电缆T型接头击穿原因分析和处置

王国忠， 黄海磊

(江苏通光海洋光电科技有限公司， 南通 226100)

0 引 言

海底电缆向岛屿供电时，常常需要同陆地电缆连接，组成一条完整的海底电缆线路。海、陆缆连接常用的办法是采用过渡接头。为方便安装和维护，一些中压海底电力电缆同陆地电缆的连接时，用户较多地选用了在环网柜内，或在接线箱内安装T型接头的办法[1]。但由于T型接头产品良莠不齐和安装质量问题，海底电缆线路的T型接头部位成为线路中的薄弱环节。

1 T型接头击穿情况概述

海底电缆线路在进行竣工试验时，出现了以下情况：A相电缆的T型接头根部被击穿，见图1；A相T型接头被击穿使得B相T型接头也受损，见图2。

图2 B相电缆T型接头受损

该电缆线路由新建的2 000 m YJV22-26/35 3×95型陆缆和9 400 m HYJQF41-F-26/35 3×95+48B1型海底光电复合缆构成。光电复合缆中的48B1光单元在电力接线箱内用光缆接线盒直接与光缆连接，而海底电力电缆与陆上电力电缆的连接则在接线箱里，采用35 kV T型接头连接。在线路敷设和安装35 kV T型接头后，进行了竣工试验。竣工试验使用变频串联谐振试验设备，在线路的陆缆起始端加压。由于受野外条件限制，在海岛一侧的海底光电复合缆的电力电缆端头，没有安装试验终端，而是将三相绝缘屏蔽剥去约600 mm，留出试验用的电气绝缘距离。按顺序，先进行A相电压试验，试验中，海岛一侧光电复合缆的铅包作为试验接地，B、C相导体也接地。在海缆和陆缆的接线箱位置，留人安全警戒、观察和通信联系。竣工试验要求：试验电压的波形应基本是正弦，频率为20～300 Hz，试验电压为52 kV，持续60 min，电缆不击穿[2-3]。试验结果：电压升至30 kV时，接线箱内放电噪声很大，便立即将电压降至26 kV，放电噪声变小，不是十分明显。接线箱厂家认为这是正常现象。随即继续升压至要求的试验电压52 kV，仅维持8 s，就出现了击穿现象。

2 击穿原因分析

2.1 35 kV T型接头结构及安装细节

竣工试验击穿现象发生在T型接头部位，如果试验方法和试验电压正确，击穿原因只有两种可能：一是该型号的T型接头存在质量问题；二是T型接头的安装技术不过关。35 kV T型接头结构示意图见图3。

1—设备套管；2—外屏蔽层；3—绝缘层；4—内屏蔽层；5—双头螺栓；6—螺母；7—绝缘塞；8—屏蔽帽；9—接线端子；10—接地孔；11—应力锥；12—电缆

35 kV T型接头使电缆与设备套管之间的电气连接无裸露金属件，同时，充分考虑了电场分布，主绝缘体的内外都有半导电屏蔽层，很好地处理了导体连接处的电场畸变、电缆轴向收缩和电缆绝缘反应力锥(铅笔头)切削等难题，T型接头外表接地，没有外部绝缘距离。为了解击穿原因，对T型接头各部件的主要功能分析如下：

(1) 外屏蔽层使T型接头的外表面保持零电位，可带电触摸。

(2) 中间绝缘层将高压电极与地电极可靠地隔离，可承受试验电压、工作电压及各种过电压的短时或长期作用。

(3) 内屏蔽层采用半导电橡胶硫化而成，与主绝缘复合成一体，使电缆导体连接处的空气隙处于等电位，不会放电，电缆绝缘末端不需要切削反应力锥，即使电缆绝缘轴向回缩，只要绝缘端部没有缩到接头内的半导电层以外，也不会影响接头的电气性能。可使电场分布均匀，运行更加安全可靠。

(4) 双头螺栓将压接端子固定在设备套管与绝缘塞之间。

(5) 绝缘塞(又叫绝缘子)及绝缘塞盖用来固定压接端子，将连接器安装孔封堵，通过半导电绝缘塞盖罩住尾部，使外表面屏蔽接地。

(6) 接地孔通过屏蔽接地线，将外屏蔽层接地。

(7) 接线端子也叫线耳，使用压线钳将其与电缆导体压接，起到电气连接作用。

(8) 应力锥又称电缆适配器，通过漏斗状应力锥改善电缆外屏蔽层切断处的电场分布。

在试验击穿后，对击穿的T型接头进行解剖，发现各安装细节和尺寸基本符合附件厂家的T型接头工艺要求，且T型接头生产厂家也声称，产品出厂时均通过了电压检验，产品不存在质量问题。

T型接头安装后的照片见图4。

图4 T型接头安装后照片

图4中3个带镀锡编织铜线接地的连接器为陆地电缆T型接头，后面的3个为海底电缆的T型接头。通过连接铜杆、套管座等部件，6个T型接头固定到接线箱的箱板上，实现了海缆和陆缆的电气连接和绝缘。图5为击穿后的应力锥解剖照片，图5中可看到明显的击穿痕迹。

