艺的原因，不可避免地在导体的外表面存在尖端或突起，这些尖端或突起处的电场非常高，将会导致导体尖端或突起处绝缘的交流击穿场强降低。同时，绝缘的外表面和金属屏蔽之间不可避免地存在空气间隙，在电场作用下会引发间隙放电。半导电屏蔽层主要为了缓和电缆内、外部的电场集中，改善绝缘层内、外表面电场应力分布，提高电缆的电气强度。附件安装时，附件内半导电屏蔽层与压接管及一部分电缆主绝缘接触，附件外半导电屏蔽层一部分直接与电缆绝缘屏蔽层导通，另一部分与电缆主绝缘接触（如图1示）。附件主绝缘体把内、外半导电屏蔽层绝缘。

图1冷缩中间接头附件安装示意图

1.冷缩中间接头附件 2. 附件主绝缘体 3. 附件内半导电屏蔽层 4. 附件外半导电屏蔽层 5.压接管 6.电缆主绝缘体 7 附件内衬条3.2 接头破坏分析

图1所示，电缆主绝缘体与连接管间有一个缝隙，一旦电缆导体进水，缆芯内的水分会从缝隙口流出到附件内半导电屏蔽层，水分含有金属等杂质。这种含有金属杂质的水分使附件绝缘产生水树现象而击穿及水的渗透、扩散性现象导致的击穿。

3.2.1 水树枝现象的破坏

水树枝是在电场和水的共同作用下，绝缘材料中发生的一种老化现象，有蝴蝶结树与排气树两种类型。排气树生长在绝缘表面，蝴蝶结树生长在绝缘体内，对电缆而言，排气树比蝴蝶结树具更大危害性。水树的产生，将会造成绝缘介质损耗增加，降低绝缘电阻及绝缘击穿电压，湿度越高，温度越高，电压越高，水中所含离子越多，则水树发展越快，绝缘老化速度就越快，将导致产品寿命缩短。正因为水树枝对电缆的破坏作用，有资料介绍[5]，国外在水树形成机理作了大量的研究，并开发出一系列抗水树的电缆绝缘材料。我国对水树的抑制方法也进行过研究[6]，但仍有很长的路要走。

3.2.2 水的扩散、渗透现象破坏

伴随水树的生长，很多时候会在尖端由水树结构转化为电树结构。一旦电树形成，可能造成电缆绝缘在短期内被击穿。根据资料[7]提供的数据，50Hz频率时，10kV电缆导体芯内有水时，在其它正常运行下，因为水树的发展导致的击穿至少要8年，并且击穿概率不足10%。很多工程实际中，电缆芯内有水，中间接头附件会在不长时间内击穿破坏。针对这种现象，依笔者看，缆芯进水后，中间接头附件击穿不是水树老化现象原因引起，水的扩散、渗透现象是最主要的原因。

水的渗透性、扩散性极强，接头附件内的水会纵向向外扩散、渗透，主要经过导体连接管5、附件内半导电屏蔽层3、附件主绝缘体2、附件外半导电屏蔽层4（与接地金属屏蔽层导通）。在高电压作用下，附件内带杂质的水很容易使接头产生沿面放电及闪络放电现象而击穿。同时，水在电场作用下，具一定的导电性，电压越高，水分越多，导电性越强。这样，中间接头每个结构部分通过水“导体”介质而连接起来，致使运行导体与地接通而放电击穿的情况出现,各部分结构“导通”如下图2所示。



图2 中间接头附件“导通”示意图

4 预防措施

由上面的分析，电缆芯里有水，导致接头附件被击穿，最主要的原因是水的扩散、渗透现象而产生沿面放电、闪络放电，以及水的导电连接。目前，中间接头用冷缩附件安装时，没有考虑一旦电缆芯内有积水，该如何防范。因此，必须使用一种密封防水材料，能有效防止水分流到接头附件里，保证附件的洁净度、干燥性。

根据专利[8]，并经考证、研究，决定采用热熔胶及热缩管作为密封防水材料。方法是：中间接头附件安装时，在压接管两端与电缆主绝缘体接口处用密封热熔胶紧紧的绕包、密封，套上热缩管。尔后，对热缩管均匀加热，热缩管里面的热熔胶在热量作用下，从固态变为液态，液态下的热熔胶会与热缩管及压接管和主绝缘体接口完全胶和在一起。冷却后，液态的热熔胶变为固态，完全把主绝缘体和压接管口固封起来，同时，热缩管紧紧的包裹在外面，即使导体芯内有积水，也渗漏不出来，保证了硅橡胶内、外半导电屏蔽层之间的绝缘性（如图3）。



图3措施实施后的安装示意图

图中1-7见图1示，8.热熔胶，9.热缩管

密封热熔胶和热缩管材料为本措施使用的附加材料，目前所有中间接头没有这种材料。使用这些材料后，须保证压接管与冷缩中间接头附件内的屏蔽层紧密接触，以不影响其原设计的电场强度分布，即在采取措施堵住缆芯内水分的同时，保证附件应力锥连接管的压力，防止该处电场严重畸变，当界面场强大于击穿场强的情况下就会产生滑闪，电弧在电场作用下随机发展，经历一段时间后温度升高引起主绝缘被热击穿[9]。压接管与冷缩中间接头附件内的屏蔽层紧密接触，保证不影响其原设计的电场强度分布，这是难点及关键所在，必须通过实际使用检验这种方法的可行性。

5 实践与结语

当今，社会各方面日益重视供电可靠率，电缆芯里进水，按常规技术方法做中间接头，附件在很短时间内运行会出现故障。采取本措施，免掉了更换电缆的大工作量及节约了时间，会更科学、更经济，提高了供电可靠率。

采取本措施，在原附件基础上只增加了两个热缩套及有限的热熔胶，对一个冷缩接头来说，几乎算不上成本，同时，安装工艺简单。2009年下半年，在各方面反复论证下，决定在部分用户电缆上使用该方法以验证安全性、可靠性。

参考文献：

[1] 潘蕾蕾，刘建慧，樊宁.配电网电缆进水原因分析与防范措施探讨[J].山西电力，6（142）：71-72.

[2] 张志祥.35kV交联电力电缆常见故障与对策[J].石油化工技术与经济，25（3）：51-54.

[3] 李涛，岑锐.阻水型中高压交联电缆阻水机理及结构的探讨[J].电线电缆，2008（2）:36-37.

[4] 张侠.一种应用于电线电缆和光缆的新型阻水纱研制[J]. 电线电缆，2008（1）:36-37.

[5] 何军，屠德民.XLPE电缆绝缘中水树的形成机理和抑制方法分析[J].绝缘材料，2008（6）：51-58.

[6] 党智敏，亢婕，屠德民，等.新型抗水聚乙烯绝缘电缆料的研究[J].中国电机学报，2002，22（1）：8-11.

[7] [德]L.Heihold,R.Stubbe（Hrsg.），门汉生，崔国璋，王海 译，电力电缆及电线[M].中国电力出版社，2001

[8] 周世濂. 内防水式中、低压交联聚乙烯绝缘电缆冷缩直通接头[P].中国专利： 200820040508.4，2008-7-9

[9] 屈少虹.110kV线路电缆接头故障分析[J].湖南电力，2006，26(4):42-43.