周 宣
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)
2012-03-22,某公司開(kāi)閉所巡檢人員聽(tīng)到異常聲響,檢查發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜終端頭爆炸、著火。該事故不僅造成了電纜供電設(shè)備的跳閘,還影響到了其他設(shè)備的安全運(yùn)行,擴(kuò)大了故障范圍,對(duì)公司的供電系統(tǒng)安全造成了威脅。該公司采用ZRYJV型交聯(lián)聚乙烯絕緣10 kV電力電纜(簡(jiǎn)稱交聯(lián)電纜)、KYN 28A-12型全封閉式高壓開(kāi)關(guān)柜,供電系統(tǒng)接線如圖1所示。
(1) 正常運(yùn)行時(shí),220 kV系統(tǒng)200開(kāi)關(guān)合位;10 kV母線分段運(yùn)行,500,800開(kāi)關(guān)分位。
(2) 故障時(shí),變電站10 kVⅡ段554開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作,約300 m s后跳閘;502開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作,約1 200 ms后跳閘。檢查發(fā)現(xiàn)802開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜終端頭爆炸、著火,現(xiàn)場(chǎng)配電室內(nèi)有嗆鼻的煙霧。滅火后,檢查發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜終端頭有放電燒黑痕跡;熱電開(kāi)閉所10 kVⅡ段全部電機(jī)低電壓保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作跳閘。故障電纜型號(hào)為ZRYJV3×185,長(zhǎng)590 m。
圖1 供電系統(tǒng)接線
經(jīng)檢查,熱電開(kāi)閉所10 kVⅡ段進(jìn)線802開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電纜終端頭絕緣擊穿爆燃,導(dǎo)致變電站554開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作跳閘,使熱電開(kāi)閉所10 kVⅡ段母線失電,1-3號(hào)鍋爐停爐。故障切除后,變電站10 kVⅡ段母線電壓由故障時(shí)的1 kV左右趨于恢復(fù)正常,同時(shí)母線上的電機(jī)也處于重啟動(dòng)狀態(tài)。由于該段母線上的電機(jī)總?cè)萘亢艽?,啟?dòng)電流超過(guò)502開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段的整定值,致使在故障發(fā)生1 200 ms后,變電站502開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作跳閘,造成變電站10 kVⅡ段母線失電,擴(kuò)大了停電范圍,進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)停車。
變電站10 kVⅡ段電機(jī)低電壓保護(hù)整定值的一部分為75 V,13 s;另一部分為70 V,15 s。根據(jù)GB/T50062—2008《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.0.5條:“在電源電壓長(zhǎng)時(shí)間消失后需從配電網(wǎng)中自動(dòng)斷開(kāi)的電動(dòng)機(jī),應(yīng)裝設(shè)9 s時(shí)限的低電壓保護(hù),保護(hù)動(dòng)作電壓應(yīng)為額定電壓的45 %-50 %。”因此,延長(zhǎng)低電壓保護(hù)時(shí)限,可使電機(jī)不跳閘。系統(tǒng)切除短路故障(554開(kāi)關(guān)跳閘)后,在電壓恢復(fù)的同時(shí),電機(jī)也在滿載情況下自啟動(dòng);電機(jī)自啟動(dòng)會(huì)使低電壓繼續(xù)降低,導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)電流,進(jìn)而造成502開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作跳閘。