图5 被击穿应力锥照片

最初认为，可能是T型接头的应力锥与电缆绝缘线芯之间的安装尺寸不正确而引起击穿。对照T型接头的安装工艺要求后，发现实际安装基本符合工艺要求，便很快排除了这一因素。

T型接头厂家要求的应力锥安装尺寸见图6。

图6 应力锥安装尺寸

根据安装工艺要求，从导体端部起用软布沾清洁剂，单方向彻底清洁电缆至定位标志处(25 mm线的末端)，干燥后均匀涂上一层硅脂。清洁并润滑应力锥内壁，将应力锥半导电层朝下(如图6中的安装方向所示，朝右)，慢慢旋转推至电缆定位标志处，擦除溢出的硅脂。按这种工艺，在应力锥半导电内壁和绝缘屏蔽的界面上都有硅脂。硅脂除了润滑作用外，还是一种良好的绝缘材料。虽然一些附件厂家在安装说明中也提醒：不要将硅脂涂在半导电层上，但应力锥与电缆绝缘之间的装配是过盈配合，不管怎么谨慎，界面上都带有硅脂，使得应力锥的半导电层与绝缘外屏蔽层连接处的接触电阻增大。

2.2 计算和击穿分析

该海底电缆和陆地电缆连接后试验线路等效电路见图7。

图7 海底电缆和陆地电缆连接后试验等效电路

图7中，I、Uc分别为试验时施加到电缆线路的试验电流、电压；C1、C2分别为陆地电缆和海底电缆的电容；I1、I2为陆缆、海缆上的电容电流；R为应力锥和电缆绝缘屏蔽的接触电阻。

测得该型号规格电缆25 mm长的电缆绝缘屏蔽的直流电阻约为100 Ω(不同的电缆厂家使用不同型号的绝缘屏蔽料，电阻也各不相同)，估算同样长度的应力锥半导电层的直流电阻也约100 Ω，理论上讲，两者接触后，同样长度的电缆绝缘屏蔽和应力锥屏蔽层组合的直流电阻是两者的并联电阻，电阻应更小，但由于装配体界面上存在硅脂，电阻不但没有减小，反而增大很多，且交流电阻应大于直流电阻，可能达到1 000 Ω以上，这里取R=1 000 Ω。陆上电缆的每相绝缘线芯的电容为C1=0.269 μF, 海底光电复合缆的每相绝缘线芯的电容为C2=1.271 μF。为方便说明问题，忽略这种半导电屏蔽的组合电阻，即取R=0 Ω，则整个电缆线路的电容C=C1+C2=1.540 μF。如果试验用高压电抗器L=10 H,则试验时的谐振频率为

(1)

将L，C代入式(1)，计算出f为40.6 Hz。

试验总电流为

I=2π×f×C×Uc

(2)

将f,C,Ue代入式(2)，计算出I为20.4 A。

其中，陆地电缆上的电容电流为

I1=2π×f×C1×Uc

(3)

将f，C1，Ue代入式(3)，计算出I1为3.6 A。

海底光电复合缆上的电容电流为

I2=2π×f×C2×Uc

(4)

将f,C2,Ue代入式(4)，计算出I2为16.8 A。

通过简单计算，不难发现击穿原因。由于陆地电缆端的T型接头处除其外屏蔽通过接地线接地外，同侧的电缆屏蔽铜带连接了镀锡编织铜线接地，电容电流容易流入大地，而海底光电复合缆的T型接头处，只有其外屏蔽层通过接地线接地，T型接头处的电缆铅护套没有采用任何接地方式，电容电流只能从铅护套通过半导电屏蔽层，再经T型接头上的接地线流入大地，由于电缆半导电层与T型接头的半导电层的接触电阻较大，16.8 A的电容电流在1 000 Ω的接地电阻上将产生16.8 kV的电压差，使得屏蔽层放电，烧损绝缘，造成击穿。由于接地线的截面积(约为0.75 mm2)较小，强大的电容电流在A相接地线释放不畅的同时，部分电流还经与之并接的B相接地线释放，造成了B相T型接头的灼伤。

3 T型接头击穿的处置方法

找到真正的击穿原因后，重新订购资质好的T型接头厂家的产品，请有安装资质的操作人员施工，并在安装海底光电复合缆端的T型接头时，使用镀锡编织铜线，加上恒力弹簧等，让连接器处的三相铅护套妥善接地。原T型接头的应力锥与电缆的绝缘屏蔽层连接后，上面还缠有作为标志用的黄色聚氯乙烯(PVC)带，而PVC带是绝缘带，缠绕在两种半导电的连接处后，不仅不会减小接触电阻，可能还会使其增大(当应力锥推入过多时)。此次安装未使用标志用的PVC带，在半导电PE护套、铅套、应力锥半导电层上缠上了长约40 mm的半导电胶带，包覆半导电PE护套长10 mm、铅套10 mm、应力锥半导电层20 mm，使三者较好地电气连接在一起，以减小接触电阻。

安装T型接头后，再次进行试验，新安装的三相电缆线路(由陆缆、海缆和连接器组成)成功地通过了竣工试验。

4 结束语

本次海底电缆线路竣工试验过程中，线路在T型接头根部位置击穿，通过查找击穿原因、整改和最终的试验成功，总结如下：在线路设计时，不能只注意到屏蔽型35 kV T型接头的外屏蔽层有接地线的接地，对与T型接头连接的电缆的金属屏蔽(护套)，不管陆地缆，还是海底缆，都要考虑妥善接地；T型接头宜选用信誉和资质好的电缆附件厂家的产品，以确保T型接头的产品质量；T型接头的安装应由有资质、经验丰富的专业人员完成，确保装配质量。