國網(wǎng)西安供電公司 王 蕾
科學技術水平的進步和發(fā)展在一定程度上帶動了國內電力電纜技術的進步和發(fā)展,電力電纜設備依托自身絕緣性良好、占地面積小以及輸電效率強等優(yōu)勢在我國的輸變電網(wǎng)絡中有著系統(tǒng)性的應用,但是電纜設備的終端一直是其作為脆弱且容易出現(xiàn)故障的部分,一旦電纜的終端出現(xiàn)故障,不僅會降低輸電效率,同時也會降低用戶的使用滿意度,嚴重的還會導致故障擴張,進而誘發(fā)低壓側三相短路、主變壓器等設備故障,嚴重威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。筆者結合自身的工作經(jīng)驗,對兩個35kV交聯(lián)聚乙烯電纜終端故障的原因進行綜合分析,然后結合實際情況給出具體的故障控制措施,期望對促進電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有所幫助。
2018年9月,故障報某35kV輸電線路產生了單相接地故障,現(xiàn)場的調度人員借助傳統(tǒng)的拉路法找尋故障原因,發(fā)現(xiàn)35kV開關柜電纜頭出現(xiàn)故障,導致母線三相短路,220kV主變重啟動作跳閘。經(jīng)現(xiàn)場檢修,發(fā)現(xiàn)變壓器內低壓線圈出現(xiàn)了較大的變形,并對其進行了返廠檢修[1]。
維修人員針對35kV開關柜的電纜展開現(xiàn)場檢查,經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)開關柜內的電纜端子B相的接地擊穿現(xiàn)象,三相線纜的三相導線和銅排的燒損比較嚴重。經(jīng)三相分解后的電纜端子比較,三相端子在半導體層環(huán)切割下的斷面不平整,沒有經(jīng)過拋光,有凸起,斷面主要絕緣色加深,已經(jīng)發(fā)生了退化。B相的主要絕緣體與接線端60mm處有一個大約5mm地擊穿孔,這里的主要絕緣體有很深的刀痕,因此判定為切割時切得太深而損傷了主絕緣。
具有優(yōu)良絕緣特性的電纜,在一般傳輸過程中,導體、主絕緣層、屏蔽層或金屬層間有一定的電容。這種電容器在整個線纜的長度和介質中都是均勻分布的,所以線纜的電場也是均勻的,而且僅有一個徑向的電場,不存在軸向的電場。在均質介質中,線芯會均勻放射出功率線,而等位線則呈現(xiàn)一個結構為外部疏松內部緊密的同心圓結構,其中心區(qū)域的電磁場強度非常強烈,距離中心線位置越遠,其磁場強度逐漸呈現(xiàn)下降趨勢。在銅質屏蔽和半導體屏蔽層剝離后,線纜端部的徑向電場分布不均勻,并且沿光纜長度方向的軸向電場分布不均勻,在同一地點進行三相分解和耐壓測試[2]。
在半導體層和主絕緣截面處,軸向電場分量最大,軸向應力最大;其次,由于聚乙烯絕緣體沿表面的破壞強度遠遠低于豎直破壞強度(沿表面只有5%~10%的垂直破壞強度),存在軸向電場成分,會使電纜端部的電強度大幅下降,因此必須使用應力錐體來改進半導體層和主絕緣截面的電場,從而實現(xiàn)均一的電場[3]。如果電線的主要絕緣層有雜質或者有刮痕,則會產生一個較強的電場,如圖1所示。強電場的劣化會引起場致輻射,長期的場致輻射積累會引起電樹枝。電樹枝是引起主絕緣失效的先決條件,并在此基礎上使主絕緣產生“電子雪崩”,從而使主絕緣破裂。
圖1 主絕緣存在雜質或劃傷處時的強電場
