鄭海龍，王憲坤

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116)

由于乙丙橡膠具有優(yōu)異的電性能和柔韌性能，中壓乙丙橡膠絕緣電纜已有廣泛應(yīng)用[1]。某核電廠1、2號(hào)機(jī)組常規(guī)島及水廠、網(wǎng)控樓等BOP子項(xiàng)使用10 kV乙丙橡膠絕緣電纜。電纜為鍍錫銅芯乙丙絕緣熱固性護(hù)套無(wú)鹵低煙阻燃非鎧裝電纜，導(dǎo)體截面為3×120 mm2，設(shè)計(jì)壽命60年，2011年生產(chǎn)制造，2012年至2013年陸續(xù)投運(yùn)。2019年7月至2020年8月期間，水廠中壓B段9 根電纜中有5根電纜相繼出現(xiàn)單相接地故障，水廠中壓C段9根電纜中也有2根出現(xiàn)了接地故障。電纜故障造成部分BOP子項(xiàng)失去電源，對(duì)核電廠的正常生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響。

本文針對(duì)上述電纜故障，介紹故障點(diǎn)確定方法，對(duì)故障電纜進(jìn)行解剖檢查、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，分析電纜敷設(shè)情況和運(yùn)行環(huán)境，推斷故障原因，提出防范措施，以供參考。

1 電纜故障定位

以1號(hào)機(jī)組常規(guī)島中壓 4 段至水廠 B 段 2 號(hào)進(jìn)線電纜為例說(shuō)明電纜故障定位方法。該電纜大部分敷設(shè)于廠區(qū)電纜溝內(nèi)，無(wú)中間接頭。2020年5月22日電纜發(fā)生B相單相接地故障，對(duì)地?fù)舸┓烹?，故障電流峰?2050 A，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間 28 ms，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間 33 ms。

發(fā)生故障后，通過(guò)搖絕緣電纜 B 相 2500 V 對(duì)地電壓無(wú)法建立，采用低壓脈沖法測(cè)量電纜全長(zhǎng)480 m，采用直流高壓閃絡(luò)法施加10 kV 直流脈沖電壓(5 min 內(nèi))，并配合電纜故障測(cè)距儀，測(cè)得故障點(diǎn)距水廠約140 m，再?gòu)某Ｒ?guī)島側(cè)加壓測(cè)距(10 kV，5 min)，故障點(diǎn)距常規(guī)島約 350 m。最后進(jìn)入電纜溝內(nèi)，施加 10 kV 脈沖電壓(5 min 內(nèi))確定了實(shí)地故障點(diǎn)，外護(hù)套未見(jiàn)明顯損傷，相鄰電纜無(wú)異常。將第1故障點(diǎn)切除后，余下2段電纜B相超低頻交流耐壓(18 kV/0.1 Hz/5 min)均發(fā)生擊穿，繼續(xù)采用短時(shí)直流高壓閃絡(luò)法查到第 2故障點(diǎn)位于第 1 故障點(diǎn)西側(cè)6 m處，第3故障點(diǎn)位于距水廠40 m處。

為全面排查，運(yùn)維部門制定了《10 kV中壓電纜絕緣排查及試驗(yàn)方案》?？紤]到傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)的弊端[2]，運(yùn)維部門對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了優(yōu)化：絕緣測(cè)試后直接接地放電并持續(xù)5 min；只做工頻交流耐壓試驗(yàn)，電壓值為2倍U0，持續(xù)時(shí)間為5 min；耐壓擊穿后，暫停耐壓試驗(yàn)，待進(jìn)一步分析后，再進(jìn)行后續(xù)處理。

2 故障原因分析

2.1 解剖檢查

電廠從不同故障電纜中截取4段(1-4號(hào)樣品)，并選取1盤庫(kù)存電纜(5號(hào)樣品)，送電纜檢測(cè)中心進(jìn)行解剖檢查和檢測(cè)分析。

1號(hào)樣品：電纜護(hù)套表面印字計(jì)米從0835～0861 m，電纜護(hù)套未見(jiàn)破損、開(kāi)裂現(xiàn)象，見(jiàn)3處護(hù)套鼓包現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。故障點(diǎn)外護(hù)套完整，解剖故障點(diǎn)處，見(jiàn)擊穿點(diǎn)周圍部分銅帶及包帶燒毀、見(jiàn)絕緣擊穿孔洞，擊穿空洞呈圓形，故障點(diǎn)附近銅帶屏蔽褶皺，有凹坑(見(jiàn)圖2)。剝除褶皺處銅帶屏蔽處，觀察對(duì)應(yīng)絕緣表面，見(jiàn)絕緣表面有凹坑。在解剖過(guò)程中，見(jiàn)故障處附近電纜金屬屏蔽外及絕緣外阻水帶有吸潮現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)。