現(xiàn)場(chǎng)檢查之后,未發(fā)現(xiàn)其他部位有放電痕跡和異常,而該電纜終端頭與開(kāi)關(guān)柜連接部位也未發(fā)現(xiàn)異常(表明事故并非因接觸不良所引起)。因此認(rèn)為,自該電纜投入運(yùn)行6年多以來(lái),由于運(yùn)行環(huán)境不良,使得制造和安裝工藝過(guò)程中遺留的微小隱患逐漸發(fā)展為絕緣老化,從而導(dǎo)致電纜終端頭絕緣擊穿放電;同時(shí),由于在運(yùn)行中難以監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀態(tài)且絕緣試驗(yàn)不能按期進(jìn)行,導(dǎo)致隱患不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn),為絕緣逐漸老化提供了可能;并且,電機(jī)低電壓保護(hù)延時(shí)過(guò)長(zhǎng),也導(dǎo)致了故障范圍的擴(kuò)大。
2.1.1 絕緣層發(fā)生“樹(shù)枝”現(xiàn)象
交聯(lián)電纜的性能受制作工藝過(guò)程的影響很大,從材料生產(chǎn)、處理到絕緣層擠塑以及屏蔽層的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,絕緣層內(nèi)部不可避免會(huì)出現(xiàn)交聯(lián)劑殘余、雜質(zhì)、水分和微孔等;且電纜的電壓等級(jí)越高,絕緣層厚度越大,擠壓后冷卻收縮過(guò)程產(chǎn)生空隙的幾率也就越大。
在電纜絕緣層內(nèi)部存在的氣隙、雜質(zhì)及電纜內(nèi)外半導(dǎo)電層界面,會(huì)在運(yùn)行時(shí)形成處于高場(chǎng)強(qiáng)的不連續(xù)材料界面,并沿電力線方向發(fā)生樹(shù)枝狀裂紋,即所謂的“電樹(shù)枝”。從“電樹(shù)枝”現(xiàn)象出現(xiàn)到絕緣層全部被擊穿,時(shí)間較短,且通常會(huì)伴隨著局部放電現(xiàn)象。若運(yùn)行環(huán)境存在水分,則微孔也會(huì)增強(qiáng)電纜絕緣層的吸水性,當(dāng)電纜運(yùn)行一定時(shí)間后,在高電場(chǎng)的作用下,沿電場(chǎng)方向會(huì)引發(fā)“水樹(shù)枝”現(xiàn)象,但通常不會(huì)伴隨產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。由于化學(xué)因素造成的材料細(xì)微開(kāi)裂則稱為“化學(xué)樹(shù)枝”。在電纜運(yùn)行中,“水樹(shù)枝”和“化學(xué)樹(shù)枝”會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為“電樹(shù)枝”,使電纜整體絕緣下降或破壞,直至被擊穿,從而降低電纜的使用壽命。
由于電纜終端、中間接頭的密封不良或電纜在施工斷頭處不加以密封而進(jìn)水、受潮,都有可能導(dǎo)致電纜在以后的運(yùn)行中引發(fā)“水樹(shù)枝”現(xiàn)象。同時(shí),電纜安裝結(jié)構(gòu)不合理,將導(dǎo)致外界水分和有害化學(xué)物質(zhì)侵入到絕緣中,或?qū)е赂郊?nèi)部的絕緣劑向外流失,發(fā)生“呼吸”現(xiàn)象,使電纜氣密性得不到保證,進(jìn)而引發(fā)“化學(xué)樹(shù)枝”現(xiàn)象,加速絕緣老化。
2.1.2 電場(chǎng)應(yīng)力局部集中
高壓電纜每一相線芯外均有一接地的(銅)屏蔽層,導(dǎo)電線芯與屏蔽層之間形成徑向分布的電場(chǎng)。電纜正常運(yùn)行時(shí),只有從(銅)導(dǎo)線沿半徑向(銅)屏蔽層的電力線,沒(méi)有芯線軸向的電場(chǎng)(電力線),電場(chǎng)分布是均勻的,如圖2所示。
圖2 電纜芯電場(chǎng)分布
在制作電纜終端頭時(shí),因需要?jiǎng)兊粢恍《纹帘螌?,以保證高壓對(duì)地的爬電距離,所以導(dǎo)致原有的電場(chǎng)分布發(fā)生改變,產(chǎn)生了沿導(dǎo)線軸向的電力線,并在電纜終端頭處向屏蔽層斷口處集中,使電纜終端頭極易被擊穿,如圖3所示。因此,通常采用介電常數(shù)為20-30,體積電阻率為108-1012Ω·cm的材料制作的電應(yīng)力控制管(簡(jiǎn)稱應(yīng)力管)套在屏蔽層斷口處,以分散屏蔽層斷口處的電場(chǎng)應(yīng)力,保證電纜能可靠運(yùn)行(見(jiàn)圖4)。為盡量分散電纜在屏蔽層斷口處的電場(chǎng)應(yīng)力,應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長(zhǎng)度應(yīng)不小于20 mm(一般在20-25 mm)。接觸長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)使應(yīng)力管的接觸面不足,導(dǎo)致應(yīng)力管上的電力線傳導(dǎo)不足(應(yīng)力管長(zhǎng)度一定);接觸長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)分散區(qū)(段)減小,電場(chǎng)分散不足。如某循環(huán)水泵的10 kV電纜終端頭,因其沒(méi)有按安裝工藝要求搭接20 mm,而是使應(yīng)力管與外半導(dǎo)電層、銅屏蔽層同齊,造成了運(yùn)行中電場(chǎng)集中在屏蔽層剝離處,運(yùn)行1-2個(gè)月后即被擊穿。
