电力电缆击穿机理及常见故障原因有哪些？

电力电缆的基本结构和材料特性如下：

基本结构

1、线芯（导体）：线芯是电缆的核心部分，用于传输电能。常用的材料有铜和铝，铜导体具有良好的导电性能和机械强度，而铝导体则价格较低且重量轻。线芯通常由多根细绞丝构成，以提高导电性能和机械强度。

2、绝缘层：绝缘层包裹在导体外部，确保电气隔离，防止电流泄漏。常用的绝缘材料包括交联聚乙烯（XLPE）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等。绝缘层需要具备高耐压、耐化学腐蚀和良好的机械性能。

3、屏蔽层：屏蔽层用于改善电场分布，减少电磁干扰。常见的屏蔽材料包括金属带、金属箔或编织的铜丝。屏蔽层可以有效防止外界电磁场对电缆的影响。

4、护套层：护套层保护电缆免受外界环境的损害，如水分、机械损伤等。常用的护套材料包括PVC、PE等，具有良好的防水、防腐蚀和机械保护性能。

材料特性

1、导体材料：

铜：具有优异的导电性能和机械强度，但价格较高。

铝：价格较低，重量轻，但导电性能略逊于铜。适用于大规模配电。

2、绝缘材料：

交联聚乙烯（XLPE）：具有高耐压、耐高工频和脉冲电场击穿强度、低介质损耗角正切值、化学稳定性好、耐热性能优异和机械性能优异的特点。

聚乙烯（PE）：成本低，耐化学腐蚀，适用于低压电缆。

聚氯乙烯（PVC）：价格低廉，耐化学腐蚀，适用于中低压电缆。

3、屏蔽材料：

金属带：如铝带或铜带，具有良好的导电性和机械强度。

金属箔：如铝箔或铜箔，具有优异的导电性和屏蔽效果。编织铜丝：具有良好的柔韧性和屏蔽效果。

4、护套材料：

PVC：价格低廉，耐化学腐蚀，适用于大多数环境。

PE：具有良好的柔韧性和耐化学腐蚀性能，适用于需要柔韧性的场合。

电力电缆击穿的物理化学机理主要包括以下几种形式：

1、电击穿：在高电压、强电场下，介质中的少量自由电子在电场作用下发生碰撞游离，形成电子和正离子。这些电子和正离子继续与中性分子碰撞，产生更多的自由电子和正离子，形成“雪崩”效应，最终导致绝缘介质击穿。

2、热击穿：在长时间运行过程中，由于介质损耗产生的热量使绝缘介质温度升高，当散热不足以抵消发热量时，温度持续上升，最终导致绝缘介质烧焦、开裂或局部熔断。

3、化学击穿：绝缘材料在长期高电场、高温度和高湿度环境下工作，会引起化学反应，导致绝缘材料失效。例如，交联聚乙烯（XLPE）绝缘材料在运行过程中，交联副产物缓慢释放，抑制了电场畸变，增加了击穿强度。