圖1 1號(hào)樣品護(hù)套鼓包

圖2 1號(hào)樣品銅帶屏蔽褶皺及凹坑

圖3 1號(hào)樣品阻水帶吸潮現(xiàn)象

2號(hào)樣品：電纜護(hù)套表面印字計(jì)米從0583～0597 m，電纜護(hù)套未見(jiàn)破損、開(kāi)裂及鼓包現(xiàn)象，解剖故障點(diǎn)處，見(jiàn)擊穿點(diǎn)周圍部分銅帶及包帶燒毀、見(jiàn)絕緣擊穿孔洞，擊穿孔洞不呈圓形，見(jiàn)裂口(見(jiàn)圖4)。解剖過(guò)程中未見(jiàn)阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

3號(hào)樣品：電纜護(hù)套表面印字計(jì)米從0144～0163 m，電纜護(hù)套未見(jiàn)破損、開(kāi)裂及鼓包。有3處故障點(diǎn)，解剖故障點(diǎn)處，3處故障點(diǎn)均處于銅帶屏蔽搭蓋處，絕緣擊穿孔洞均不呈圓形，均見(jiàn)裂口(見(jiàn)圖5)。解剖過(guò)程中未見(jiàn)阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

4號(hào)樣品：電纜護(hù)套表面印字不清，電纜護(hù)套未見(jiàn)破損、開(kāi)裂及鼓包，解剖故障點(diǎn)處，見(jiàn)擊穿點(diǎn)周圍部分銅帶及包帶燒毀、見(jiàn)絕緣擊穿孔洞不呈圓形，有裂口(見(jiàn)圖6)。解剖過(guò)程中未見(jiàn)阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

圖4 2號(hào)樣品擊穿孔

圖5 3號(hào)樣品擊穿點(diǎn)

圖6 4號(hào)樣品擊穿孔

5號(hào)樣品：取樣檢測(cè)未見(jiàn)護(hù)套有鼓包、破損現(xiàn)象，剖開(kāi)電纜端頭未發(fā)現(xiàn)阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

參照GB/T 12706.2—2008《額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件第2部分: 額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到30 kV(Um=36 kV)電纜》，按照電廠提供的技術(shù)條件(電纜規(guī)范書)對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)電纜樣品的結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣及護(hù)套物理機(jī)械性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范書要求。另外，對(duì)5號(hào)庫(kù)存電纜和1號(hào)故障電纜取樣進(jìn)行了電氣性能試驗(yàn)，5號(hào)電纜電氣性能均符合技術(shù)規(guī)范書要求。1號(hào)故障電纜其介損(tanδ)不符合技術(shù)規(guī)范要求，其局部放電有超過(guò)聲明靈敏度的可測(cè)放電，在靈敏度為1.4 pC下，放電量為3.1 pC，介質(zhì)損耗檢測(cè)結(jié)果最大為180×10-4，與庫(kù)存電纜樣品相比變大。進(jìn)行18 kV交流耐壓試驗(yàn)三相均在1 min中內(nèi)擊穿。分析認(rèn)為，介損變大，可能是長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中電纜絕緣有吸潮現(xiàn)象；局放檢測(cè)有放電，可能是因?yàn)橐冶^緣填料顆粒處的電場(chǎng)畸變，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，逐漸劣化導(dǎo)致。

參照DL/T 1070—2007《中壓交聯(lián)電纜抗水樹(shù)性能鑒定試驗(yàn)方法和要求》、GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗(yàn)方法 第5部分 絕緣電阻試驗(yàn)》、TICW 15—2012《單根電纜空氣中敷設(shè)載流量測(cè)試方法》對(duì)5號(hào)電纜樣品進(jìn)行了交流耐壓逐級(jí)擊穿試驗(yàn)、絕緣電阻測(cè)試、載流量測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求。部分電氣試驗(yàn)見(jiàn)圖7。

圖7 部分電氣試驗(yàn)圖片

2.3 綜合分析

2.3.1 敷設(shè)環(huán)境分析

故障電纜均無(wú)接頭，電纜長(zhǎng)度最短為480 m、最長(zhǎng)為1150 m，電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，敷設(shè)路徑均有3處及以上直角轉(zhuǎn)彎。例如，中壓4段至水廠B段2號(hào)進(jìn)線電纜長(zhǎng)度480 m，在廠區(qū)電纜溝內(nèi)存在6處轉(zhuǎn)彎。

