110 kV交聯電纜線芯進水處理

孫進　焦愛軍　時振堂　潘玉

摘 要： 以110 kV交聯電纜進水故障為例，總結了目前電纜在運行管理中出現進水故障的原因、危害和常見處理方法。某石化企業110 kV交聯電纜發生單相接地故障后，故障電纜線芯全段進水，無法正常恢復，通過分析電纜故障時線芯負壓吸入蒸汽而凝結成水的機理，根據抽真空充氮氣的方法制定干燥處理方案，成功地應用抽真空充氮法進行了水分清除，完成電纜修復，為此類電纜進水受潮故障的處理提供參考。

關 鍵 詞：交聯電纜；單相接地；進水

中圖分類號：TM757 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1450-03

Treatment of Water Infiltration Fault of 110 kV XLPE Power Cable Conductor

SUN Jin1，JIAO Ai-jun2，SHI Zhen-tang1，PAN Yu2

（1. Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemcals ， Liaoning Dalian 116049， China；

2. Sinopec Qilu Petrochemical Company， Shandong Zibo 255411， China）

Abstract： Taking water infiltration accident of 110 kV XLPE cable as an example， fault reasons， harm and common treatment methods in the cable operation and management were summarized. After the single-phase grounding fault of 110 kV XLPE cable happened in a company， water infiltrated into the whole fault cable conductor， and normal operation was not restored. By analyzing the mechanism of fault cable inhaling the vapor to condense into water， the drying treatment scheme was formulated based on vacuumizing and filling nitrogen method， the moisture was successfully removed and the fault cable was repaired.

Key words： XLPE power cable； Single-phase grounding； Flooding

電力電纜是電力系統輸變電線路的主要形式之一，由于其具有絕緣性優異、傳輸容量比大、滿足防爆要求等特點，在石化企業得到了廣泛應用，是煉化企業和油田電網輸配電網絡的重要組成部分[1]。

目前應用廣泛的交聯聚乙烯有多種敷設方式，包括直埋敷設、隧道敷設和溝道敷設等，應根據工程條件和環境特點，結合可靠性原則和經濟性原則選擇適合的安裝方式。為保證電纜線路的安全可靠，需嚴格規范電纜本體及附件的產品質量，按照GB50168-92電纜線路施工及驗收規范標準規范的具體要求進行敷設安裝。在電纜運行過程中出現進水受潮故障后，若不采取措施進行去潮干燥處理，主絕緣結構在水分和高壓電磁場的作用下逐步形成水樹枝，破壞主絕緣，長時間發展將導致絕緣擊穿故障，影響電網穩定和供電安全，甚至導致全廠停電，造成重大經濟損失和人員傷害 [2，3]。

1 電纜線芯進水原因與危害

1.1 電纜線芯進水受潮的原因

根據電纜施工、運行的管理與經驗，總結電纜在出廠、敷設和運行過程中進水的原因，主要有以下幾種情況[4，5]：

（1）電纜出廠和運輸過程中，因操作不當等原因出現鉛封松動或破裂，導致其密封性下降，增加電纜進水的風險。

（2）電纜敷設過程中，由于氣象或施工環境等原因，電纜溝內可能存在積水，若電纜頭密封不嚴并浸在水中將導致電纜進水；電纜敷設施工中，需進行切斷電纜和鉛封密封操作，若密封操作不符合規范，電纜在運行過程中也存在進水風險；電纜敷設過程，在進行牽引和穿管操作時，若外護套或鋁護套被損壞，將導致電纜進水。

（3）在電纜正常運行中，由于外力破壞等因素會引發電纜擊穿或破損事故，若此時電纜溝中存在積水，將導致電纜故障點進水。

1.2 電纜線芯進水的危害

高壓電纜的主絕緣結構通常為高聚物材料，當電纜進水或受潮后，主絕緣高聚物在強電場作用下易發生水解，聚合物發生水解反應后強度降低、柔性下降，高聚物吸附、吸收水分后，水分在主絕緣內部進一步擴散，其電性能劣化，聚合物材料的電容和介質損耗角正切均增加，體積電阻和擊穿場強均下降。另一方面，電纜進水后，主絕緣內部會生成“水樹枝”，“水樹枝”是電纜吸附、吸收或擴散的水分在高壓電場作用下生成的領結形狀或發散形狀的氣隙，絕緣層高聚物材料中存在的雜質、氣孔以及絕緣層與內外半導電層結合面的不均勻處所形成的局部高電場是產生“水樹枝”的起點，“水樹枝”發展過程一般在8 a以上，隨著主絕緣結構的溫度、濕度或電壓升高，水中離子含量增加，“水樹枝”愈加嚴重。

