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环网柜电缆套管与电缆终端配合研究

发表时间：2020/8/4 来源：《电力设备》2020年第8期作者：黄俭张晓光

[导读] 摘要：目前，环网柜作为环网供电和终端供电的重要开关设备，因体积小，安装维护方便，便于扩展等特点，在户外预装式变电站、户外环网箱以及配电站中得到广泛的应用。

        （上海大华电器设备有限公司上海 201812）
        摘要：目前，环网柜作为环网供电和终端供电的重要开关设备，因体积小，安装维护方便，便于扩展等特点，在户外预装式变电站、户外环网箱以及配电站中得到广泛的应用。而环网柜的电力传输主要通过环网柜上的电缆套管与外部电力电缆上的电缆终端相互连接配合进行，作为环网柜的重要组成部分，电缆套管与电缆终端的配合是否稳定、安全，直接影响到环网柜运行的安全性、可靠性。本文对电缆套管与电缆终端配合导致的设备故障进行分析，并提出相应的预防和控制措施。
        关键词：环网柜；电缆套管；电缆终端；配合
        Abstract：At present, as an important switching device for ring network power supply and terminal power supply, ring network cabinet has been widely used in outdoor pre-installed substations, outdoor ring net cages and power distribution stations due to its small size, convenient installation and maintenance, and easy expansion. The power transmission of the ring network cabinet is mainly carried out through the interconnection and cooperation between the cable sleeve on the ring network cabinet and the cable terminal on the external power cable. As an important component of the ring network cabinet, whether the cooperation between the cable sleeve and the cable terminal is stable and safe directly affects the safety and reliability of the ring network cabinet. This paper analyzes the equipment failure caused by the cooperation of cable sleeve and cable terminal, and puts forward the corresponding prevention and control measures.
        Keywords：ring network cabinet; Cable sleeve; Cable termination; coordinate
        1 引言
        随着城市建设的不断推进，各种基建工程和架空线入地工程的规划，环网柜由于其体积小、安装维护方便快捷以及扩展方式灵活等优点得到了广泛的应用，据统计，目前仅上海市就有45000多台环网柜运行。在环网柜的长期运行中，发生了各种各样的故障，我们对近5年上海市部分地区环网柜故障进行统计如下：
        表1 环网柜故障年统计表

        表1中，电缆套管和电缆终端烧毁有43台次，占到99台次环网柜故障中的43%。
        通过对电缆套管和电缆终端烧毁的因素初步分析，细分为以下几项：
        表2 电缆套管和电缆终端烧毁的因素初步分析表

        通常，环网柜的电缆套管分为2种，一种是400A型，一种是200A型，分别有相应的电缆终端与之配套。400A型电缆套管与电缆终端之间的配合方式采用螺栓式进行连接，而200A型电缆套管与电缆终端之间的配合方式方式采用插拔式连接。表2中，电缆套管和电缆终端烧毁故障原因中，电缆套管与电缆终端配合因素占到总数的37%。并且，在环网柜电缆套管和电缆终端配合因素引发的故障中，400A型电缆套管与电缆终端之间的配合方式只发生1起，其余均为200A型电缆套管与电缆终端之间的插拔式配合引起的，因此对该类故障原因进行分析并提出相应的预防措施，对提升环网柜运行的安全性具有重大意义。本文主要以200A型电缆套管与电缆终端进行展开分析。
        2 故障案例介绍
        某公司反馈一台充气式环网柜C相熔断器筒的电缆套管和电缆终端连接配合处出现闪络故障，导致电缆套管环氧树脂连接桩头烧损，同时电缆终端部分被电弧灼烧，现场出现接地故障后导致开关保护跳闸。到现场后经过详尽的测量和分析，对该故障柜的故障现象如下（见图1）：
        (1)电弧灼烧点出现在电缆终端与电缆套管的连接密封终点位置。
        (2)C相熔电缆套管插拔桩头上存在明显的电弧灼烧的痕迹，导致电缆套管部分环氧树脂已经严重的碳化，同时电弧灼烧的位置出现在了电缆终端的密封终点。
        (3)没有发生故障的A、B相的底部电缆套管的导电嵌件位置发现硅脂全部变成白色，同时在铜嵌件位置发现大量的铜绿现象。                                            图1。