圖3 沒(méi)有應(yīng)力管時(shí)的電力線分布
圖4 有應(yīng)力管時(shí)的電力線分布
電纜終端頭絕緣材料及其附件防潮包裝及密封有破損,存放處潮濕使絕緣材料受潮,導(dǎo)致安裝此絕緣材料后的電纜終端頭出現(xiàn)“水樹(shù)枝”現(xiàn)象,逐漸引起絕緣老化。瓷套等易損件安裝于電纜終端頭,易受機(jī)械損傷;電纜終端頭絕緣材料通過(guò)損傷部位受潮,出現(xiàn)“水樹(shù)枝”現(xiàn)象,導(dǎo)致絕緣性能降低,并迅速老化。
該開(kāi)關(guān)柜所在配電室外部灰塵較大,配電室密封不良,灰塵容易進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)并附著在電纜終端頭絕緣上。由于灰塵吸水性強(qiáng),將引起電纜終端頭絕緣受潮,導(dǎo)致絕緣降低,發(fā)生閃絡(luò)、擊穿。
該配電室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜數(shù)量較多、發(fā)熱量較大,且因外部灰塵大,通風(fēng)系統(tǒng)不常開(kāi),使配電室內(nèi)溫度較高,加快電纜終端頭絕緣老化。
2.4.1 運(yùn)行溫度檢測(cè)不準(zhǔn)確
交聯(lián)電纜由于其優(yōu)越的電氣性能、良好的熱性能和機(jī)械性能,在高壓電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。交聯(lián)工藝的處理提高了電纜的耐熱性,其最高運(yùn)行溫度達(dá)90 ℃,短路時(shí)的允許溫度則達(dá)250 ℃,比充油電纜高,因而在導(dǎo)體截面積相同時(shí),交聯(lián)電纜的載流量比充油電纜大。
KYN28A-12型高壓開(kāi)關(guān)柜“五防”閉鎖功能實(shí)現(xiàn)了所有操作均在柜門關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行,且防護(hù)等級(jí)高,可防止雜物和蟲害侵入,同時(shí)電纜室空間充裕,可連接多根電纜。
具有較大載流量和較高運(yùn)行溫度的交聯(lián)電纜終端頭,運(yùn)行在完全封閉的KYN28A-12型高壓開(kāi)關(guān)柜電纜小室內(nèi),使得運(yùn)行人員難以測(cè)量到準(zhǔn)確的運(yùn)行溫度,不利于電纜終端頭運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、判斷和運(yùn)行維護(hù)。
2.4.2 電纜絕緣試驗(yàn)未按期進(jìn)行
由于化工企業(yè)采用連續(xù)生產(chǎn)制,開(kāi)關(guān)柜在平時(shí)運(yùn)行中不停電,且所用電纜為重要電纜,導(dǎo)致平時(shí)無(wú)法對(duì)電纜進(jìn)行絕緣試驗(yàn),只有在每2年1次的系統(tǒng)停車大修時(shí),才能停電對(duì)電纜做絕緣試驗(yàn)。而《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求對(duì)于重要電纜的絕緣試驗(yàn)為1次/年,該電纜絕緣試驗(yàn)周期不能滿足規(guī)程要求,因此,之前的絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常,并不能表明故障發(fā)生時(shí)的電纜絕緣沒(méi)有缺陷。
2.4.3 電纜終端頭試驗(yàn)存在問(wèn)題
交聯(lián)電纜的絕緣是由添加交聯(lián)劑的熱塑性聚乙烯擠包,經(jīng)過(guò)化學(xué)或物理方法交聯(lián)而成的。在直流耐壓試驗(yàn)中,向電纜絕緣介質(zhì)注入大量的空間電荷,空間電荷因XLPE(交聯(lián)聚乙烯)介質(zhì)良好的絕緣性能而未能及時(shí)地泄漏。試驗(yàn)結(jié)束電纜投入運(yùn)行后,這些殘留在空間內(nèi)的電荷積聚形成局部電場(chǎng),并與外施工頻電場(chǎng)疊加,畸變介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布,嚴(yán)重?fù)p傷電纜絕緣,往往使得試驗(yàn)合格的交聯(lián)電纜在投入運(yùn)行后幾小時(shí)或幾十小時(shí)內(nèi)就發(fā)生電纜絕緣擊穿故障,甚至發(fā)生多點(diǎn)擊穿故障。因直流耐壓試驗(yàn)的電壓取值很高,試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),直流電場(chǎng)促使絕緣介質(zhì)中的“水樹(shù)枝”轉(zhuǎn)變?yōu)椤半姌?shù)枝”;同時(shí),周期性的直流耐壓試驗(yàn)也會(huì)加速電纜絕緣性能的劣化,縮短電纜使用壽命。
