一種高壓電纜緩沖層燒蝕修復技術

曲國安 ,羅汪彬 ,趙新院 ,蔡俊宇 ,王會康 ,高 琳 ,曲行峰

(1.青島漢纜股份有限公司,青島 266102;2.國網廈門供電公司,廈門 361000)

0 引 言

近年來,高壓交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜阻水緩沖層燒蝕故障頻發,引起了行業內的廣泛關注[1]。目前,對高壓電纜燒蝕情況的檢測方法有氣體檢測、紅外熱成像掃描和X 射線探傷[2]等,但對已發生燒蝕電纜的修復還沒有有效的解決方案,只能對電纜故障點采取中間附件連接或重新更換整根電纜來解決。該方案更換周期長、耗費資金大。本工作對一種高壓電纜緩沖層燒蝕修復解決方案進行了探討,即通過加注設備將一種半導電修復液體注入金屬套和絕緣屏蔽層之間的空隙,通過浸漬阻水緩沖層黏附在絕緣屏蔽層外表面及金屬套內表面,重新建立金屬套和絕緣屏蔽之間的軸向電氣通道,可有效降低阻水緩沖層整體的電阻,以及金屬套和絕緣屏蔽層表面白色粉末處的接觸電阻,抑制高壓電纜燒蝕的繼續發展,達到降低電纜燒蝕導致的故障率及延長電纜壽命的效果。

本工作主要包括高壓電纜燒蝕狀況及分析、半導電修復液體的特點及作用、高壓電纜緩沖層燒蝕解決方案、電纜緩沖層燒蝕修復技術的驗證及應用等方面,參考了已公布的相關研究成果,通過試驗及工程應用結果來驗證其有效性和實用性,具有一定的參考價值。

1 高壓電纜燒蝕狀況及分析

1.1 高壓電纜燒蝕狀況

已發生燒蝕的高壓電纜一般存在以下幾種狀況:①皺紋金屬套與阻水緩沖層間空隙一般較大,短段電纜垂直狀態時絕緣線芯很容易脫出;②阻水緩沖層已經發生熱或吸潮膨脹,整體電阻明顯變大,且金屬套內產生了白色粉末,見圖1(a);③阻水緩沖層及絕緣屏蔽層表面有不均勻的點狀或面狀的燒蝕痕跡,見圖1(b);④若采用氣體檢測儀檢測金屬套內部,會有一定體積的芳香烴類氣體[3]及氫氣產生;⑤若采用紅外熱像儀掃描運行的電纜外表面,在燒蝕點會有不同程度的發熱點,見圖1(c)。

圖1 高壓電纜燒蝕狀況

1.2 高壓電纜燒蝕狀況分析

1.2.1 白色粉末的影響分析

文獻[1]和文獻[4]對白色粉末產生機理及其成分進行了分析,其主要是阻水粉和鋁護套在水的作用下生成的混合產物,反應產物為 NaHCO3、Na2CO3和 Al2O3的混合物[5]。由于白色粉末主要出現在絕緣屏蔽層表面,以及金屬套與阻水緩沖層接觸的部位,且這些白色粉末具有絕緣特性,所以很容易導致其接觸電阻的明顯升高。

1.2.2 阻水緩沖帶膨脹影響分析

在金屬套與阻水緩沖層間空隙較大的情況下,阻水緩沖帶在熱效應或受潮過程中會產生較大的膨脹。阻水緩沖帶因其自身結構(見圖2),膨脹過程中的軸向電氣連接性能下降,由原先的面接觸變成了線接觸,導致阻水緩沖層電阻明顯變大[6]且分布不均勻。

圖2 阻水緩沖帶結構

本工作對熱效應會使阻水緩沖帶電阻增大進行了驗證。將未使用的厚度為2.0 mm 的阻水緩沖帶置于80 ℃熱老化烘箱中,5 d 后取出,自然冷卻至室溫,再采用體積電阻測試裝置進行體積電阻測量,體積電阻測量結果見表1。