從上述結果可以看出,本次電纜終端的故障是由于B相在剝離半導體層時切得太深,造成了主絕緣層損壞,從而造成了該區(qū)域的電場惡化,盡管最終完成了交接測試,但對以后的工作也造成了一定的影響。當輸電線路單相接地短路時,其他兩相的電壓也會隨之上升。在現(xiàn)場調度和操作人員發(fā)現(xiàn),B相線端部劃痕處的擊穿強度小于軸向電場,從而加速了該處的電枝生長,最終導致主干對地擊穿。
該故障發(fā)生后也帶來了其他次生影響。當電纜設備的端子被對地擊穿后,往往會出現(xiàn)金屬粉末,這些金屬粉末會在開關柜內產生放電通路,由于開關柜的空間非常狹窄,由此導致35kV三相母線出現(xiàn)了短路的情況。如果母線出現(xiàn)故障,即便變電站內部的保護裝置正常作業(yè),但是也會導致220kV #1主變發(fā)生近區(qū)短路,三相線圈內三相匝間短路,三相線圈受短路力的影響,導致三相低壓繞組出現(xiàn)了嚴重的變形,并在這段時間內進行了大修。經(jīng)過后期的抗短路性能檢驗,當系統(tǒng)容量持續(xù)增大時,其低壓側的短路能力已經(jīng)無法滿足使用需求,這是導致本次事故蔓延的次要因素[4]。
2016年4月,某地區(qū)的110kV變電站35kV出線室外電纜端部A相出現(xiàn)了故障,該線路之前并未發(fā)生過短路故障,也未進行負載調節(jié),同時該地區(qū)近期也未曾出現(xiàn)雷暴等極端天氣。
線路檢修人員對室外三相線纜的外觀狀況進行現(xiàn)場檢驗后發(fā)現(xiàn)A相線纜的端部被擊穿、燒損,B、C相外觀不正常。對電纜端子的拆分和耐壓測試,一是半導層的剝離長度不符合規(guī)范,剝落時間太長,導致在安裝過程中,應力錐體沒有有效地覆蓋半導體層的剖面,沒有形成均勻的電場。二是由于這種電纜的半導體層是不能剝除的,必須用特殊的刀具進行切割,施工人員為了便于剝落,沒有注意線路切割注意事項,對主絕緣層產生了一定程度的破壞,尤其是A相主絕緣1cm區(qū)域存在嚴重的刀刻劃痕,已經(jīng)產生了電樹枝。
同時,在主絕緣的中部區(qū)域存在一條長度在3cm的半導電層,在剝離PVC膠帶后也發(fā)現(xiàn)存在嚴重劃痕且主絕緣的顏色變深。以上種種現(xiàn)象均說明主絕緣受損嚴重。導致該問題的原因在于作業(yè)人員未控制好切割尺寸。因此,可以用聚氯乙烯膠帶來提高絕緣。結果表明,三相半導體和銅屏蔽層的環(huán)切斷面不平整,有刮痕、突起,主要絕緣體附近有大量的電枝,而A相線地端部則是由半導體層和主絕緣截面構成的[5]。
綜合以上分析,A相線頭主要絕緣擊穿主要是因為在剝離半導體層時,電力作業(yè)人員未能根據(jù)作業(yè)標準做好打磨工作,在剝離時出現(xiàn)的毛刺和大量的劃痕,由此導致電場呈軸向分布。此外,未能嚴格根據(jù)設計要求做好應力錐的安裝工作,導致其未能有效和半導電層連接,在高場強的情況下,場致發(fā)射得到了強化,并逐漸形成了電樹枝。盡管在半導電層剝落的位置發(fā)生了故障,但A相的主絕緣存在5cm的劃痕,PVC膠帶和半導電層的刮削區(qū)已經(jīng)有了電樹枝,主要的絕緣顏色已經(jīng)變得更深、更差。
上述兩次電纜故障都是由于工程質量不高造成的,為了確保電纜的安全、穩(wěn)定運行,并根據(jù)電力電纜的全壽命周期管理重點,提出了以下管控措施。