        图1
        3 故障点分析原因
        3.1检查电缆套管表面故障点后初步判断（见图2）：

        图2
        台阶开裂处能够看到电弧窜出的加热痕迹，可以判断电缆套管受到电弧加热后出现脆化，在电弧能量释放的过程中出现开裂，电弧窜出位置出现台阶下部并出现过热变色的痕迹。
        3.2将电缆套管切开检查内部嵌件后初步判断（以下描述分别对应图3中的左中右4个图片）：
        (1)查看内部铜嵌件上出现两个放电熔化点，分别位于电缆套台阶的下部和上部位置处，两者之间有一定距离（约20mm）。
        (2)查看电缆套管碎块可以看到电弧加热电缆套管的痕迹，显示放电起始于电缆套管台阶的下部位置处并向上延展并沿着台阶位置喷出。
        (3)对查看电缆套管碎片放电通道的检查，结合电缆套管内嵌件放电熔化点的检查，可以看出对应的放电通道位置。

        图3
        3.3对电缆套管和电缆附件配合建立二维电场模拟仿真：位于套管台阶附近的1及2位置均存在电场强度较强，即对于电晕放电造成材料老化十分敏感，而间隙位置3位于1位置和2位置之间，且其3位置的老化造成对1位置还是2位置的内部放电风险，取决于3位置距离那个位置更近根据以上对于放电熔丝井套管的剖析可知：
        (1)在实际的放电过程中发生的内嵌件熔化点符合仿真分析中的电场相对集中的位置（位置1和位置2），而产生的放电通道也同时符合仿真分析中的场强相对集中的位置最终电弧窜出：
        (2)在三维模拟仿真中能够看到其放电通道位于位置1与位置3以及位置2于位置3，放电沿两个通道发生，但能够通过放电通道的形状及台阶位置的材料电老化能够判断其放电起始点位于位置1与位置3之间；
        (3)故障电弧将首先发生在有空气间隙的绝缘劣化点（位置3），同时电缆套管过热碳化程度取决于接地故障电弧的能量及电弧持续的时间。在电弧的逃出过程中取决于周边电场强度的分布特点，所以会出现随着电缆终端位置的不同，电弧的蹿出点不同：电缆套管内的场强不均匀位置（位置2），如果靠近下部的绝缘劣化点，当绝缘破坏时，电弧将选择此捷径窜出，电缆套管和电缆终端连接配合中电场强度最高位置（位置3）出现电晕放电现象。
        3.4为了研究电缆终端插入电缆套管后出现缝隙的原因，对以下部件进行测量分析：
        对该电缆终端插针进行测量，插针长度为30.35mm，满足EN50181:2010 标准中要求的插针的有效插入长度 L5不小于 30mm的要求。但由于插针结构中存在一个3mm高的圆台，使得插针在实际插入过程中无法完全插入，导致插针实际插入深度不足30mm。电缆终端由于插针配合尺寸的问题导致插入深度不足，同时还会导致电缆终端的接地屏蔽层与电缆套管的喷锌接地层不能有效的重叠，使得该区域电场屏蔽不完全，出现的电场集中会加重潮湿环境下的电晕放电现象，并极易引起绝缘材料的电老化，甚至最终的闪络故障。通过X光可以看到，电缆终端和电缆套管配合时密封接触面有比较大的距离。（见图4）