由表1 可知,阻水緩沖帶在受熱后,體積電阻平均值增加明顯,但由于測試方法中受到了銅柱的壓力作用,阻水緩沖帶體積電阻的實際增加值可能會更大。

為證明受潮會增大阻水緩沖帶電阻,文獻[1]試驗發現,在試樣干燥且吸水率為 1.5% 時,電阻率在104～105Ω·cm 之間;當吸水率增大到7%及15%時,電阻率增大2～3 個數量級,達到1×107～1×108Ω·cm,并基本穩定[1]。由此可知,吸水率大小對阻水緩沖帶電阻的影響較大,吸水率越大,電阻率越大,當電阻率增大到一定值后才能逐漸穩定。

1.2.3 高壓電纜燒蝕狀況分析結論

高壓電纜皺紋金屬套和阻水緩沖層間空隙較大時,長期高溫運行或受潮進水,阻水緩沖帶內部就會發生膨脹分離,其軸向電氣連接性能會由原來的面接觸變成線接觸,阻水緩沖帶電阻明顯變大,尤其是在產生白色粉末的位置,其接觸電阻變大更為明顯[7]。因此,當電容、泄露等外加電流在電纜分布不均勻的軸向電氣通道中集中時,在接觸電阻較大的位置會產生足以燒毀阻水緩沖帶及絕緣屏蔽層的熱量。根據文獻[8],受熱理論計算可得,接觸電阻較大位置上能產生423 ℃的高溫,完全有可能引起電纜內部材料熱燒蝕。

2 半導電修復液體的特點及作用

2.1 半導電修復液體的特點

為了解決高壓電纜燒蝕故障問題,參考1.2.3節,研制了一種半導電修復液體。該半導電修復液體具有一定的黏度,無毒、不易揮發、不易吸潮、不易燃燒,與電纜不會發生化學或物理反應,且能夠適應電纜工作溫度,其主要特點如下。

1)分散性。半導電材料在液體基料中均勻分散,不發生團聚現象。

2)懸浮性。半導電材料在液體基料中保持懸浮,不發生明顯分層現象。圖3 為48 h 懸浮驗證結果,未發生明顯的分層和沉淀現象。

圖3 半導電材料懸浮性驗證

3)滲透性。半導電材料易滲透阻水緩沖帶,不發生明顯過濾現象。將50 mL 的液體倒在3 層疊加的厚度為2.0 mm 的阻水緩沖帶上,發現液體能夠在10 s 內迅速滲透,且在底部白紙上仍能滲透一定量的半導電材料,無明顯過濾現象。圖4 為半導電修復液體滲透性驗證結果。

圖4 半導電材料滲透性驗證

4)穩定性。該液體不與金屬套或其他線芯材料發生物理或化學反應。圖5(a)為液體浸漬長達1 a 的金屬鋁套的常溫腐蝕驗證情況,未發生金屬鋁套腐蝕現象;圖5(b)為將液體浸泡長達1 a 的絕緣線芯放置在硅油中煮至透明,也未發現半導電材料在絕緣線芯內部的滲透現象。

圖5 半導電材料穩定性驗證

2.2 半導電修復液體的作用

半導電修復液體在燒蝕修復過程中的主要作用如下。

1)通過半導電修復液體對阻水緩沖帶的浸漬,可使緩沖帶內部貼合性更好,整體電阻得到降低,且整體電阻受熱效應或受潮膨脹的影響變小,電阻分布更均勻。

2)浸漬的阻水緩沖帶可重新修復已破壞的軸向電氣連接通道,將電氣連接通道由線狀重新變成面狀,降低外加電流的匯聚發熱。

3)半導電修復液體可在金屬套內表面及絕緣屏蔽層外表面形成半導電層,可阻止外部潮氣的侵入,抑制白色粉末絕緣介質產生,有效降低其接觸電阻。

4)半導電修復液體可填充阻水緩沖層內部空隙中氣體位置,且其導熱系數約為空氣的4 倍,可有效提高散熱效率,有利于提高載流量。

3 高壓電纜緩沖層燒蝕解決方案

3.1 加注設備的選擇

研制的半導電修復液體具有一定的黏度,考慮到高壓電纜長度一般為500 m,加注設備需要具備足夠的壓力,且要便于運輸和移動。因此,本工作采用了液動高壓干油泵設備,該設備的最高液壓為50 MPa。

