10 kV天普绝缘线事故鼓包原因分析

袁 波，席世友，李学伟，杨庭志，徐章亮

（重庆市电力公司 綦南供电公司，重庆 401420）

10 kV天普绝缘线事故鼓包原因分析

袁 波，席世友，李学伟，杨庭志，徐章亮

（重庆市电力公司 綦南供电公司，重庆 401420）

针对全线架空绝缘线发生的鼓包、散股、燃烧现象，分析绝缘线内部气体的来源，并应用架空线路的热平衡方程式，结合CIGRE标准对其进行理论推理验证，证明了是由于电流发热，交联聚乙烯高温下分解气体，气体膨胀于瞬间迸发而产生上述现象。最后提出了防止类似事故发生的措施与建议。

绝缘线；鼓包；交联聚乙烯；降解；热稳定

1 事故概述

1.1 事故现场

2011年6月15日晨，綦南供电公司所运维的10 kV天普线沿线发生燃烧、鼓包现象。现场拍摄到的照片如图1～图3所示。

图1 天普线鼓包燃烧场景

图2 沿线分布的鼓包点

图3 鼓笼包特写

1.2 事故危害情况

天普线全线普遍出现均匀鼓笼包，有两处导线烧断落地，线路已经完全丧失供电能力。事故造成3台高压开关柜、1台互感器柜短路损坏以及3只10 kV避雷器炸裂。

为了抢修供电，一方面从距此300米左右的公用线敷设10 kV电力电缆作为临时供电线路；另一方面落实相关线材，组织设计、施工队伍开始天普线的全线清理、设计和施工。在投入大量人力物力的情况下，于事故发生第3天恢复全部居民的临时供电，第28天全线施工完毕并恢复正常供电（该线路两次跨越高速公路，施工难度大）。

据统计，本次事故造成经济损失约175万元，严重影响了普惠小区3 400户居民的正常用电，对优质供电服务造成不良影响。若事故发生在附近没有其他公用线路可供临时转接的地方，后果更加难以想象。

1.3 短路停电事故分析

事故后发现，配电室互感器柜内、开闭所对应出线柜内及对应回路电缆头处都存在相间放电痕迹。分析其原因是出线柜体内封闭太严，底部电缆沟中潮气窜入后，气温变化使露水凝结，形成单相接地故障，引起间隙性弧光接地，产生过电压，进而发生异处相间短路事故。

天普线采用JKLYJ-240绝缘线，首末端都是电缆进站（房），平均供电负荷在3 500 kVA左右。天桥变电站内配置电流互感器变比为600/5，配两段式电流继电保护，Ⅰ段定值是30 A/0.2 s，Ⅱ段定值是6.1 A/0.5 s。对应一次3 600 A/0.2 s和732 A/0.5 s。母线短路电流是23 kA。

保护装置记录如下：天普线是在2011年6月15 日7时05分34秒801毫秒开始短路，短路开始时发生在AC相，记录最高瞬时电流达784 A，持续时间小于0.5 s，因此出现继电保护启动返回的过程，导致短路持续时间达56.8 s才跳闸切除故障。但是1.6 s后重合闸投入，由于故障点未消失，短路点电流再次发生，直到75.3 s后才切除故障，相当于784 A故障电流持续了73.7 s。

自20世纪90年代以来，在我国大中城市配电网络中普遍采用架空绝缘电线［1］。同以往占主导地位的裸导线相比，绝缘线具有供电可靠性高，用电安全性提升，节约线路走廊所占空间，减小线路电能损耗及延长线路使用寿命等一系列优点。加上它比地埋电缆［2］节约成本，目前已成为10 kV城乡配网线路设计中采用最广泛的线缆品种，其绝缘层大多采用交联聚乙烯材料。

绝缘线路间隔均匀鼓包、散股、烧断落地的显性原因与末端短路电流小，站端继电保护不能一次出口跳闸断电，以及持续时间长相关。但线路末端短路竟造成全线鼓包并丧失供电能力让我们大为震惊。在绝缘线广泛使用且短路故障不可避免的情况下，不能不引起我们的高度关注。

查阅相关研究资料，架空线路绝缘老化已有多年的运行经验，研究者对于已经暴露的一些问题，如遭受雷害多，导线容易进水氧化［3］，导线安装较困难，以及击穿、断线故障等已进行了研究。但是对绝缘线鼓包，尤其是鼓包与绝缘线热稳定机理联系方面的相关研究确很少。本事故无疑暴露出我们对交联聚乙烯绝缘线的使用技术条件的认识深度不足，不能做到全面、科学、合理地选用此类线材。为推翻是天普线本身线材原因造成此次“个例”事故的假设，笔者从绝缘线热平衡原理方向入手，试图寻找技术根源，从而合理地解释本次鼓包事故。必须注意的是与这批天普线同时出厂的绝缘线的高压实验结果是合格的。

