內置測溫光纖導致的高壓電纜本體故障解析

魏占朋，方 靜，林國洲，李 旭，陳云飛

（1.國網天津市電力公司電纜分公司，天津 300000；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300000）

0 引言

高壓交聯聚乙烯電纜因其良好的絕緣性能和穩定運行狀態得到廣泛應用，但近年來國內外高壓電纜本體故障多有發生。故障電纜主要發生在2007 年后投運的110 kV 和220 kV 電壓等級電纜，涉及國內外多個生產廠家，在300～2 000 mm2截面電纜都有出現，與線路負荷大小無直接關系，故障情況較為復雜［1］，引起業界廣泛重視。

通過統計分析，發現所有故障電纜緩沖層的體積電阻率和表面電阻率均較大，且大于規定值。電纜緩沖層與鋁護套接觸電阻變大引起緩沖層燒蝕導致電纜出現故障［2-3］。生產工藝和儲存環境控制不嚴格，會使緩沖層受潮，將導致緩沖層內膨脹粉析出形成白色粉末，白色粉末會增大接觸電阻，加速燒蝕。通過X 光成像檢測可以發現電纜緩沖層上析出的白色粉末［4-5］。通過軟件仿真可以發現，若緩沖層與鋁護套接觸不良，就會在接觸面附近產生較大的電場，氣隙的大小直接影響電場強度的大小，當電場強度大于空氣場強時就會擊穿空氣引起放電［6］。文獻［7］通過長時間跟蹤檢測發現電纜本體存在局部放電缺陷，對其解體后發現絕緣屏蔽層存在放電痕跡，說明緩沖層內的懸浮電位會形成局部放電，持續放電將導致電纜絕緣屏蔽層燒蝕。

結合連續發生的兩起電纜本體故障案例，通過電纜解體分析、耐壓同步局部放電和帶電局部放電檢測等方式，查找故障原因，并提出相應措施，為類似故障的預防和處理提供參考。

1 故障電纜基本情況

某220 kV 高壓電纜線路于2011 年9 月投入運行，型號為YJLW03－Z－127／220－1×1200，內置測溫光纖，光纖處于絕緣屏蔽層與皺紋鋁護套之間的緩沖層內，由緩沖層纏繞固定，起保護作用。如圖1 所示。

圖1 含內置光纖的電纜結構

該電纜總長6.5 km，包括2 個GIS 終端和11 個中間接頭，接地系統采用交叉互聯的換位方式和排管敷設方式，每隔120 m 有1 個觀察井。2019 年2 月20 日在10—11 號接頭區間B 相本體故障，2 個月后，4 月22 日在9—10 號接頭區間A 相本體故障，如圖2 所示。

圖2 故障電纜的電氣結構

2 故障電纜解體檢查

2.1 故障點解體

第1 次本體故障，故障點絕緣擊穿形成1 個直徑為7 mm 的圓洞，外半導電層已脫皮，鋁護套形成約15 mm×10 mm 的洞，在絕緣屏蔽層上有一道燒焦的痕跡。光纖已經燒斷，緩沖層進水非常嚴重。如圖3 所示。

第2 次本體故障同第1 次故障外觀類似，故障位置是也是光纖斷點位置，同樣可見絕緣屏蔽層有一處燒焦的部位。故障點兩側5 m 左右發現沿光纖部位有白色粉末斑痕，部分位置已經燒蝕到外半導電層，如圖4 所示。

圖3 第1 次本體故障解體檢查

圖4 第2 次本體故障解體檢查

2.2 故障電纜段解體

對故障電纜段解體檢查，發現緩沖層上普遍存在白色粉末，經絕緣測試，發現該白色粉末具有絕緣特性。大部分燒蝕過程未繼續深入發展，個別位置阻水帶燒蝕嚴重，在電纜外屏上有條狀燙傷痕跡。白色粉末的嚴重程度呈現出由故障點至前后兩端逐漸減弱的趨勢，白色粉末主要存在于皺紋鋁護套與緩沖層接觸緊密及光纖經過處，緩沖層燒蝕呈現由緩沖層向內外兩側的發展趨勢，一端向皺紋鋁護套內表面燒蝕，另一端向絕緣屏蔽層燒蝕，如圖5 所示。

圖5 故障電纜燒蝕

2.3 內置光纖結構解體檢查

電纜內置測溫光纖的結構如圖6 所示［8］。

圖6 內置光纖的結構

內置測溫光纖位于皺紋鋁護套與絕緣屏蔽層之間的緩沖層內，為避免出現懸浮電位，光纖的外護套必須設計成半導電材質［9-10］。通過兆歐表對該電纜內置光纖外護套材質進行測試，測試結果如表1 所示。

表1 故障電纜內置光纖外護套絕緣測試

由表1 可知故障電纜內置光纖外護套為絕緣材質，并非為半導電材質。

3 故障電纜試驗分析

3.1 耐壓同步局部放電試驗

對故障線路10—11 號電纜段A 相電纜進行整段更換，將更換下來的電纜段進行耐壓同步局部放電試驗。升壓設備采用Haefely 設備，只有電壓沒有電流，電纜兩端制作水終端，其余電纜盤繞在電纜軸上。本次耐壓同步局部放電測試采用高頻、特高頻、薄膜電極、Pry-Cam 等檢測傳感器進行局部放電檢測。整個測試過程共進行4 次加壓，加壓方法如表2所示。