4、局部放电击穿：局部放电会在绝缘介质中形成空间电荷积累，长时间承受运行电压可能导致绝缘老化，甚至发生热击穿或电击穿。

5、机械损伤：外部机械损伤如机械应力、拉伸、压缩、剪切等作用力，可能导致绝缘层破损，进而引发击穿。

6、环境因素：如温度升高、湿度增加等环境因素会加速绝缘材料的老化过程，降低其绝缘性能。

电力电缆绝缘层老化的主要因素包括以下几个方面：

1、电老化：电缆在长期运行过程中，绝缘材料在高电场作用下逐渐劣化，导致局部放电和树枝状生长，最终引发绝缘击穿。这是引起电缆绝缘老化的最主要因素。

2、热老化：电缆在运行中产生的热量和周围环境温度会导致绝缘材料内部的化学结构发生变化，加速绝缘材料的降解反应，使其变脆变硬，电气和机械性能下降。

3、化学老化：电缆绝缘材料在运行环境中会受到化学物质的侵蚀，如酸碱腐蚀、油类物质的化学反应等，导致绝缘材料性能下降。

4、机械老化：电缆在敷设和运行过程中受到机械应力，如拉伸、弯曲、挤压等，导致绝缘材料的物理结构损坏，加速老化过程。

5、环境因素：温度、湿度、紫外线等环境因素对电缆绝缘材料的影响显著。高温、潮湿、紫外线等都会加速绝缘材料的老化过程。

6、水分侵入：电缆接头处或电缆敷设环境中的水分进入绝缘层，形成水树枝，导致绝缘性能下降。

7、过载运行：电缆长期过负荷运行会导致温度升高，加速绝缘材料的老化过程，特别是在夏季高温条件下更为明显。

8、外力损伤：施工不当或外部机械损伤也会导致电缆绝缘层的物理损坏，加速老化过程。

电力电缆制造工艺缺陷类型主要包括以下几类：

1、绝缘缺陷：

气隙缺陷：在制造过程中，绝缘材料内部或表面存在气泡，导致局部放电和绝缘性能下降。

金属颗粒缺陷：绝缘层中混入金属颗粒，导致局部放电和绝缘性能下降。

刺穿缺陷：在安装或运行过程中，杂质进入电缆层，导致绝缘层被刺穿。

2、机械损伤：

导体损伤：在制造过程中，导体表面附着金属颗粒或导电颗粒混入绝缘层，导致局部放电。

绝缘层损伤：剥离半导体屏蔽层时损坏内半导体或绝缘表面有杂质，导致绝缘受潮。

3、结构缺陷：绝缘层厚度不均：绝缘层厚度不足或不均匀，影响电缆的电气性能。屏蔽层处理不当：应力锥处理不当，导致电缆位移缺陷。

4、材料缺陷：塑料层表面缺陷：包括疙瘩、超差、烧焦、塑化不良、气孔、气泡或气眼、脱节或断胶、产生坑眼、包裹问题、表面痕迹和合胶缝不好等。绝缘材料老化：由于热、化学、机械等因素作用，绝缘材料性能下降。

5、工艺缺陷：剥线工艺不当：剥除绝缘屏蔽层时控制不当，导致刀痕。模具选择不当：模芯选配过大或过小，导致倒胶而产生塑料层偏芯。温度控制不当：温度过高或过低，导致塑料层变形或烧焦。

6、其他缺陷：接地不良：接地线连接不牢固或接地方式不正确，导致接地故障。密封不良：密封不良导致绝缘受潮，影响电缆的长期运行。

电力电缆安装施工不当的案例主要包括以下几个方面：

1、电缆截面积选择不当或电缆选型不当：实际负载超过了电缆的安全载流量，导致电缆过载，使电缆绝缘被烧毁击穿。

2、电缆接头制作不规范：接头压接不紧或安装工艺不规范，导致接头处过热，烧毁绝缘，引发事故。

3、电缆敷设安装不规范：如直埋电缆时填土中有尖利的杂物、建筑垃圾，或在填土过程中用重物砸、压等违章操作，导致绝缘机械损伤。

4、施工过程中的操作不当：如电缆敷设方式不符合《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》的要求，导致电缆机械损伤或弯曲半径过小，影响电缆绝缘。