2 聚乙烯交联方式及工艺特点

聚乙烯（［CH2-CH2］ n ，n为重复单元数），英文缩写为PE，具有线型或支链式分子结构。聚乙烯绝缘材料有良好的介电性能，绝缘电阻高，工艺性能好，但其耐热老化性差，对环境应力（化学与机械作用）敏感。交联聚乙烯是采用交联技术将聚乙烯从线性链状高分子热塑性材料改变为分子链交叉联结的立体网状结构热固性材料［4］。交联是提高PE性能的重要手段之一［5-7］，能显著提高载流量。交联聚乙烯绝缘电缆是一种很有发展前途的高压电缆［8-10］。

目前交联聚乙烯交联工艺主要有过氧化物化学交联、硅烷交联（又称温水交联）、辐照交联、紫外光交联［11］等。过氧化物交联方式（也称为化学交联）是一种适合于生产中高电压等级电缆的交联方式。其原理是通过过氧化物的高温分解而引发一系列自由基反应，进而使PE发生交联。伴随着交联聚乙烯的产生，会出现甲烷、苯乙酮等气体［11］。同样，交联聚乙烯降解也会产生大量气态的聚乙烯。

3 鼓包因素查找

3.1 鼓包因素

3.1.1 外力作用

绝缘线正常运行时每股铝绞线受到来自三个不同方向的外力作用：沿自身轴线方向的张力；同层相邻铝线股之间的切向压力；邻层相邻股线间的法向挤压力［12］。但以上原因均不会造成绝缘线鼓包，只能寻找其他原因。

3.1.2 绝缘线内部存在水分

绝缘导线由于其结构和安装条件的原因，容易进水且水不挥发。当绝缘层破裂或未封头时，水通过毛细管的吸泓作用进入铝导线内，并结聚在弧垂的低处。由于受环境污染之水带有酸性，与铝产生氧化反应生成白色粉末，这类氧化物在电场的作用下加速对导线的腐蚀，使导线强度降低，出现鼓包现象，甚至发生断线［3］，缩短了导线寿命。

然而事故线路鼓包不仅仅发生在档距内的最低处，而是间隔一定距离均匀分布，如图2所示。为此可排除“内部预先存在水份导致鼓包”这一单纯因数。

3.1.3 绝缘存在薄弱点

绝缘线出厂时存在空气间隙或因安装不当出现绝缘损伤，都会造成该处绝缘薄弱。绝缘薄弱点的电场不均匀，发生微量局部放电。气隙或伤痕处的杂质在放电过程中逐渐电离，产生自由电子和空间电荷，且随时间增加不断累积。这样，周围电场更加畸变，且主绝缘处的空气气隙越窄，电场畸变程度越大［13］。薄弱处的绝缘线在不均匀的强电场下长时间运行，使绝缘性能越发劣化，到达一定程度时就可能会形成电树枝甚至引发电缆主绝缘击穿现象。但是这类击穿是局部的，不会沿线均匀出现。

绝缘材料普遍老化后，耐电强度普遍降低，在短路大电流的作用下，可能会发生沿线支撑受力点击穿主绝缘，导线档距中央不能发生击穿现象，且更不可能形成类似“灯笼”的鼓包形状。另外事故线路是新投线路基本无老化，且剖开绝缘线发现其铝绞线层上并无明显放电痕迹，外表和良好绝缘线完全一样。所以，可排除“绝缘预先存在薄弱点导致鼓包”的假说。

3.1.4 气体迸发

当绝缘线流过短路电流时，会在绝缘线上产生大量的电能损耗。电能损耗转换成热能，主要分为两部分：一部分使绝缘线的绝缘层、铝绞线层以及钢芯的温度不断升高；一部分散发到绝缘线内的间隙中和绝缘线外空气介质中。绝缘层温度升高后向空气辐射散热。当辐射热量小于电流发热使绝缘层温度升高时，绝缘材料的内部温度将升高。高温使熔点较低的绝缘层软化、分解甚至燃烧，产生气体；钢芯铝铰线的温度升高也将使制造过程残存物分解气体。不论是原有气体还是新产生的气体，受热后温度必然急剧升高，在近似密封的狭小体积内压强急剧增大，最终胀开铝绞线层及绝缘外套。由于线材是均匀包裹，内部压力达到一定程度时，就迸发形成沿线相对均匀的多点鼓包。