首次升壓時，逐步加至運行電壓，在升壓過程中持續觀測，未發現異常信號，將電壓逐漸升高至1.4U0，仍未發現異常信號。

表2 耐壓同步局部放電加壓過程

第2 次加壓首先加至1.4U0保持1 h，后逐步升高至2.5U0，在電壓升至1.7U0及2.5U0時，薄膜電極、UHF、Pry-Cam 傳感器發現間歇性脈沖信號如圖7所示，而HFCT 未檢測到該信號。

圖7 間歇性局部放電信號譜圖

第3 次加壓時，將電壓直接升至2.5U0，該信號再次出現，后逐步降壓至1.4U0信號消失，通過時差對比判斷信號來自兩傳感器中點至加壓端區間內電纜，如圖8 所示。

圖8 時差對比判斷信號源

第4 次加壓是為了進一步縮小信號源范圍，調整2 個特高頻傳感器距加壓端5 m 和3 m 處，但再次加壓至2.5U0時上述信號消失，未發現其他異常信號。此后又進行2 次加壓都沒有再出現疑似局部放電信號。

綜上，耐壓同步局部放電過程中出現疑似脈沖信號，但該信號極不穩定。從所測信號特征來看，該信號呈現負極性波形，與常見典型電纜缺陷的局部放電信號特征均不相同。該信號出現一段時間后消失，有可能是放電燒蝕的老練效應使缺陷消失停止放電，也有可能是其他外界引入的偶然干擾。

3.2 X 光成像檢測

對端部電纜利用X 光成像技術進行透視檢測，在X 光成像圖片中，電纜導體、鋁護套、光纖鎧裝成像效果最為明顯，主絕緣及緩沖層成像效果相對有所減弱，但依舊可以看出各層結構。在檢測過程中，發現多處異常部位，如圖9 所示。

圖9 X 光成像檢測

X 光檢測可以在不破壞電纜本體結構的情況下，較好地反映電纜內部狀態，及時發現電纜缺陷，尤其是發生在緩沖層上的較為嚴重缺陷。

3.3 運行狀態下局部放電檢測

故障修復后采用5 種不同信號的檢測設備開展檢測和監測工作，5 種設備對1—7 號和9 號中間接頭的檢測結果相同，均未檢測出局部放電信號，對8、10、11 號中間接頭的檢測結果略有不同，具體情況如表3 所示。

表3 5 種檢測設備的檢測結果

由表3 可知目前常規帶電局部放電檢測設備暫未形成統一的權威的結論，有些設備無法檢測到局部放電信號，有些設備可以檢測到疑似局部放電信號，例如設備1 在10 號接頭發現的局部放電信號具有間歇性特征，10 s 出現5～7 次放電脈沖，單脈沖特征，其中一相與另外兩相反向，現有經驗無法給出局部放電嚴重程度判斷。局部放電譜圖如圖10 所示。

4 故障原因理論分析

GB／T 11017.2—2014 《額定電壓110 kV（Um＝126 kV）交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第2 部分：電纜》要求“緩沖層應是半導電的，以使絕緣半導電屏蔽層與金屬屏蔽層保持電氣上接觸良好。”但是該故障電纜內置測溫光纖的外護套是絕緣材質，相當于在絕緣屏蔽層與皺紋鋁護套之間增加一個絕緣介質［11］，如圖11 所示。

圖10 某類設備的局部放電檢測圖譜

圖11 內置測溫光纖相對位置

白色粉末析出與受潮和壓力有關［1］。受潮是白色粉末析出的關鍵因素，受潮的電纜緩沖層在壓力的作用下加速白色粉末的析出，一般鋁護套波谷的位置更容易聚集白色粉末，內置測溫光纖的存在進一步加速白色粉末的析出。白色粉末聚集在光纖外皮周圍進一步加大外絕緣屏蔽層與鋁護套之間的電阻，導致電位差增大，當電位差大于某個值時將擊穿空氣放電，加速絕緣層燒蝕最終引起電纜故障。

劣化由緩沖層向兩端發展，一方面向電纜絕緣層屏蔽燒蝕，另一方面向皺紋鋁護套燒蝕。起初白色粉末析出過程并沒有發生放電現象，僅是電阻率增大，局部放電檢測無法得到有效信號；直到外半導電層燒蝕直至絕緣層受損才有放電現象，從開始放電到故障擊穿時間比較短，普通離線檢測周期可能無法捕捉到有效信號，但是可以加強局部放電在線檢測和X 光無損探傷技術在電纜檢測中的應用。

5 結語

結合連續發生的兩起電纜本體故障案例，通過電纜解體、耐壓同步局部放電和帶電局部放電檢測等方式進行檢測分析，發現使用外護套為絕緣材質的內置光纖將加速電纜緩沖層燒蝕導致電纜本體故障。

建議嚴格工藝流程和儲存運輸環境，確保緩沖層干燥不發生受潮現象，降低緩沖層的表面電阻率和體積電阻率，將兩者的檢測工作列入抽檢內容；加強對內置測溫光纖材質的檢查，外皮材質必須是半導電材料，而不能是絕緣材質，對已經運行的帶內置光纖的電纜要逐一排查，加強監測，必要時應結合技術改造項目進行整體更換，對同型號同批次電纜加裝局部放電在線監測裝置，及時捕捉劣化。同時開展X 光檢測技術的應用，并配合電纜本體的紅外檢測。