3.2 燒蝕修復方法

燒蝕修復方法主要包括電纜加注口處理、半導電修復液體加注、電纜加注口結構恢復等步驟,但此方法不適用于平滑鋁套、環紋或內有阻水條的皺紋鋁套電纜,且在整個加注長度內不能有任何接頭,金屬套內部也必須是連通的。

3.2.1 電纜加注口處理

電纜加注口位置可以在電纜的兩端,也可以在電纜的中間。開口主要是為了便于后續加注作業及密封夾具的固定,開口位置及大小可根據實際情況而定。

3.2.2 半導電修復液體加注

3.2.2.1 密封夾具及安裝

對于已處理完畢的電纜加注口,在液體加注方向上采用密封夾具進行密封,一端與加注機連接,另一端與空桶連接。

3.2.2.2 半導電修復液體加注

電纜兩端應保持內部氣體暢通,將已攪拌均勻的半導電修復液體通過加注設備加注進電纜金屬套下的間隙,直至一端液體持續流出。然后,對填充液體電纜靜置24 h,再用經干燥處理的壓縮空氣將內部多余液體吹出,兩端反復進行,以防電纜運行過程中液體膨脹向兩端流動。液體加注方法示意圖見圖6。

圖6 液體加注方法示意圖

3.2.3 電纜加注口結構恢復

半導電修復液體加注完畢后,應對加注口進行電纜結構恢復,恢復金屬套電氣連接性能,并阻止內部液體向兩端移動。因此,必須采用阻水密封處理,處理結構示意圖見圖7。

圖7 結構恢復示意圖

4 電纜緩沖層燒蝕修復技術的驗證及應用

4.1 修復液體對金屬套和線芯間電阻的影響驗證

取5 m 高壓皺紋鋁套電纜,將半導電修復液體填滿金屬套下空隙,采用萬用表測量一端金屬套和絕緣屏蔽層之間的電阻,測量情況見圖8。

圖8 修復液體對金屬套和線芯間電阻的影響

加注前,電纜金屬套和絕緣屏蔽層之間的電阻為128.5 Ω。由圖8 可知,加注修復液體后,其電阻明顯降低,大約10 d 后趨于穩定,電阻降到84.5 Ω,下降約30%,后連續觀察12 個月,電阻未見明顯變化。可見,半導電修復液體具有降低其電阻的作用,且穩定性較好。

4.2 修復液體對金屬套和線芯間電阻的影響對比

取30 m 高壓皺紋鋁套電纜,15 m 采用半導電修復液體加注浸漬,另15 m 作為對比原裝電纜。按照GB/T 11017.1—2014 中第12.4.6 規定的方法進行7 個熱循環,對比兩根電纜金屬套和絕緣屏蔽層之間的電阻。電纜端頭金屬套和線芯間電阻的變化情況見圖9。

圖9 電纜端頭金屬套和絕緣屏蔽層之間的電阻對比

對于原裝電纜,每次熱循環前,在室溫下測得一端金屬套和絕緣屏蔽層之間的電阻從84 Ω 增加到344 Ω,增加約3 倍;每次熱循環(導體溫度為85 ℃)后,立即測得端頭電阻從260 Ω 增加到981 Ω,增加約2.8 倍,具體變化見圖9(a)。對于加注半導電修復液體的電纜,每次熱循環前,在室溫下測得一端金屬套和絕緣屏蔽層之間的電阻從196 Ω降低到166 Ω;每次熱循環(導體溫度為85 ℃)后,立即測得端頭電阻從368 Ω 增加到408 Ω,增加約10%,電纜端頭金屬套和絕緣屏蔽層之間電阻的變化見圖9(b)。

由圖9 可以看出,熱效應對電纜阻水緩沖層電阻的影響較大,而添加的半導電修復液體能夠有效地緩解此情況。雖然此測試方法會因測試電纜接觸不均勻導致測得的體積電阻偏差較大,但仍能反映一定的修復效果。

