孫進(jìn) 黎德初 胡學(xué)良

摘 要：某石化廠110 kV單芯電纜出現(xiàn)內(nèi)部多處放電、灼傷外屏蔽層故障，為尋找其故障產(chǎn)生的原因，開展了技術(shù)研究，包括電纜剖面結(jié)構(gòu)分析、灼傷點(diǎn)材料成分分析和X射線檢測分析，結(jié)果表明電纜進(jìn)水吸潮、鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層之間的間隙較大或阻水帶失去半導(dǎo)體性能，都會造成電纜放電灼傷等故障，建議石化企業(yè)加強(qiáng)單芯電纜的運(yùn)行管理并開展電纜在線監(jiān)測研究。

關(guān) 鍵 詞：電纜；故障；剖面結(jié)構(gòu)；X射線檢測

中圖分類號：TM 757 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2014-03

Abstract： Faults of the 110 kV cable occurred in a Sinopec company. To study the failure mechanism， cable section structure analysis， burn area material composition analysis and X-ray testing analysis were carried out. The results showed that many reasons caused the cable faults， such as the water infiltration and humidity in cable， the excessive gap between aluminum protection coating and shielding layer， the decrease of the semiconductor performance of water-blocking tape， and so on. Its pointed out that petrochemical enterprises should strengthen the management of power cable operation and carry out cable on-line detection.

Key words： power cable； fault； sectional structure； X-ray testing

電力電纜是油田和煉化企業(yè)電力系統(tǒng)配電線路的主要形式，具有占地面積少、滿足防爆要求等優(yōu)點(diǎn)[1]。110 kV電纜出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致全廠停電，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害。根據(jù)以往110 kV電纜的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電纜故障主要集中在電纜終端和中間接頭處，而此次某石化公司的電纜故障集中在電纜本體外屏蔽層和鋁護(hù)套之間，包括電纜外屏蔽層內(nèi)部灼傷和表面缺陷，首次通過電纜剖面結(jié)構(gòu)分析、灼傷點(diǎn)材料成分分析和X射線檢測分析，深入研究電纜放電故障機(jī)理，為避免或減少今后此類事故的發(fā)生，改進(jìn)電纜結(jié)構(gòu)和運(yùn)行管理提供可靠依據(jù)[2，3]。

1 背景與經(jīng)過

為增強(qiáng)企業(yè)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，并優(yōu)化資源配置，某石化公司于2013年實(shí)施了“110 kV電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化” 項(xiàng)目。圖1為該石化公司電網(wǎng)的110 kV主網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。2014年4月-8月，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，進(jìn)行110 kV電纜遷改時(shí)，發(fā)現(xiàn)110 kV電纜的主絕緣外屏蔽層、阻水帶、鋁護(hù)套內(nèi)壁有多處灼傷，如圖2所示。該110 kV電纜長約3 200 m，全線埋地敷設(shè)，一端為GIS電纜終端，一端為戶外終端頭，單芯300 mm2，分3段交叉互聯(lián)。該110 kV電纜1999年生產(chǎn)，2000年2月投入使用，2011年停運(yùn)保養(yǎng)，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)電纜存在嚴(yán)重缺陷，不建議繼續(xù)使用。

為避免同類事故的發(fā)生，該石化廠開展了110 kV電纜普查，發(fā)現(xiàn)仍有同型號、同廠家、不同時(shí)期投運(yùn)的多個(gè)回路的電纜在役，采用X光無損檢測發(fā)現(xiàn)有多個(gè)回路的在役110 kV電纜存在外半導(dǎo)體屏蔽層表面缺陷。另外此前已經(jīng)退出運(yùn)行的110 kV電纜，在切斷電纜并準(zhǔn)備移動(dòng)電纜時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜剛鎧護(hù)套內(nèi)與外半導(dǎo)體之間有許多白色斑點(diǎn)以及放電痕跡。為分析電纜內(nèi)部故障產(chǎn)生機(jī)理，專門開展了110 kV電纜的故障分析與研究。

2 電纜故障原因分析

2.1 電纜剖面結(jié)構(gòu)分析

電纜型號為ZC-YJLW03-Z1×300 mm2，電纜外徑為92.3～94 mm，電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，從內(nèi)向外的結(jié)構(gòu)依次為：1導(dǎo)體、2內(nèi)屏蔽層、3絕緣層、4外屏蔽層、5阻水帶、6鋁護(hù)套、7內(nèi)護(hù)套、8外護(hù)套，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

首先對樣品的半導(dǎo)電緩沖阻水帶進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)電阻水帶體積電阻率符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，但表面電阻實(shí)測值略高于標(biāo)準(zhǔn)。然后對阻水帶膨脹速率進(jìn)行了檢測，又根據(jù)阻水帶所呈顏色、膨脹狀態(tài)等情況，認(rèn)為該電纜鋁護(hù)套曾進(jìn)水吸潮，因長時(shí)間運(yùn)行而發(fā)熱烘干，從而導(dǎo)致半導(dǎo)電緩沖阻水帶表面電阻變大。電纜進(jìn)水吸潮后，半導(dǎo)電緩沖阻水帶遇水吸潮膨脹，由于電纜線芯與金屬護(hù)套之間有間隙，所以在線芯和金屬套接觸部位的膨脹粉，由于空間問題會從半導(dǎo)電聚酯纖維布中溢出，游離在絕緣屏蔽層、半導(dǎo)電緩沖阻水帶、金屬套內(nèi)壁，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行，在均熱狀態(tài)下，水分子逐漸與聚丙烯酸鈉脫離并吸附于其表面（膨脹粉有乙烯醇-丙烯酸共聚物和聚丙烯酸鈉的交聯(lián)物等組成），其在線芯和金屬套接觸部位聚集后，極易在鋁護(hù)套與半導(dǎo)電阻水帶之間形成絕緣膜，從而造成內(nèi)部有異常電場存在，導(dǎo)致鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間產(chǎn)生電位差而放電[4]。