3.2 内部气体的来源

绝缘线内部气体的来源可能有多种途径。

3.2.1 制造过程的固体微粒和气体杂质

钢芯铝铰线和绝缘层在生产过程中，内部不可避免存在间隙，又难以做到绝对的真空，可以认为内部存在固体微粒和气体杂质。在一定温度下固体微粒可能释放气体。

3.2.2 交联副产物气体

由交联化学方程式可见，聚乙烯在交联过程中会产生一些容易挥发的不稳定有机化合物。这些气体在常温条件下也能挥发和逸散，如苯已酮和甲烷等。成品交联聚乙烯绝缘线中有可能有交联副产物气体，曾发生过用电锯锯开绝缘线时，电锯的火花点燃电缆中气体造成爆炸的事故，这可以证明气体的存在。

目前，绝缘线制造过程中的脱气工序用于过滤交联副产物气体，但少量该类气体不可避免存在于出厂的绝缘线内部。

3.2.3 绝缘层降解产生气体

由交联聚乙烯在160 ℃的温度下发生热老化时，绝缘中交联链的断裂和大分子降解增多［14］，交联聚乙烯内部极性基团的种类和数目增多，材料结构完善性变差。当通过长时间的短路电流时，绝缘线温度还可能继续升高。在402 ℃时，交联聚乙烯已降解5%；在424 ℃时，交联聚乙烯已降解10%［4］。若绝缘线内部温度满足降解失重条件，交联聚乙烯绝缘材料降解，必然形成大量气体。

接下来只需利用绝缘线热平衡原理，通过一定计算，可以判断受热绝缘线是否达到了交联聚乙烯降解的温度条件。

4 绝缘线热稳定机理分析

4.1 绝缘线动态热平衡原理

绝缘线运行时的温度是导体电流、光照、风速和环境温度的函数。

式中，T为导体温度，K；I为导体电流，A；JS为光照强度，W/m2；V为风速，m/s；T0为环境温度，K。

绝缘线静态热平衡方程:

当输绝缘线运行状态发生变化的时候，绝缘线动态热平衡方程如下：

式中，m为输电线路单位长度质量，kg；Cp为输电线路的材料比热容, J/kg；T为输电线路自身温度，℃。

（1） 电流产生的热量

采用CIGRE标准时，计及磁损耗作用，在同样的热损失下，电流产生的热量将通过交流电流引起的热损失转化为对应的直流电流和直流电阻下的热损失来计算，即别代表导体的交流电阻和直流电阻。对于三层钢芯铝绞线，其直流电阻和交流电阻有以下关系：

对于含铁质材料的导体：

式中，α为20 ℃时导体的温阻系数，Tc为导体自身温度。

（2）光照引起的发热分析

绝缘线在运行中还会因受到阳光照射而产生热量。光照吸热不仅与太阳辐

射强度、角度和高度有关，还与导体的直径、方向和表面吸收率有关，此外空气质量状况和天气情况对光照引起的发热也有一定影响。

对于光照发热，CIGRE标准给出导体每单位长度所吸收的太阳热量为

式中的各个参数表示如下：

式中，D为导体直径； αs为导体对光照的吸收率；表示太阳高度角；γs和γc分别为太阳和导体的方位角；φ为纬度，η为光线与导体方向的角度；δs为赤纬角度；N表示一年当中的天数；Z表示太阳的分时角度，从正午为0度开始，以每小时15°变化；ID表示阳光直射热量；ID代表阳光散热热量，计算时对于晴朗天气环境时可取为直射热量的10%；F为反照率，水的反照率为0.05（sH＞30°），森林为0.1，城市为0.15，土地和草地为0.2，沙地为0.3，冰原为0.6，雪地为0.6～0.8，太阳高度增加时反照率随之增加； αs对于光亮的导体为0.27，工业环境的风化导体为0.95，一般取为0.5。

CIGRE标准是依照太阳的活动规律，考虑导体的各种方位因素，采用统一的公式表达全年周期的日照热量，计及了反照率并将直射、反射和散射分开表达。因此，比较适合实时运行环境下的求解。

（3） 对流散热分析

对流散热是绝缘线散热的主要途径，对流散热是由于导体在运行中受到风的影响而散失的热量，它与导体和外界环境之间的温度差、风速、风向、导体表面情况以及导体间的集结状态有关。导体的对流散热方式分自然对流和强制对流两种。导体表面温度较高，使导线周围的空气温度较高，周围被加热的空气密度就会减小，从而发生自然对流（风速为零），或者发生

强制对流（风速不为零）。设定雷诺数为

式中， ρf为空气密度，µf代表空气的粘滞系数，D为导体直径，Vw为风速。

雷诺数的不同使得强制对流表现为层流和湍流两种运动方式，不同方式对热传递的影响差异较大。GIEDT实验表明增加23%～30%。当包含4%的湍流时，热量传递能够增加23%～30%。

CIGRE标准将导体的对流散热表达为

式中， Tc为导体自身温度； Ta为周围环境温度；λf为空气热传导率；为努塞尔数，可以表示为，其中的值取决于导体表面粗糙程度和雷诺数。，其中d表示绞线外层导线直径。