        图4
        4故障因素分析
        根据上述案例中的故障分析可以看出，引起环网柜电缆套管和电缆终端配合问题基本上可以分为四个因素：设计、制造、安装和环境。
        4.1设计因素：
        电缆套管与电缆终端分属不同行业的生产制造商，因此设计时有一定的差别。电缆套管和电缆终端的设计标准基本是参照了EN50181标准执行，但具体设计是按各自的方案进行的。
        电缆终端设计相对标准套管的密封长度裕度不够，同时电缆终端外屏蔽接地层端面处有缺口，使得屏蔽接地层不能连续对接，出现电场分布集中和电晕放电现象。
        电缆终端插针设计中插针的圆柱台阶导致插针与符合标准的电缆套管插入配合时出现插入不到位的情况，更加减少了电缆套管绝缘密封的长度，使得电缆终端与电缆套管密封面对接处存在较大的空气间隙（约1.5mm-2.0mm），在长期带电运行条件下会因为电晕放电现象导致环氧树脂材料老化和最终的击穿放电故障。
        4.2制造因素：
        电缆套管材质多为环氧树脂，而电缆终端材质为硅橡胶或三元乙丙胶，因此他们的生产工艺也有所不同。
        电缆套管一般采用浇注成型。当电缆套管采用外置喷涂屏蔽时，由于电缆套管表面有油性物质，使得喷涂层很难依附在表面，容易出线喷涂层局部脱落等现象，同时喷涂时也极易出现喷涂不到位或喷涂过量等现象。
        电缆终端一般采用压注成型。压注模是根据标准设计的尺寸，但是因为电缆终端材质为硅橡胶或三元乙丙胶，在压注成型后容易收缩，使得压注成型后的尺寸并不能满足标准设计的尺寸。
        4.3现场安装因素：
        电缆套管与电缆终端的现场安装是检验电缆套管与电缆终端配合最为核心的过程。
        (1)电缆的有效安装裕度不够：是指预制电缆长度，即从电缆沟引到环网柜电缆套管桩头高度，若裕度不够而强行安装时，电缆终端与电缆套管配合时产生应力，使电缆终端变形，配合密封面产生间隙，可能导致电晕放电现象。
        (2)电缆无固定位置：在完成电缆终端和电缆套管配合后，电缆与环网柜无固定点，在环网柜运行过程中产生的震动力和电缆自身的重力，使电缆终端变形，配合密封面产生间隙，可能导致电晕放电现象。
        (3)安装不到位：在完成电缆终端和电缆套管配合时，由于安装经验不足或现场条件限制，在安装过程中对紧固件紧固程度无法有效判断而使电缆终端和电缆套管配合的密封结合面有空隙，导致电晕放电现象。
        4.4现场环境因素：
        现场环境对于环网柜故障的占比也是相当大的，特别是在季节变换时，由于受到昼夜冷热气温的影响而在环网柜上产生凝露现象，如电缆套管与电缆终端配合有间隙的话，凝露形成的水汽会通过间隙慢慢渗入，使得电缆套管持续发热放电，当长期的电晕放电作用下，最终引发绝缘击穿和环氧树脂的开裂。
        5预防改进措施
        针对上述电缆套管和电缆终端配合的影响因素，可通过以下两点进行预防。
        5.1设计改进
        电缆套管及电缆终端均应遵循EN50181:2010的标准，保证电缆终端插入电缆套管的长度，同时取消圆柱台阶型插针设计，使得插针与符合标准的电缆套管插入配合时能完全到位，使得电缆终端与电缆套管直角结合面处无空气间隙。
        5.1运行中设备改进
        有条件情况下尽量更换已运行配合较差的电缆终端。考虑到需停电更换的实际情况，可预先用耦合电容法做局放测试，根据测试值大小按现场情况的轻重缓急分批逐步更换电缆终端。
        5.2新设备安装改进
        可以在电缆套管与电缆终端配合完成后在台阶连接处采用防水半导体绝缘带缠绕包裹，防水半导体绝缘带的包裹对于已有效配合的电缆套管与电缆终端连接在电场分布方面没有影响。另外也可以在电缆套管与电缆终端配合完成后在台阶连接处连接处采用涂抹防水绝缘硅脂，同样不影响电场分布。
        6结论
        本文对电缆套管和电缆终端配合存在的问题以及现有电缆套管和电缆终端配合时发现的故障进行分析，并根据数据和经验提出了改进措施。改进措施能够有效解决因电缆套管和电缆终端配合时由于间隙而产生故障的问题。同时，改进后的电缆套管和电缆终端的配合能极大的减小环网柜的故障率，对提高供电可靠性和用户满意度具有一定的促进作用。
        参考文献
        ［1］岳森.10 kV 环网柜的常见问题分析及对策［J］.电气时代， 2014（24）.
        ［2］姚昌模 , 张占龙 .输电线路运行故障分析与在线检测 [J].重庆电力高等专科学校学报 . 2011(01).