高壓電纜系統是城市電網的重要組成部分，一旦發生故障將會造成重大損失。 對故障原因的正確分析有助于線路維修工作的順利進行，排除電纜線路隱患，進一步保障高壓電纜線路的安全運行。 結合實際案例對由于材料失效、界面壓強不足、安裝不當造成的高壓電纜附件故障進行了分析。 通過對故障附件的擊穿主通道進行定位，結合材料理化分析，參考附件尺寸結構和安裝工藝，并綜合考慮線路的敷設方式以及故障錄波信息，理清故障成因并對其劣化發展過程進行了復現。 在此基礎上對高壓電纜線路的安全運行和故障預防提出了建議。
電力電纜由于其運行故障率相對較低、占用輸電走廊空間小、能適應多種復雜敷設環境等優點，是大容量電能輸入城市負荷中心最為常用的輸電方式［１-２］。 隨著高壓電纜輸電系統在城市輸電中的大規模應用以及已投運線路服役年限的增長，電纜系統故障時有發生，其中非外力破壞造成的故障主要集中在電纜附件上［３］。 分析故障原因和故障發展過程有助于改善和提升高壓電纜線路運維水平，一定程度上杜絕類似事故的再次發生。 本文選取了材料失效、界面壓強不足、安裝不當等原因導致高壓電纜附件故障的案例，分析了故障成因及其發展過程，并對故障分析的方法和要點進行了探討。
１ 高壓電纜附件故障分析
１. １ 材料失效導致的電纜終端故障案例某敷設于變電站內的 ２２０ ｋＶ ＸＬＰＥ 電纜硅橡膠復合套管戶外終端在正常運行 １２ 年后其中一相發生故障，故障電流約 ２０ ｋＡ。 故障電纜長度約３００ ｍ，采用一端直接接地，另一端通過保護器接地的接地方式。
１. １. １ 故障現象
故障終端如圖 １ 所示。 故障相終端套管內電纜主絕緣上有一個圓形擊穿孔，擊穿孔表面有黑色碳化顆粒，部分顆粒嵌入電纜主絕緣中。 橡膠預制式應力錐碎裂為數塊，半導電應力錐與橡膠絕緣出現分離現象。 電纜絕緣屏蔽斷口附近的屏蔽層脫開，絕緣表面發黃。
１. １. ２ 原因分析
將故障電纜浸入硅油中加熱至約 １５０ ℃進行觀察。 ＸＬＰＥ 在高溫下變得透明，由此可以對擊穿通
道、電纜絕緣以及導體屏蔽等進行觀察。 觀察結果如圖 ２，其中圖 ２ａ 為擊穿點照片，圖 ２ｂ 為包含擊穿點電纜段加熱觀察結果，圖 ２ｃ 為擊穿點附近電纜段加熱觀察結果。 由觀察結果可以看到，擊穿通道附近導體屏蔽出現部分燒毀現象并已露出銅芯導體，不含擊穿點的電纜段導體屏蔽以及絕緣未見異常。
在對非故障相終端進行解剖，并結合產品資料對終端安裝尺寸進行復核分析后，發現電纜絕緣屏蔽斷口附近絕緣表面存在圓周方向打磨痕跡，絕緣屏蔽斷口附近絕緣略微發黃，其他無明顯異常。 隨后，根據 ＧＢ／ Ｔ １８８９０. ２—２０１５［４］對故障相和非故障相電纜進行了檢測，檢測結果符合國標要求。 參照ＤＬ／ Ｔ １０７０—２００７［５］ 對故障相進行了水樹檢查，并未在電纜中發現水樹。
由于故障相應力錐已碎裂，殘余油樣過少，無法進行相關檢測。 因此對非故障相終端應力錐半導電材料的電阻率和相對介電常數、絕緣材料的原始機械性能進行了檢測，對終端內絕緣油的體積電阻率和擊穿電壓進行了測量。 測得的應力錐半導電材料的電阻率為 １０１３ Ω· ｃｍ，相對介電常數為 ６. ９４。 盡管現行的 ＧＢ／ Ｔ １８８９０. ３—２０１５［６］ 標準不再對預制橡膠件半導電材料性能提出考核要求，但該應力錐
半導電材料的電阻率遠超過舊版 ＧＢ／ Ｚ １８８９０. ３—２００２［７］標準要求的上限值 １. ０×１０３ Ω· ｃｍ，硅橡膠絕緣材料的抗張強度和斷裂伸長率低于舊版國標要求。 測得的絕緣油擊穿電壓符合國標要求，但體積電阻率已降低至標準最低要求值的約 ３０％。