“水樹枝”逐漸向主絕緣結構內部伸展的同時，也加速了主絕緣高聚物材料的老化，縮短電纜的使用壽命，甚至導致主絕緣結構在短期內被擊穿[6]。電纜現場試驗與檢測數據顯示，“水樹枝”危害會增加電纜內的局部應力，當電纜在高溫條件下，“水樹枝”發生氧化，導電性增加，直至熱擊穿故障；當電纜在低溫條件下，“水樹枝”經長時間氧化逐漸發展為電樹，進一步破壞電纜[7，8]。

1.3 電纜線芯進水的處理方法

解決電纜進水故障的關鍵在于恢復進水電纜的干燥度，即降低電纜線芯含水量，把電纜內部的水分子轉移出來。目前，較常見的方法包括[9]：

（1）液態水抽出法。

當高壓電纜大量進水時，需采用液態水直接抽出的方法初步處理，利用真空抽水原理降低電纜線芯中的含水量。

（2） 高純氮氣干燥法。

此方法適用于電纜經液態水抽出處理后或電纜線芯微量進水受潮的情況，利用高純氮氣具有干燥的特點，將其充進高壓電纜線芯中進行處理，此方法常與液態抽水法配合使用，有效提高電纜進水后干燥處理的效果。

（3）空氣蒸發-水蒸氣抽出法。

根據克拉貝龍-克勞修斯方程的溫度變化計算公式：

式中：T ——溫度；

P ——壓力；

△Hm ——摩爾汽化焓；

R ——常數。

確定電纜所處環境溫度后，降低線芯內空氣壓力至線芯內的液態水在環境溫度下可蒸發成為水蒸氣，再結合抽水原理將線芯中的水蒸氣抽出，從而降低電纜線芯內的含水量。

（4） 微水儀檢測法。

微水儀采用濕敏元件對進水電纜的抽出氣體進行含水量分析，微水儀檢測法常與上述方法結合使用，直觀、快速的判斷電纜進水的嚴重程度和干燥處理效果。

2 電纜故障及原因分析

2.1 電纜線路故障情況

2007年1月30日中午11時18分，某石化企業一變電站110 kV離子膜I線路差動保護動作， 21213開關跳閘。經檢查，離子膜I線路C相電纜位于氯堿廠東門西側工藝管廊170-171號柱之間，蒸汽管線保溫損壞后燙傷C相電纜，造成單相接地故障。110 kV離子膜I、II線路是離子膜整流變的電源進線，采用ZR-YJLW02-64/110 kV 1×240交聯聚乙烯絕緣電纜，橋架三相平行敷設，線路全長1 628 m，分三段，2004年8月投運。本次故障點位于電纜中間段，距離西側中間接頭約40 m，東側中間接頭約500 m。

事故發生后，管理部門迅速組織技術人員搶修，初步計劃利用備用的120 m電纜接續原電纜恢復。施工過程中發現電纜線芯中嚴重進水，在切除東側電纜近40 m后，電纜線芯仍然不斷向外滴水，搶修工作被迫停止。

2.2 進水原因分析

離子膜I線路電纜為架空電纜橋架敷設，故障前已正常運行29個月，負荷電流約350 A。根據電纜運行情況排除投運前施工不當進水可能性，初步判斷進水原因是電纜運行中內部溫度高，電纜內部空氣逐漸被排除，事故時電流突降、溫度下降，形成線芯負壓區域，突然與外界連通，蒸汽管線破損后泄漏的水蒸氣被大量吸入電纜線芯內，電纜線芯金屬銅具有良好的導熱性，水蒸氣在線芯中迅速凝結成水。線芯中的水分在電場作用下生成水樹枝，逐步導致電纜擊穿。

進一步切開西側中間頭檢查發現，該電纜只有中間段500 m左右的電纜線芯進水，由于電纜在中間接頭處鉗壓緊密，水蒸汽在該接頭處受阻，避免了水蒸氣進一步擴散至該電纜的其他兩段。為滿足企業生產需要，需盡快對進水電纜進行干燥處理。