經(jīng)調(diào)查，敷設(shè)方式是將電纜盤放在一端，另一端用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引電纜頭，溝內(nèi)設(shè)置滑輪的牽引方式。電纜需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的牽引，并經(jīng)過(guò)多處直角轉(zhuǎn)角后達(dá)到敷設(shè)位置，由于敷設(shè)線路轉(zhuǎn)角較多，線路中也有反向轉(zhuǎn)彎。這樣敷設(shè)線路可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)電纜產(chǎn)生拉硬拽、絞擰、揉搓、彎曲半徑小于允許值等情形。

另外，電纜溝直埋于地下，部分電纜溝底部有積水，雖然10 kV電纜均放于電纜溝內(nèi)最上層橋架上，不會(huì)浸水，但溝內(nèi)環(huán)境較為潮濕。

2.3.2 電纜運(yùn)行情況

故障電纜自投運(yùn)起已運(yùn)行七八年，電廠運(yùn)維信息表明所用線路無(wú)過(guò)電壓或異常記錄，電纜負(fù)載電流未超過(guò)100 A，參照載流量檢測(cè)結(jié)果，電纜導(dǎo)體達(dá)到 90 ℃的負(fù)載電流可以達(dá)到 437 A，可以排除由于電纜超負(fù)載引起的過(guò)熱現(xiàn)象。

2.3.3 電纜結(jié)構(gòu)材料

我國(guó)核電廠大多選用交聯(lián)聚乙烯電纜，而該核電廠所用電纜為乙丙橡膠絕緣電纜。該電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)為鍍錫銅帶屏蔽，銅帶重疊率達(dá)到29%，重疊繞包銅帶屏蔽結(jié)構(gòu)可曲度小，導(dǎo)體為2類導(dǎo)體絞合緊壓結(jié)構(gòu)，非5類軟導(dǎo)體，導(dǎo)體外無(wú)包帶。乙丙絕緣柔軟，抗張強(qiáng)度相對(duì)較小，電纜在敷設(shè)過(guò)程中若受力，金屬屏蔽受彎曲應(yīng)力或?qū)w受彎曲應(yīng)力傳輸?shù)浇^緣上，易損傷絕緣。這種結(jié)構(gòu)的電纜在敷設(shè)過(guò)程中易被過(guò)大機(jī)械牽引力拉傷，或電纜彎曲半徑過(guò)小而損傷絕緣。電纜在敷設(shè)過(guò)程中可能受拉力、彎曲應(yīng)力影響，敷設(shè)后持續(xù)受應(yīng)力作用。

綜上分析認(rèn)為，10 kV乙丙橡膠電纜在遭受應(yīng)力以及潮濕環(huán)境的情況下，絕緣屏蔽受損處或絕緣(尤其是填料聚集處)發(fā)生電場(chǎng)畸變，隨著運(yùn)行年限的增加，促使絕緣逐漸劣化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

3 防范措施

3.1 優(yōu)化敷設(shè)和運(yùn)行條件

核電廠廠區(qū)面積較大，電纜敷設(shè)路徑較長(zhǎng)，因此在廠區(qū)電纜溝規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎，以便于長(zhǎng)距離電纜的敷設(shè)。同時(shí)電纜溝防水采用防、排結(jié)合的設(shè)計(jì)[3]，以改善電纜運(yùn)行環(huán)境。

3.2 提高電纜敷設(shè)工藝

電纜敷設(shè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理敷設(shè)方式，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求敷設(shè)。對(duì)于長(zhǎng)距離敷設(shè)電纜，應(yīng)加強(qiáng)施工過(guò)程監(jiān)控和驗(yàn)收檢查，避免電纜受外力損傷而投入運(yùn)行。

3.3 加強(qiáng)電纜運(yùn)行監(jiān)測(cè)

運(yùn)維部門應(yīng)根據(jù)電纜敷設(shè)方式、運(yùn)行條件、環(huán)境溫度、并列條數(shù)等對(duì)電纜載流量、絕緣水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保合理的預(yù)防性維修方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜隱患，避免故障發(fā)生[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某核電廠發(fā)生的10 kV乙丙橡膠電纜故障，采用低壓脈沖法與直流高壓閃絡(luò)法確定故障點(diǎn)位置，對(duì)故障電纜樣品進(jìn)行解剖檢查、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，結(jié)合電纜敷設(shè)情況和運(yùn)行環(huán)境，推斷遭受應(yīng)力及潮濕環(huán)境導(dǎo)致絕緣屏蔽受損或絕緣的電場(chǎng)畸變，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。提出了優(yōu)化敷設(shè)和運(yùn)行條件、提高敷設(shè)工藝、加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)等預(yù)防此類故障的措施，為10 kV乙丙橡膠絕緣電纜的敷設(shè)和運(yùn)維等工作提供參考。