其中，ρf、λf和µf可表达为

在强制对流的情况下，由于风向的不同，努塞尔数需进行修正：

式中，δ表示导体轴向与风向的夹角；当0°＜δ＜24°时，A1=0.42，B2=0.68， 1m1=1.08；当24°＜δ＜90°时，A1=0.42，B2=0.58， 1m1=0.9。

在自然对流的情况下，努塞尔数取决于格拉晓夫数Gr和普朗特数

（4） 辐射散热分析

导体的部分热量以辐射的形式散发到空气中，称为辐射散热。辐射散热与导体直径及表面状况有关。辐射散热仅占热量散失的一小部分，大约10%左右。

在CIGRE标准中，辐射散热的计算表达式如下：

式中，ε为辐射率，取决于导体的表面状况，新导体为0.27，工业风化的导体为0.95；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其数值为

光照吸热和辐射散热都是以辐射的方式在导体与空气间进行热交换，性质相同，不同的是对导体的影响作用恰好相反:光照吸热使线路温度升高，辐射散热使线路温度降低。

4.2 热平衡结果分析

将本次事故短路电流784 A、故障电流持续时间73.7 s等参数带入式（3），辅以计算软件进行计算。在事故当时绝缘线内部温度可升高到461 ℃。超过424 ℃/10%分解温度，交联聚乙烯将失重趋近20%，即20%的交联聚乙烯材料已经分解，产生了气体。铝的熔点为660.4 ℃，即铝本身不熔化，呈软化状态，降低了铝线的抗弯强度。从而证明了短路产生大电流，大电流产生高热量，高热量导致绝缘层分解气体，与内部其它气体构成内部气体总和。高温时气体剧烈膨胀，迸发产生均匀鼓包、散股、烧断落地等物理现象。

5 降低事故的措施建议

此事件看似一次偶然事故，但是通过以上分析可知，运行在这种情况下的绝缘线发生事故，具有一定的必然性。同时看出绝缘线运行电流密度与短路电流密度之间的关系不同于裸体架空线路，承受短路电流的能力相对较低。因此做如下建议：

（1）配网运行技术管理部门应着手研究、制定绝缘线路的短路电流密度设计选择技术标准，同时要求绝缘线路设计必须进行安装使用电网处的短路电流计算、校核；

（2）要求架空绝缘线生产企业增加绝缘线短路电流承受能力的型式试验项目，提供出厂技术标准；

（3）制定架空绝缘线路断联长度设计技术标准；

（4）架空绝缘线路设计时，需要进行短路能力与三段式过流保护的配合使用校核；

（5）架空绝缘线路安装时需要特别注意外绝缘层开口处的封闭防水渗入措施。

6 结论

本文针对天普线鼓包事故，逐一分析排除绝缘线内部存在水份，绝缘线内部存在绝缘薄弱点等可能造成事故的原因，结合聚乙烯交联工艺，推理出内部产生了气体是绝缘线鼓笼包的必要条件。详细分析残存气体和固体微粒分解、交联副产物气体尤其是交联聚乙烯绝缘材料分解等气体来源。应用CIGRE标准以及运行中架空输电线路的热平衡方程，得出了交联聚乙烯绝缘线路在末端瞬时短路电流达到784 A、故障电流持续时间为73.7 s的作用下，绝缘线内部温度可升至461 ℃，从而对降解温度的必要性进行了验证。

交联聚乙烯绝缘线路对于走廊空间狭窄的城市配电网具有较大的优势，目前被全面地推广使用。虽然本案例看似为一“个例”事故，但在配电网运行中短路属于常见事件。一旦短路，线路就鼓包并造成全线损坏，不得不重新架设线路的后果，是广大电力客户和供电单位不能容忍的。

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Cause Analysis of the Bulge Accident of the 10kV Overhead Insulated Wire

YUAN Bo，XI Shi-you，LI Xue-wei，YANG Ting-zhi，XU Zhang-liang
（Qi’nan Power Supply Branch of Chongqing Electric Power Corporation of SGCC， Chongqing 401420，China）

In order to solve the problems of the overhead insulated wire such as bulges，scattering of strands and combustion，this article analyzes the source of the internal gas of the insulated wire based on the thermal balance equation of the overhead lineThrough relevant theoretical reasoning verification by means of the CIGRE standards，it proves that the above problems can be attributed to the sudden gas expansion due to the decomposition of cross-linked polyethylene under high temperature caused by the heat emission of electric current．Finally，it presents relevant preventive measures for similar accidents．

overhead insulated wire；bulge；cross-linked polyethylene；decomposition；thermal stability

【中国分类号】TM75 A

1008-8032（2015）05-0028-05

2015-02-06

该文获重庆市电机工程学会2014年学术年会优秀论文三等奖

袁 波（1985-），工程师，主要从事变电站调试工作。