3 處理方案與過程

首先應清除電纜線芯中的水分，再進行中間接頭施工。為提高故障處理效率和質量，采用抽真空和充氮氣置換相結合的方法去除故障電纜線芯中的水分，具體方案如圖1所示。開斷電纜東側中間接頭，端部用帶氣嘴的熱塑性封頭帽密封，并用膠帶、鋼絲扎緊固定；用干燥氮氣通過東側氣嘴對電纜充氣，氮氣壓力加至0.1～0.15 MPa后封閉該側氣嘴；使用真空泵在西側進行抽真空，0 ℃時水的飽和蒸汽壓大約0.6個大氣壓，所以真空度控制在-40～50 kPa以保證水分充分氣化；上述過程每小時循環一次。抽出的氣體主要成分是氮氣，使用DIL0 3-031-R002六氟化硫露點分析儀對其進行含水量檢測，至2次抽樣氣體的含水量不下降為處理合格。電纜芯線內部干燥處理工作原理圖如圖2所示。

1月31日16時起開始進行抽真空充氮氣循環，初測液氮瓶出口氮氣露點為-41 ℃，對應含水量約100 ppm。由于天氣寒冷，除水工作不能24 h進行。24 h后，測真空泵排出的氣體露點為1 ℃。繼續除水約72 h后，測真空泵排出的氣體露點為-20 ℃，對應含水量約1 000 ppm，并且不再下降。

由于現場充氣、抽真空及采樣環節均未存在漏氣問題，電纜線芯已達到甚至超過施工現場能夠保證的干燥效果，可進行電纜中間接頭作業。

2月6日進行電纜中間接頭制作和試驗，2月13日完成中間接頭制作，2月14日中午離子膜I線電纜進行絕緣試驗，試驗結果合格且送電成功，該電纜運行至今約64個月未發生事故。

通過本次電纜進水處理，修復電纜約400 m，節約資金約320萬元，提前兩個月恢復廠區供電。同時明確了電纜故障進水的故障機理，掌握了電纜線芯進水的清除方法和判據。

4 結論與建議

電力電纜是石化、工礦企業供電線路的主要形式，其故障修復周期長，影響廠礦的安全生產。電纜進水或受潮后，對其機械性能和電氣性能都會產生嚴重影響，甚至影響整個電力系統的安全可靠。通過本次電纜線芯進水處理，可得出以下結論：

（1）電力電纜線芯進水后須進行除水處理，避免電場作用下水樹枝的生成和發展，損壞電纜主絕緣。

（2）抽真空充氮方法可以有效去除電纜內部水分，本次處理提供了詳細方案和數據，可以為類似的工作提供參考。

電纜進水故障的迅速排除，為保障可靠供電提供條件。針對電纜的進水預防給出如下建議[10]：

（1）電纜出廠前應做防水處理，充分密封電纜熱縮頭。

（2）電纜牽引頭應采用鉛封結構，有利于電纜端頭受力均勻，避免熱縮頭受力破損或脫落。

（3）要采用電纜敷設架托起電纜，避免電纜直接在地面上拖行。

參考文獻：

[1] 李霞娟， 龔尊， 王振偉，等. XLPE電力電纜去潮方法模擬試驗研究[J]. 高電壓技術， 1994（4）：55-57.

[2] 孫進， 黎德初， 胡學良，等. 110 kV電纜內部放電故障分析與機理研究[J]. 當代化工， 2016， 45（8）：2014-2016.

[3] 顧青. 高壓交聯聚乙烯電纜進水問題處理方法的探究[J]. 電線電纜， 2011（6）：39-42.

[4] 林禮健. 220 kV北南線電纜A相中間接頭故障原因分析[J]. 高電壓技術， 2004， 30（s1）：44-45.

[5] 郭記平. 交聯聚乙烯電纜除水干燥處理技術[J]. 山西焦煤科技， 2006（4）：32-33.

[6] 鐘建靈， 江毅. 110 kV交聯電纜進水的處理[J]. 廣東電力， 2003， 16（2）：71-72.

[7] 國家標準 GB/T 8979-2008 純氮、高純氮和超純氮[S].

[8] 國家標準GB/T 5832.2-2008 氣體中微量水份的測定第2部分露點法[S].

[9] 邱曉軍， 楊秀友. XLPE-110 kV電力電纜進潮的檢測及真空充氮除潮處理技術[J]. 城鄉建設， 2013.

[10]鄭海，唐信. 一起110kV電纜進水缺陷的分析與處理[J]. 電子世界，2014（24）：84-85.