2.2 灼傷點(diǎn)材料成分分析

對半導(dǎo)電屏蔽層和白色斑塊缺陷部分即放電傷疤部位進(jìn)行EDS元素成分表征，半導(dǎo)電屏蔽層的元素成分分析結(jié)果如圖4和表2所示。

通過對比半導(dǎo)電屏蔽層的元素成分，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體層上存在鋁元素，而鋁元素來自于外護(hù)套鋁材料。

半導(dǎo)體層上出現(xiàn)了來自于外護(hù)套鋁材料的鋁元素，是由于故障電纜的阻水層導(dǎo)電性能下降，引起電纜主絕緣外屏蔽層存在過高懸浮電位，主絕緣外屏蔽層通過阻水帶向鋁護(hù)套內(nèi)壁放電，即電纜局部放電，進(jìn)而引起主絕緣外屏蔽層、阻水帶、鋁護(hù)套內(nèi)壁灼傷。

進(jìn)一步分析電纜阻水層導(dǎo)電性能下降的原因，有三種可能：電纜外屏蔽層與鋁護(hù)套間隙偏大，造成接觸面積不夠、導(dǎo)電不良；電纜阻水帶材質(zhì)有問題，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行后，電阻率上升；電纜受潮后阻水帶膨脹粉易析出，形成不導(dǎo)電層。

2.3 X射線檢測分析

X射線檢測的工作原理是X射線在穿透不同的物體時(shí)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而強(qiáng)度變化，感光材料（膠片、IP板、DR板）接受到該強(qiáng)度變化信號后，經(jīng)信號處理形成我們常見的影像，原理示意圖如圖5所示。通常，用于檢測電纜的一套完整的檢測系統(tǒng)包括：射線源、IP板或DR板、CR掃描儀、工作站（圖像顯示系統(tǒng)含圖像處理分析軟件）、X光機(jī)現(xiàn)場移動(dòng)支架等。圖6為典型的故障電纜X射線檢測成像圖，從圖中可以看出主絕緣層不存在異常缺陷，半導(dǎo)體屏蔽層表面存在缺陷點(diǎn)，放大后計(jì)算出最大缺陷點(diǎn)的面積約15 mm2，檢測結(jié)果與故障電纜實(shí)體的缺陷點(diǎn)一致。

通過大量的X射線檢測，發(fā)現(xiàn)電纜的缺陷類型還包括外半導(dǎo)體屏蔽層表面缺陷、主絕緣微孔空洞、半導(dǎo)電屏蔽層與主絕緣層界面波浪紋缺陷和外半導(dǎo)電屏蔽層與皺紋鋁護(hù)套過度擠壓或刮傷缺陷。綜合各種因素，電纜出現(xiàn)放電灼傷的原因?yàn)殡娎|鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層之間的間隙較大且（或）阻水帶失去半導(dǎo)體功能，導(dǎo)致電纜絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套接觸有間斷，不能形成等電位連接，半導(dǎo)電絕緣屏蔽處于懸浮電位狀態(tài)，出現(xiàn)電荷局部積聚后對金屬護(hù)套放電導(dǎo)致的。主絕緣外屏蔽層通過阻水帶向鋁護(hù)套內(nèi)壁放電，電纜外屏蔽層灼傷貫穿后，會因電位分布不均衡導(dǎo)致電場畸變，加速電纜主絕緣層損壞[5]。

3 結(jié) 論

110 kV電力系統(tǒng)是石化電網(wǎng)的主配電系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障，將對石化企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來巨大影響，對在運(yùn)110 kV電纜進(jìn)行普查具有重大意義。通過對故障電纜進(jìn)行剖面結(jié)構(gòu)、灼傷點(diǎn)材料成分和X光射線檢測進(jìn)行分析研究，可知：由于電纜進(jìn)水吸潮，半導(dǎo)電緩沖阻水帶遇水吸潮膨脹，鋁護(hù)套與半導(dǎo)電阻水帶之間形成絕緣膜，導(dǎo)致內(nèi)部電場異常，會造成鋁護(hù)套與絕緣屏蔽之間產(chǎn)生電位差而放電；電纜鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層之間的間隙較大且（或）阻水帶失去半導(dǎo)體性能，電纜絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套接觸有間斷，不能形成等電位連接，半導(dǎo)電絕緣屏蔽處于懸浮電位狀態(tài)，出現(xiàn)電荷局部積聚后對金屬護(hù)套放電，導(dǎo)致電纜出現(xiàn)放電灼傷的現(xiàn)象。為避免110 kV電纜本體出現(xiàn)灼傷等缺陷，電纜的絕緣半導(dǎo)體層與金屬護(hù)套應(yīng)接觸緊密，如間隙過大，會產(chǎn)生內(nèi)部放電或局部放電，此外，阻水帶應(yīng)具備半導(dǎo)體性能，如半導(dǎo)體性能發(fā)生變化也會產(chǎn)生放電。

石化企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)電力電纜的運(yùn)行管理，及時(shí)準(zhǔn)確掌握110 kV電纜運(yùn)行狀態(tài)，開展電力電纜在線檢測研究并積累數(shù)據(jù)。對問題嚴(yán)重的110 kV電纜進(jìn)行處理以徹底消除隱患。有110 kV電纜在運(yùn)行的企業(yè)要高度重視，應(yīng)結(jié)合自身情況，舉一反三開展普查，必要時(shí)安排進(jìn)行相關(guān)的電纜檢測。

參考文獻(xiàn)：

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