寒冷条件下高压电缆户外充油终端故障分析

宋鹏先，李 帆，贺 春，赵 程，徐学刚，周凤争，魏 佳

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300372；3.天津市电力科技发展有限公司，天津300022）

0 引言

电力电缆以安全、可靠的特点，在供电领域应用广泛，其运行特性对于提升供电的安全可靠性具有重大影响。高压电缆终端作为高压电缆的薄弱部位，其可靠性直接影响电力电缆的运行状态[1]。高压电缆终端根据结构分为干式电缆终端与充油电缆终端，其中充油电缆终端在高压电缆终端中占有较大的比例，其结构为在电缆绝缘屏蔽层的端部加装应力锥改善电场分布，套管内充以绝缘油作为外绝缘部分[2]。

高压电缆终端故障时有发生，有关文献对故障发生的机理和电缆终端绝缘油在电、热等环境因素影响下发生老化进而影响电缆运行的过程进行了研究，但对在冬季极端寒冷环境下发生的高压电缆终端故障研究较少[3-8]。本文分析2021年1月在天津地区发生的多起电缆终端故障原因，并提出相应解决措施。

1 故障概况

近年来，我国发生了多起35 kV及以上电压等级的电缆及其附件故障。2013—2020年天津地区35 kV及以上电压等级电缆及其附件发生故障430余起。其中，35 kV电缆及其附件故障189起，占35 kV电缆线路故障总数的51.9%；高压电缆及其附件故障38起，占高压电缆线路故障总数的57.6%。不同月份的户外电缆终端故障情况见图1，由图1可知户外电缆终端故障多发于冬季的11月、12月及次年1月，故障占比达56.9%。其中，1月份故障数占3个月故障总数的57%。可见，在冬季极端低温环境下，户外电缆终端易发生击穿故障。

图1 2013—2020年各月份户外电缆终端故障情况

2021年1月，天津地区共发生高压电缆终端故障7起，其中1月7日受寒潮天气影响（最低温度-20℃）连续发生5起故障。7起故障中高压电缆户外充油终端故障2起，干式电缆终端故障5起，涉及4个附件厂家，故障电缆线路信息见表1。同一时期对北京、河北、黑龙江、辽宁等6个地区电缆故障情况展开调研。1月7日，北京也发生了2起220 kV电缆户外充油终端故障，附件厂家与天津发生故障的终端生产厂家相同，而冬季极寒天气是造成户外电缆终端故障的重要因素。

表1 故障电缆线路信息

2 故障现象与原因分析

2.1 故障现象

对1月7日发生故障的220 kVⅠ号线路高压电缆户外充油终端故障相进行解体，见图2。由图2可见，当电缆终端发生故障时，存在填充油（硅油）凝固、应力锥处电缆主绝缘击穿、应力锥内侧有放电痕迹（外侧无）问题。

图2 电缆终端故障相解体

2.2 原因分析

引起寒冷条件下高压电缆户外充油终端发生故障的原因有以下几点。

（1）应力锥表面涂覆油一般采用硅油或硅脂，在低温下发生凝固，无法保证应力锥表面的光滑及应力锥与电缆本体的完全贴合，导致应力锥表面出现电场畸变，或与电缆本体之间出现间隙，引起局部电场畸变从而导致击穿。

（2）低温下，应力锥的橡胶材料弹性下降，从而使应力锥与电缆本体之间出现间隙，造成局部电场畸变导致击穿。

（3）在极寒环境下，应力锥外部的填充油（硅油或聚异丁烯）发生凝固收缩，导致应力锥对电缆本体的抱紧力下降，从而出现间隙导致击穿。

由此可知，高压电缆户外充油终端所采用的绝缘油性能是低温下高压电缆户外终端安全运行的重要影响因素。

3 高压电缆终端绝缘油低温性能

3.1 相关规范要求

电缆终端内的绝缘填充剂一般采用绝缘性能好、不易燃且黏度大的绝缘油。GB/T 11017.3—2014《额定电压110 kV（Um=126 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》和GB/T 18890.3—2015《额定电压220 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》均规定：“液体绝缘填充剂应与相接触的绝缘材料及结构材料相容。乙丙橡胶应力锥推荐采用硅油或聚异丁烯作为绝缘填充剂，硅橡胶应力锥推荐采用聚异丁烯或高黏度硅油作为绝缘填充剂”[9-10]。GB/T 11017.3—2014和GB/T 18890.3—2015对硅油和聚异丁烯的性能参数要求一致，分别见表2和表3。

