風電場高壓電纜故障原因分析及應對措施

呂紅志 王洪陽 詹 偉 何俊杰 鄒貽超 / 德昌風電開發有限公司

風電場高壓電纜故障原因分析及應對措施

呂紅志 王洪陽 詹 偉 何俊杰 鄒貽超 / 德昌風電開發有限公司

四川風電場陸續投產，風機箱變高壓側出線電纜由于施工質量造成的電纜頭爆炸短路、村民耕地、修路挖斷造成緊急停運等事故，給電網的穩定運行帶來較大隱患。文中主要針對德昌風力發電場一至五期工程建設中未能有效的對施工單位在高壓電纜選型、運輸、臨時存儲、電纜頭制作等環節實施監管而為后期運行維護帶來嚴重困難的問題進行探討。最后，提出了施工期間更為科學有效的管理措施與監管辦法。

導電線芯；絕緣介質；電纜屏蔽；電纜護層；電纜安裝與施工

一、高壓電力電纜結構

要全面地分析電纜發生故障的原因并準確地找到故障點，我們需要了解電纜的結構型式，掌握電纜各組成部分材料的選擇，并認識各組成部分在電纜中的用途。

(一)電纜基本結構

所有的高壓電纜的結構基本一樣，均是由電纜保護層、屏蔽層、絕緣介質層及電纜芯四個部分構成。

1.導電線芯。

作為傳遞電流的工具，電力電纜導線會存在一定的損耗，損耗的大小由導體的導電系數及截面積來決定。目前主要應用的材料為銅、鋁，銅易焊接、導電性能強、機械強度也較高，是當前采用最為廣泛的電纜芯材料，鋁的導電系數比銅要低一些，但鋁資源豐富、價格低、質量小、加工方便等優點。多用于長距離傳輸，如架空線路等。

2.絕緣介質層。

電纜絕緣介質層最主要的作用是保證導電線芯對電纜各層間的絕緣，同時還起到保護電纜線芯免受機械、電場等外部環境的傷害。

3.電纜屏蔽層。

電壓電力電纜的線芯一般由多根導線絞合而成，這在線芯表面與絕緣層間就容易形成較多的間隙。由于間隙的存在，對電纜的性能影響極大，可降低電纜的游離特性和擊穿強度等。因此，在電纜絕緣層的內側和外側均設備了屏蔽層，把間隙屏蔽在電場之外。通過采用一些半導體的導電材料使得電纜中的電場更加均勻。在電纜進行現場交流耐壓試驗及投入系統運行前，電纜兩側的屏蔽層必須可靠接地，防止電纜對地懸浮電位的產生，導致試驗電壓對電纜的擊穿。

4.電纜護層。

由于電纜是鋪設在一些復雜的環境中，因此需要對內部結構進行保護，用一層保護層來實現。從而在電纜的施工和安裝及長期運行中保護內部結構不受到外界的破壞。按保護材料可分為兩大類，第一類是金屬材料如銅、鋁、鋼等，第二類是非金屬材料，如纖維制品，塑料和涂料等，主要是防水和防腐蝕。

二、高壓電纜故障原因分析

電力電纜從生產，運輸、施工到投入運行，每個過程都環環相扣，聯系緊密。任何封環節的疏漏，都將會埋下電纜最終運行故障的隱患。分析歸納電纜故障的原因和特點，主要有：1、外界環境中的一些破壞，如一些違規施工而造成電纜的破壞；2、電纜敷設的時候沒有按照規則來進行合理的敷設；3、電纜出廠存在質量問題。

據統計分析，電纜投運前5年內發生故障原因，多數因電纜施工或電纜質量導致。5至25年為電纜運行穩定期，運行25年后由于電纜附件的老化導致的故障占到80%。根據相關部門統計，在所有的電纜故障中，外力破壞造成的故障點據了58%。施工導致的故障占12%，附件質量帶來的故障占27%，本體的質量問題占3%。表現如下：

1、外力破壞

德昌安臨河峽谷風電場布機均沿河道兩側展開，箱變高壓電纜出線很大部分沿農田地下敷設或穿越基耕道后上架空線。建設過程中，施工單位存在不足的方面主要有：不按設計要求安裝、敷設電纜；開挖電纜溝深度、寬度不夠；直接將電纜敷設在溝道內，電纜全程不作任何安全防護措施；表層未設立明顯的警示標志等。這些施工行為都導致在外力作用下極易造成電纜事故。村民的不當行為主要有：

(1)由于村民安全意識不足，對電纜敷設詳細位置不清楚，每年春耕秋收時農機反復碾壓造成電纜事故；

(2)由于村民修橋擴路不作任何堪測，隨意開挖造成電纜破壞、短路事故；

就電纜的破壞原因可以總結如下：第一，工程管理部站的監管不力，沒有責任感；第二，監理施工驗收走過場，對工程質量及業主單位不負責；第三，施工信息沒有及時與當地政府共享，未及時組織當地村民開展安全培訓、危險點告知。

2、電纜安裝、施工質量及運行環境影響

根據相關的統計分析大約有12%的10kV以上的電纜由于施工和安裝的不當而造成的電纜事故。由于電纜在敷設的時候沒有按照規定以及合理的考察施工的條件而隨意的進行敷設，造成了電纜的壽命縮短為原來的25%，原因如下：