首先,根據(jù)施工、維修和區(qū)域環(huán)境的特點,修訂一般技術規(guī)格,并可按不同的工程特點,對有關技術條款進行修訂,以確保其適用范圍。其次,在挑選電纜生產廠商以及電纜配件生產廠商的股從中,需要嚴格做好質量和技術把關工作,不能只重視配件的價格,要從供應商自身的資質、產品質量以及價格等多方面因素進行考慮,挑選出質量最優(yōu),價格低廉以及符合要求的電纜產品及其配件。最后要加強對電纜及其附屬產品的現(xiàn)場驗收,切實做到事前控制。
一是嚴格控制建筑企業(yè)的資質,保證工地工人持證上崗,并嚴格監(jiān)督,防止出現(xiàn)虛假資質的現(xiàn)象。二是在鋪設電纜時,應防止各種原因對電纜護層造成損害,在拐角部位的彎曲率要符合規(guī)定,電纜的敷設裕量要符合隨后的消缺要求。三是在制作電纜終端之前,應設置遮風棚,嚴格控制施工場地的溫度、濕度,超過70%以上嚴禁使用。四是在電纜工程項目施工階段,必須派遣專業(yè)的維修人員針對旁站做好檢查工作,如果在檢查過程中發(fā)現(xiàn)問題需要及時進行整改,杜絕工程隱患。如維修人員因故無法在現(xiàn)場作業(yè),則可以采用遠程視頻的方式進行質量管控。五是要做好電纜工程項目質量評估工作,確保技術水平優(yōu)秀的建筑企業(yè)進入工地,可通過評標方式淘汰一批技術水平低、信譽差的建筑企業(yè),形成良性競爭。
一是在剝離銅屏蔽層尺寸后,采用PVC自粘帶將銅條緊固,以避免銅片脫落。剝切時,為了確保切口的平滑,可以采用恒力彈簧進行剝離。這種工藝可以確保在環(huán)切時不會偏移,在剝離時的力量要均勻,不會損傷半導體層。在剝離銅屏蔽層后,要對切口進行處理,切口要平滑,不可有毛刺。
二是在將半導體層剝落與主絕緣層分離時,為了確保半導體層剝落部位的平滑,可以采用恒力彈簧將其緊固,然后再用恒力彈簧將其銼削,使剝皮與主絕緣層之間的過渡達到均勻的程度,在恒力彈簧的阻擋下,不會對半導體層造成破壞,從而提高了電場的分布。同時,在剝離半導體層時,可以使用特殊的刀具,切入的數(shù)量要適度,以免損壞主絕緣。主要絕緣面有劃痕、凹痕等,用不含120的氧化鋁砂紙拋光。
三是在安裝應力椎的過程中,要對其大小進行標記??捎镁勐纫蚁┎牧线M行標記,安裝時嚴格按照標準進行安裝。
四是在電纜支路安裝前后,需對其中間間隙區(qū)域做好填充和防水處理工藝。
一是從事電纜工程的單位要和技術部門聯(lián)合開展電纜安裝維修技術培訓工作,通過系統(tǒng)化的培訓工作來有效提升維修作業(yè)人員的作業(yè)能力和應急故障現(xiàn)象處置能力。
二是做法路線的巡檢工作,及時統(tǒng)計線路負載。如發(fā)現(xiàn)線路負載存在問題,需及時停電進行檢修,避免事故擴大化。
三是可應用先進定位技術對電纜故障進行定位和判斷,有效降低故障概率。
一是電力公司要加強對變電站變壓器抗短路能力的檢查,針對短路容量不夠的,采取現(xiàn)場加固、加裝限流裝置、返廠檢修等措施,防止因線路故障而導致主變受損。
二是針對變電站內部不符合規(guī)定的接地設備要進行系統(tǒng)化改造可將其改造為具有選線設備的小電流接地裝置,在接地過程中可及時進行選線,從而有效降低因接地故障導致的電纜故障概率。
綜上所述,本文所描述的兩個35kV電纜終端的故障都是因工程質量問題引起的,為了確保變電站的安全、穩(wěn)定運行,除了要在提高工程質量方面尋求突破,還需嚴控電纜及附件品控,提升專業(yè)檢修人員運維水平,處理好電纜終端制作關鍵點,并對站內抗短路能力進行提升,對中性點接地方式進行改進,消除由于電纜故障擴大造成經(jīng)濟損失和隱患。今后,將繼續(xù)探索和改進所提的預控措施,以提高變電站的運行管理水平。