綜上，此次故障是由于終端長期運行后預制式橡膠應力錐半導電材料失效引起的。 半導電材料電阻率大幅上升，終端內絕緣油電阻率明顯下降，致使內部場強畸變且整體絕緣品質下降，最終導致擊穿。
此外終端內電纜絕緣發黃可能是由于長期局部過熱導致，過熱也會加劇橡膠件的老化。
１. ２ 界面壓強不足導致的電纜終端故障案例某 ２２０ ｋＶ ＸＬＰＥ 電纜線路在投入運行半年后，ＧＩＳ 終端發生故障，故障電流約 １３ ｋＡ。 故障電纜線路長度約 ２００ ｍ，采用單點接地的接地方式。
１. ２. １ 故障現象
故障終端破損情況如圖 ３ 所示。 終端尾管已嚴重變形，露出內部彈簧錐托組合件。 錐托組合件中螺桿變形，環氧套管法蘭下方表面出現明顯裂紋。
套管端面環氧有較明顯破損，部分內嵌金屬接地電極露出，螺孔處環氧端面破損。
１. ２. ２ 原因分析
解剖前對故障終端的部分尺寸進行了復核，發現應力錐錐拖的彈簧推進量與圖紙中給出的數值差了約 １０ ｍｍ，其造成的結果是應力錐與環氧套管之間的壓力不足。 對故障終端進行拆解發現，露出套管部分的電纜中心線與環氧套管、彈簧錐托組件中的中心線存在一定程度偏差。 在環氧套管端面上電纜與套管的最大距離約為 ４０ ｍｍ，最小距離約為２５ ｍｍ，證明該段電纜存在嚴重的彎曲偏心現象。
對終端進行進一步拆解發現，應力錐橡膠件已碎裂為數塊并有燒蝕痕跡，環氧套管內壁經無水酒精擦拭后表面能夠觀察到電蝕痕跡，如圖 ４ 所示，去除應力錐后發現電纜絕緣上無擊穿痕跡，從現象可以推斷擊穿通道是從 ＧＩＳ 終端內的高壓金屬電極沿套管內表面至半導電應力錐
對線路中另一相非故障相 ＧＩＳ 終端進行尺寸復核和解剖檢查，也發現應力錐錐拖的彈簧推進量與圖紙中給出的數值差了約 １０ ｍｍ，情況與故障相類似。
綜上，可以推斷出由于應力錐推進不到位導致應力錐與環氧套管之間界面壓力不足，另外終端內電纜未充分校直也加劇了界面上的場強畸變，最終導致了擊穿故障發生。
１. ３ 電纜中間接頭導體連接問題導致的故障案例鋁導體的連接一直都是有難度的，在我國高壓鋁導 體 電 纜 的 應 用 經 驗 相 對 較 少。 某 ２２０ ｋＶ６３０ ｍｍ２鋁導體 ＸＬＰＥ 電纜試驗回路在完成 ６０ 個無電壓負荷循環試驗后出現故障，經查找最終確認故障發生在試驗回路中的一個中間接頭。 試驗回路總長約 ５０ ｍ，包括兩個電纜終端和一個預制式中間接頭。
１. ３. １ 故障現象
接頭外觀無明顯異常，解剖至橡膠預制件時發現接頭兩側電纜有明顯的絕緣回縮，半導電屏蔽斷口已回縮至露出預制件覆蓋范圍以外，此外電纜絕緣有變形且顏色變深，如圖 ５ 所示。
１. ３. ２ 原因分析
將硅橡膠預制件解剖，發現接頭內導體壓接管兩側的電纜絕緣已被嚴重燒毀，且其中一側的鋁導體發生嚴重變形，如圖 ６ 所示。 硅橡膠預制件的半導電高壓電極嚴重碳化，如圖 ７ 所示。
圖 ６ 接頭內接管連接處
圖 ７ 預制件硅橡膠碳化
檢查了安裝工藝，未發現安裝過程有問題。 該規格導體連接管是首次在 ６３０ ｍｍ２ 鋁導體上進行試驗。 鋁導體壓接過程中需要施加較大壓力破壞導體線芯表面的 Ａｌ２Ｏ３ 氧化層以保證可靠的電氣連接［８］，同時也起到固定作用。 該連接管采用的是螺栓形式而非壓緊連接形式。 這種連接方式對螺栓的數量及尺寸、連接管的尺寸和操作工藝等有較嚴格的要求。 此案例中，在循環過程中由于電纜的脹縮導致的軸向應力傳至導體連接處，同時連接處本身在熱循環過程中存在脹縮現象，致使導體連接處的電阻逐漸增大，最終形成上述故障。