表2 硅油性能

表3 聚异丁烯性能

由表2和表3可知，现有国家标准中填充油参数主要考虑高温、过热状态下的性能，缺少倾点、凝点等低温下的物理性能参数，并且未考虑低温下填充油凝固状态对终端内部绝缘性能的影响。

3.2 硅油性能

3.2.1 黏度

在同一温度下，硅油的黏度随着分子量的增加而上升，分子量越大，黏度越大[11]。对于相同分子量的硅油，其黏度与温度成反比。图3为德国瓦克公司生产的硅油温度-黏度曲线。随着温度的降低，硅油的黏度不断上升。

图3 硅油温度-黏度曲线

3.2.2 倾点

硅油的倾点随硅油分子量的增加而上升，德国瓦克公司生产的硅油的倾点随分子量从小到大由-68℃增加到-40℃，表4为该公司生产的不同型号硅油对应的倾点，硅油型号中的数字代表该硅油在25℃时的运动黏度。

表4 瓦克公司不同型号硅油对应倾点 ℃

3.3 聚异丁烯性能

3.3.1 黏度

聚异丁烯的黏度随分子量增加而上升，且绝大部分聚异丁烯产品的分子量在达到1×104~2×105时，会由黏稠状液体转变成发黏的半固体，再过渡到橡胶状弹性体[12]。目前应用在电缆终端的聚异丁烯产品的分子量在800~1300。

3.3.2 倾点

聚异丁烯的倾点同样随分子量的增加而升高。表5为韩国大林公司生产的不同型号聚异丁烯对应倾点，产品型号中的数字与产品的分子量有关，分子量越大，产品型号中的数字越大。根据表5可以看出，随着分子量增大，聚异丁烯的倾点由-47℃上升到18℃。

表5 大林公司不同型号聚异丁烯对应倾点 ℃

相比硅油，不同型号聚异丁烯对应的倾点分布更为广泛，高压电缆终端在选择聚异丁烯作为绝缘油时，特别是电缆终端在低温环境下运行时，应注意产品的倾点。

4 国内绝缘油使用情况

调研国内7个电缆附件厂应力锥材料与填充油匹配情况见表6（3号电缆附件为国外厂家，未列出）。北京和天津地区发生故障的高压电缆终端为1号厂家产品，其应力锥为硅橡胶材料，匹配的低黏度硅油，不符合国家标准要求。在冬季严寒环境下，当绝缘油温度低于硅油倾点（-18℃）时，硅油发生凝固，使应力锥与电缆主绝缘界面出现间隙，进而造成局部电场畸变，导致击穿故障发生。其余6个厂家生产的户外终端绝缘油与应力锥匹配均符合国家标准要求。

表6 不同厂家应力锥材料与填充油匹配情况

5 结论和建议

本文针对冬季高压电缆终端的故障，对终端绝缘油低温性能进行分析，得出以下结论。

（1）冬季天气寒冷会导致高压电缆终端中的绝缘油凝固，应力锥与电缆本体界面出现间隙，造成局部电场畸变从而导致击穿故障发生，这是冬季高压电缆发生故障的主要原因。

（2）绝缘油凝固会威胁高压电缆终端的正常运行，常用的高压电缆终端绝缘油（硅油和聚异丁烯）的倾点均随产品分子量的增加而上升，且聚异丁烯不同产品之间倾点差异较大。在选择高压电缆终端绝缘油时，应严格遵守国家标准，并特别注意产品的倾点等低温特性。

（3）现行国家标准中，对于用作高压电缆终端的绝缘油（硅油、聚异丁烯）的低温性能无明确规定，建议在标准中明确绝缘油最高倾点。