5、施工队伍资质不足：非专业的电缆施工队伍在安装过程中可能导致电缆头受力，造成位移，为故障埋下隐患。

6、施工前未进行充分的施工设计审核：如未对工程进行全面检测，提升工程技术人员素质，控制机械铺设速率，确保电缆与地板无摩擦。

7、电缆终端制作工艺不到位：如主绝缘开剥时刀痕过深、屏蔽层处理工艺不当、应力锥部分尺寸处理不当等，导致终端故障。

8、外力破坏：如施工过程中未采取必要的保护措施，导致电缆被挖断或损坏。

9、电缆附件制造质量低劣：如中间接头制造质量差，导致附件故障占比高达85%。

10、施工环境条件恶劣：如在恶劣环境下进行电缆敷设，未采取相应的防护措施。

环境因素对电缆击穿的影响主要体现在温度、湿度和化学腐蚀等方面。

1、温度：

高温：高温会加速电缆绝缘材料的老化，导致绝缘性能下降，增加电缆击穿的风险。例如，长期超负荷运行的电缆在高温下会加速绝缘老化，最终导致绝缘被击穿。

低温：低温会使绝缘材料变脆，容易破裂，降低电缆的耐用性，增加击穿的可能性。

2、湿度：

高湿度：高湿度环境会导致电缆绝缘材料吸水，降低其绝缘性能，增加漏电、短路等故障的风险。特别是在潮湿的地下室、矿井等场所，电缆需要具备良好的防潮性能。

低湿度：低湿度环境下，电缆绝缘材料可能因水分流失而干燥收缩，导致电导率变化和内部应力增加，进而影响绝缘性能。

3、化学腐蚀：

酸碱腐蚀：电缆直接暴露在酸碱环境中，会腐蚀铠装、铅皮、绝缘和护套保护层，加速绝缘材料老化，降低绝缘电阻，增加事故风险。

其他化学物质：如油污、尘埃等也会腐蚀电缆绝缘材料，影响其性能。

电缆运行中的局部放电现象具有以下特征：

1、局部性：

局部放电仅在绝缘系统中部分区域发生，不会贯穿整个施加电压的导体。这种现象通常发生在绝缘体内部或表面的气隙、杂质、导电通道、尖针状导体或导体表面的毛刺等位置。

2、产生原因：

局部放电的产生与绝缘材料的缺陷有关，如气隙、杂质、裂纹等，这些缺陷会导致电场集中，从而引发放电。此外，电缆制造过程中混入金属杂质、出现气孔空洞，或内外半导体层不规则突起也会引起局部放电。

3、类型：

局部放电可以分为内部放电、表面放电和电晕放电三种类型。内部放电发生在绝缘体内部的气隙或液体中，表面放电发生在绝缘体表面，而电晕放电则发生在高压导体的高电场区域。

4、影响：

虽然局部放电不会立即导致绝缘层击穿，但长期存在会逐渐扩大并加重对绝缘层的破坏，最终可能导致绝缘层的穿透性破坏，引发电力系统故障。

5、检测方法：

局部放电检测方法包括高频脉冲法、超声波法、暂态地电压（TEV）法和特高频（UHF）法等。这些方法可以帮助及时发现电缆的故障，采取相应的维修措施，避免事故的发生。

6、特征参数：

局部放电的特征参数包括放电产生的电流平均值、放电开始时的电压数值、局放功率和放电结束时的电压。通过测量这些参数，可以评估电缆的绝缘状况和运行状态。

电缆过载与热击穿之间的关联性主要体现在以下几个方面：

1、过载电流导致的过热：当电缆长期处于过载运行状态时，电流的热效应会使电缆导体和绝缘材料产生额外的热量，导致电缆温度升高。如果散热条件不佳，温度持续上升，最终可能导致绝缘材料的热击穿。

2、绝缘材料的老化和损坏：长期过载运行会使电缆绝缘材料加速老化，降低其机械强度和电气性能。当温度超过绝缘材料的耐受极限时，绝缘材料可能会发生脆化、开裂或熔断，从而引发热击穿。

3、散热不良：电缆安装密集或周围环境散热条件差，会导致电缆表面温度过高，进一步加剧绝缘材料的热应力。如果散热不良持续时间较长，绝缘材料可能无法承受高温而发生热击穿。

4、机械应力的影响：电缆在长期过载运行过程中，可能会因为机械应力（如弯曲、拉伸等）导致绝缘层损伤，进一步降低其绝缘性能。在高温条件下，这种损伤更容易导致热击穿。

5、环境因素的影响：电缆所处的环境温度、湿度等条件也会影响其热击穿风险。例如，在高温、高湿环境中，电缆的散热能力下降，更容易发生热击穿。