（1）電纜的接頭設置不當。要合理的設備電纜的中間接頭，比如，在很近距離就設備兩個以上班的接頭就以屬于違規設備；

（2）導體的連接管接觸不良。制作電纜的過程中，導線壓接的質量沒有保證，會導致接頭處的電阻過大，加大發熱量會導致絕緣熱脹冷縮，使得絕緣層的老化擊穿加快，出現接地短路事故；其次，由于兩段電纜之間的連接沒有進行很好的處理，存在一些尖角和毛刺等；

（3）電力電纜的終端接頭部位制作質量不合格。將半導體剝開時，內絕緣的表面容易被損壞，而且會在上面留下雜質，有時候由于施工的時候沒有很好的處理半導層的爬電距離，在今后的運行過程中，很容易發生介質游離等；

（4）電纜的終端接地電阻沒有控制好。電纜的金屬屏蔽層需要有效接地，施工過程中往往麻痹大意造成接地不良使接地電阻過大，一旦金屬屏蔽層上感應到一個高電壓，使得絕緣的老化加速；

（5）中間接頭沒有良好的密封。作電纜接頭時沒有嚴格按照工藝要求執行，造成接口的密封不嚴，會導致水分等入侵，產生水樹，使得絕緣劣化；

（6）制作環境濕度大。電纜的安裝環境如果濕度較大，容易造成局部受潮，使得絕緣性能下降；

（7）電纜外護層破損。由于施工單位電纜敷設隊伍中絕大部份人員為當地農民工，對施工工序與要求根本不清楚，經常野蠻施工造成電纜外護層變形、裂口后僅采用自粘帶包扎處理后繼續使用，對于造成裂口的電纜金屬外殼會長期形成環流，環流會造成金屬護套發熱，使得電纜傳輸功率降低，外殼的損壞使得外界水分和腐蝕氣體進入絕緣層，加速絕緣老化；

（8）由于峽谷風電場風速變化較大，使得風機出力不穩定，造成電纜的發熱量也不斷的變化，使電纜不停的熱脹冷縮，但電纜的附件不能夠發生熱脹冷縮，這樣就導致密封失效，出現一種類似呼吸的效應，使得空氣中的水分、雜質滲入到電纜中，造成絕緣故障；

施工上導致的事故是完全可避免的，如果施工過程中嚴格按照施工規范進行電纜敷設，并注意敷設環境條件就可以有效的避免施工帶來的電纜事故。

3、電纜本身質量問題

由電纜本體質量問題導致電纜故障占比較少，但也不能忽略，由于電纜的質量問題導致電纜進水、受潮造成絕緣下降，以至發生擊穿事故也時有發生。由于目前國內生產電纜的廠家很多，質量參差不齊，因此施單位在選擇廠家時要對電纜的質量進行嚴格把控。

4、長期運行造成的絕緣問題

一般電纜經過長期運行后，易出現絕緣故障，由于電纜的外殼是由一些金屬和橡膠構成，長期的運行中會導致絕緣的老化和電老化現象。由于介質長期受到高壓的作，從而不斷的產生游離使得絕緣性能下降。絕緣介質電離時，產生一些化學氣體，這些化學氣體具有腐蝕性；絕緣層中存在的水分也導致橡膠發生水解，使絕緣性能下降。

三、應對措施

1、加強源頭管理。業主單位、總承包單位必須加強對電纜設計施工方案的評審，確保施工方案與現場實際情況相符。

2、加強產品質量管控。業主單位、總承包單位必須加強對施工單位采購的電纜組織專項驗收，確保電纜產品滿足現場施工要求。

3、加強施工過程監管。監理、總承包應制定切實可行的管理制度，監理單位安排專人執行旁站管理制度，總承包單位設立專人開展不定期抽查制度，確保對各個環節進行有效管控。

4、強化考核管理制度。監理、總承包嚴格執行對電纜施工中的違章行為進行懲罰。

5、強化施工單位責任落實。

（1）對施工單位電纜施工管理上實行從領導到基層人員層層落實崗位負責制度。

（2）施工班組負責編制危險點辨識和控制方案，在電纜施工的危險點位置指定專人監護，定時定點進行檢查。

（3）提高電纜敷設安裝質量。鋪設電纜的時候要做好施工組織的設計，對施工人員進行必要的培訓，要做好技術交底，盡量用用先進的鋪設方法。

（4）電纜頭制作。必須要求具有相關資格的人員來進行電纜接頭的制作，對該類人才要進行培訓上崗。

（5）電纜的接口要盡可能的少，一般情況下要盡量將接頭位置在一些隧道和槽架中，從而有效的保護接頭。

（6）施工中要小心處理半導體、屏蔽層和保護套的剝削工作，要對絕緣的表面細致的打磨，消除所有的毛刺，以及將絕緣層中的灰塵和微粒清除干凈。

（7）電纜施工完成后應及時復耕，標明電纜位置與走向，同時，及時將現場信息與當地政府共享。

除了上述要求之外，還需對技術人員的操作進行嚴格的規定和控制，要求他們按照規定進行操作，從而使得電纜的中間接頭質量得到保證。由于電纜的接頭在制作過程中都是在現場完成，因此需要選擇合適的時間和地點來進行電纜頭的操作，要求在一個合適的濕度、濕度甚至要求周圍的灰塵以及工人的汗液等不良影響因素，盡可能的消除外界環境造成的影響。