１. ４ 安裝不當導致的電纜中間接頭故障案例某 ２２０ ｋＶ ＸＬＰＥ 電纜線路在竣工交流耐壓試驗升壓過程中，其中一個預制式中間接頭發生故障。
１. ４. １ 故障現象
故障接頭整體外觀無明顯異常，對其進行逐層解剖檢查，剝至橡膠預制件時發現其半導電地電極表面有一擊穿點，預制件外部的熱縮管內側對應位置也有擊穿痕跡（見圖 ８）。 繼續將預制件解剖，發現電纜導體壓接管上繞包的半導電帶出現拉扯移位，部分半導電帶已覆蓋到電纜絕緣上。 此外在接頭故障一側的電纜絕緣表面有放電痕跡，如圖 ９所示。
預制件內側半導電高壓屏蔽向外有兩道裂紋，并且有半導電帶材粘連，橡膠絕緣表面發黑，如圖
１０ 所示。 裂紋尖端位置大致與預制件外側擊穿點相對應。
１. ４. ２ 原因分析
為了進一步確認擊穿通道，將包含擊穿點和裂紋的橡膠件切割成 ８ 片，如圖 １１。 預制件內側裂紋由 ８ 號切片的半導電高壓屏蔽一直延伸至 ３ 號切片的橡膠絕緣上，預制件外側擊穿點位于 ２ 號和 ３ 號切片之間。 預制件內部的擊穿通道見圖 １２。 結合以上解剖檢查，可以發現擊穿路徑起始于預制件半導電高壓屏蔽，在預制件與電纜絕緣界面之間發展一段距離后貫穿預制件主絕緣，最終到達地電極。
綜上，認為此次故障是由于安裝過程中導體壓接管上的半導電帶材繞包、固定等處理不到位，在后續預制件安裝過程中發生拉扯移位至超出半導電高壓電極，致使電場畸變所致，屬于安裝不當，當然這結構設計容易出現此類問題，最好能夠增加金屬屏蔽罩或者半導電熱縮管來避免。
2 故障預防措施及建議
資料顯示，我國的高壓交聯電纜大部分都是１９９６ 年之后投運的［９］，而在電纜運行超過 ２５ 年后圖 １１ 橡膠預制件故障位置切片
圖 １２ 擊穿通道切片觀察結果
故障率會大幅上升［１０］。 考慮到常規高壓交聯電纜設計壽命為 ３０ 年，在接下來的一段時期內會陸續有高壓電纜線路運行時間逐漸接近設計值。 對于投運時間較長尤其是處于設計壽命后期的電纜線路，應重點關注其整體老化狀況。 有條件時對于電纜可以進行介損、泄漏電流測量［１１］，對于附件可以進行局部放電在線監測或帶電檢測以及紅外測溫［１２］。此外有統計數據表明［３］，由于產品質量和施工安裝不當導致的電纜故障近 ８ 成發生在投運 ５ 年內。 因此對于未投運線路的電纜和附件在出廠試驗過程中應加強質量控制，電纜在敷設及附件安裝過程中應嚴格遵守安裝要求。 對于投運時間較短的電纜線路，運行前期應加強局部放電和測溫的帶電檢
測工作［１３］。
３ 結 論
本文研究了材料失效、界面壓強不足、安裝不當等原因造成的高壓電纜附件故障案例，對故障的具體原因和作用機理進行了分析和討論，結論如下：
（１）在對高壓電纜附件故障成因進行分析時，應重點對主擊穿通道進行準確定位，有助于確認故障點的擊穿路徑從而復現故障形成過程。
（２）由故障現象可見，多數運行中發生的故障擊穿前都會經過一段時期的附件內部放電、局部過熱過程。 因此在日常運行維護中借助局部放電檢測、溫度測量等手段可以提前發現異常點，預防故障的發生。
（３）在進行高壓 ＸＬＰＥ 電纜附件故障分析時，應綜合考慮故障時刻電流電壓錄波信息，電纜線路敷設情況，電纜和附件的配合尺寸、安裝要求，并依照線路投運時以及現行的檢測標準對電纜和附件的性能進行檢測分析，有助于理清故障成因，為后續的維修和運行維護工作提供參考。
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