交流耐壓試驗(yàn)時(shí),輸出的正弦電壓波形接近電纜的運(yùn)行工況,試驗(yàn)電壓值低于直流耐壓試驗(yàn)值,且在測(cè)試中不會(huì)使有害的空間電荷注入絕緣材料。同時(shí),可以無(wú)損傷地探測(cè)到電纜、電纜接頭及施工工藝的缺陷,改善了絕緣介質(zhì)中的“電樹(shù)枝”、“水樹(shù)枝”放電狀況,保證了電纜的正常使用壽命。但交流耐壓試驗(yàn)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)制作過(guò)程中產(chǎn)生的微小氣隙及安裝中存在的微小絕緣擠壓受損缺陷、絕緣的老化趨勢(shì)等危害運(yùn)行的因素,無(wú)法為采取有效的維護(hù)措施提供相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。
3.1.1 預(yù)防“樹(shù)枝”現(xiàn)象
(1) 提高電纜生產(chǎn)工藝。采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和檢測(cè)設(shè)備(如國(guó)外采用改進(jìn)材料供給系統(tǒng)的超凈化技術(shù),減少了絕緣中的雜質(zhì)),減少和控制制造過(guò)程中產(chǎn)生的交聯(lián)劑殘余、雜質(zhì)、水分和微孔等可以引發(fā)“樹(shù)枝”現(xiàn)象的因素。
(2) 提高電纜終端頭制作工藝。避免在空氣潮濕的環(huán)境(如雨天、霧天等)作業(yè),作業(yè)時(shí)的空氣相對(duì)濕度應(yīng)在70 %以下;試驗(yàn)完成后,應(yīng)將電纜終端頭密封。由于熱收縮附件的彈性較小,在運(yùn)行中因熱脹冷縮可能使界面產(chǎn)生氣隙,導(dǎo)致潮氣進(jìn)入,因此要做好密封工作??墒褂霉柚畛潆娎|絕緣半導(dǎo)電層斷口處的氣隙以排除氣體,減少局部放電現(xiàn)象的發(fā)生;且從開(kāi)始剖切填充硅脂到制作完成,必須連續(xù)進(jìn)行,一次完成,以免硅脂受潮。
3.1.2 預(yù)防電場(chǎng)應(yīng)力局部集中
應(yīng)力管與屏蔽層搭接應(yīng)不少于20 mm,以防收縮時(shí)應(yīng)力管與屏蔽層脫離,產(chǎn)生局部集中的電場(chǎng)應(yīng)力,導(dǎo)致應(yīng)力管與屏蔽層脫離處電纜絕緣被擊穿。
選用性能優(yōu)良的電纜終端頭及其附件,盡量降低制造工藝中的風(fēng)險(xiǎn);加強(qiáng)安裝施工過(guò)程管理,采用合理的安裝方案;制作電纜終端頭時(shí),應(yīng)保持安裝附件和絕緣材料干凈;電纜終端頭安裝完成后,應(yīng)滿足導(dǎo)體連接良好、絕緣可靠、密封良好、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、防腐蝕性強(qiáng)的要求,且其規(guī)格尺寸應(yīng)符合制造圖紙的要求。
絕緣材料的防潮包裝及密封應(yīng)良好,存放處不得有積水,存放絕緣部件、絕緣材料等有機(jī)材料的室內(nèi)溫度應(yīng)不超過(guò)35 ℃。為了防止附件和材料受潮、變質(zhì),必須將其存放在干燥、通風(fēng)、有防火措施的室內(nèi)。電纜終端用的瓷套等易損件應(yīng)放于原包裝內(nèi),以防遭受機(jī)械損傷。存放過(guò)程中應(yīng)定期檢查電纜及其附件是否完好。
對(duì)配電室進(jìn)行密封處理,將灰塵阻止在門外,并安裝空調(diào),以降低室內(nèi)溫度。電纜室應(yīng)加裝加熱器,以防止發(fā)生凝露與腐蝕現(xiàn)象。
修改重要電機(jī)的低電壓保護(hù)整定值:由原來(lái)的一部分為75 V,13 s和另一部分為70 V,15 s,改為一部分為75 V,9 s和另一部分為70 V,10 s;當(dāng)?shù)碗妷撼掷m(xù)時(shí)間超過(guò)9-10 s時(shí),切斷電機(jī),避免電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低電壓下運(yùn)行造成的系統(tǒng)過(guò)電流或電機(jī)燒毀。
3.4.1 加裝適宜的觀察孔
開(kāi)關(guān)柜電纜室門上設(shè)置觀察用的窗口,并用適宜的透明材料密封,以便運(yùn)行人員使用紅外測(cè)溫儀能準(zhǔn)確測(cè)到電纜終端頭的運(yùn)行溫度。
3.4.2 采用溫度在線檢測(cè)技術(shù)
在停電情況下,常規(guī)的試驗(yàn)方法可以檢查出貫穿性的或明顯的絕緣缺陷,但不能夠發(fā)現(xiàn)微小的缺陷。因此,為了減少故障的發(fā)生率,除了嚴(yán)格要求電纜終端頭制作工作環(huán)境、嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求、嚴(yán)格遵守運(yùn)行維護(hù)規(guī)程之外,還應(yīng)采取狀態(tài)檢測(cè)技術(shù),在發(fā)生事故之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。
(1) 手持式紅外測(cè)溫儀。采用紅外測(cè)溫儀定期測(cè)量電纜終端頭的溫度,通過(guò)非接觸式、實(shí)時(shí)可見(jiàn)的在線檢測(cè)取得數(shù)據(jù),并以此為依據(jù)分析電纜終端頭的溫度波動(dòng)是否是因電纜終端頭內(nèi)部故障而引起的。此方法操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),但對(duì)于全封閉式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的電纜終端頭,無(wú)法檢測(cè)到其真實(shí)的運(yùn)行溫度。
(2) 智能式電纜終端頭故障在線監(jiān)測(cè)儀。采用溫度傳感器緊貼電纜終端頭頸部安裝,并與高壓端保持可靠的絕緣隔離,通過(guò)光纖將傳感器的信號(hào)發(fā)送至幾十米外的集中測(cè)控裝置,以便實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警?;虿捎蒙醺哳l無(wú)線傳輸方式,將傳感器采集到的信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)方監(jiān)控終端。其優(yōu)點(diǎn)是:阻燃、防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾、有較高的絕緣性能;運(yùn)行人員在后臺(tái)監(jiān)控站便可記錄到電纜終端頭的溫度,當(dāng)溫度升高超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警,避免了突發(fā)電纜終端頭爆炸對(duì)巡視人員的人身威脅。此方法需改進(jìn)高靈敏度傳感器技術(shù)和高電壓隔離技術(shù),以提高在線檢測(cè)裝置的可靠性和靈敏度,避免在線檢測(cè)裝置的安裝對(duì)電纜終端頭絕緣及運(yùn)行的影響??紤]到成本,可使用數(shù)據(jù)總線傳輸來(lái)代替光纖傳輸。
3.4.3 采用局部放電在線監(jiān)測(cè)儀
由于直流耐壓試驗(yàn)對(duì)電纜絕緣壽命有影響,交流耐壓試驗(yàn)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)微小的缺陷,且電纜終端頭內(nèi)部故障以絕緣性故障為多,通常會(huì)以局部放電的形式表現(xiàn)出來(lái)并發(fā)展,因此建議在檢測(cè)電纜終端頭是否合格時(shí),引入電纜終端頭局部放電檢測(cè)。該方法從理論上講是目前評(píng)價(jià)交聯(lián)電纜絕緣狀況的最佳方法。
在制作電纜終端頭時(shí),事先將局部放電傳感器(電感式或電容式)集成在電纜附件殼體上,采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此方法采用了數(shù)字濾波技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助圖像識(shí)別技術(shù),但抗干擾性能有待逐步提高,以提高裝置的測(cè)試靈敏度。目前,此方法多用于交聯(lián)電纜中間接頭、終端頭等。
3.4.4 定期試驗(yàn)
按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求,加強(qiáng)對(duì)電力電纜的絕緣監(jiān)督。
對(duì)于上述涉及到的封閉式開(kāi)關(guān)柜交聯(lián)電纜終端頭,可以按試驗(yàn)規(guī)程定期試驗(yàn),運(yùn)行時(shí)采用局部放電在線監(jiān)測(cè)儀或智能式電纜頭故障在線監(jiān)測(cè)儀為主、紅外測(cè)溫儀為輔的方法,監(jiān)測(cè)常規(guī)試驗(yàn)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的微小缺陷,并在釀成事故之前進(jìn)行處理。
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