4.3 修復液體對電纜載流量的影響驗證

文獻[9]所述半導電阻水緩沖帶的綜合熱阻系數約為10.5 m·K·W-1。文獻[10]介紹按照 IEC 60287 標準規定,將金屬套下阻水緩沖層結構等效為一層計算,熱阻系數推薦取為 6.0 m·K·W-1。在 CIGRE B 1.56 工作組研究報告中,仍推薦將該部分等效為一層計算,但建議熱阻系數取為12.0 m·K·W-1。通過在電纜上進行載流量溫升試驗[9],對波紋鋁護套下的緩沖層結構進行了導熱性能的實際測量。結果顯示,阻水緩沖帶熱阻系數為 11.0 m·K·W-1,并認為金屬套與阻水緩沖帶之間的氣隙影響不能忽略,其采用導熱方式傳熱,熱阻系數應為 34.0 m·K·W-1。因此,若將緩沖層結構合并為一層計算,其等效熱阻系數修正為 20.0 m·K·W-1。對于正常運行的電纜,還要考慮阻水緩沖層受熱、受潮膨脹時,內部會產生更多的空隙,熱阻會更大,但半導電修復液體熱阻系數約為6.5 m·K·W-1。理論上,半導電修復液體的添加會大幅度降低其熱阻系數,具有很好的散熱作用。

本工作為了驗證其作用,在4.2 節的熱循環過程中,持續測量金屬套表面溫度,兩段電纜金屬套表面溫度的最高溫差為4 ℃。可以說明,加注修復液的電纜散熱更好,有利于載流量的提升。

4.4 修復液體對阻水緩沖帶吸水能力的影響驗證

半導電修復液體與水不易相容,有一定的隔離作用,因此,須對燒蝕修復電纜阻水帶進行阻水性能驗證。取兩塊相同大小的厚度為2.0 mm 的阻水緩沖帶,分別置于容器中,半導電修復液對其中一塊浸漬5 min,然后分別在兩個容器中添加等量的水,觀察阻水粉膨脹情況,見圖10。

圖10 浸漬修復液前后阻水緩沖帶吸水情況對比

由圖10 可知,原樣吸水膨脹很明顯,擴散均勻且迅速,而半導電修復液體浸漬的阻水帶吸水膨脹稍差,擴散不均勻且吸水膨脹速率較慢。半導電修復液體對阻水粉吸水膨脹具有一定的阻礙作用,會對電纜縱向阻水有一定的影響。

4.5 電纜緩沖層燒蝕修復技術的應用驗證

本工作對燒蝕修復電纜YJLW03-Z 64/110 kV 1×500 mm2采用紅外熱成像技術進行跟蹤,結果表明,修復完畢的電纜,燒蝕發熱點全部消失見圖11。

圖11 燒蝕修復前后電纜發熱情況對比

由圖11 可知,該燒蝕修復技術可以消除燒蝕發熱點且目前電纜運行良好,達到了一定的修復效果。

5 結束語

在高壓電纜金屬套與阻水緩沖層間空隙較大的情況下,阻水緩沖層長期受熱循環、受潮、進水及白色粉末影響,其電阻會明顯增大,且存在分布不均勻的情況;高壓電纜的燒蝕可能由阻水緩沖層電阻分布不均及與金屬套下接觸電阻變大,電容、泄露等外加電流在局部集中發熱導致;半導電修復液體具有一定黏度,無毒、不易揮發、不易吸潮、不易燃燒,不會與電纜發生化學反應或物理反應,能夠適應電纜工作溫度,且該液體中的半導電材料分散性好、懸浮性好、滲透性好、穩定性好,適用于高壓電纜緩沖層燒蝕修復;本研究的燒蝕修復方法主要包括電纜加注口處理、半導電修復液體加注、電纜加注口結構恢復3 個步驟,但此方法不適用于平滑鋁套、環紋或內有阻水條的皺紋鋁套電纜,且在整個加注長度內不能有任何接頭,金屬套內部必須是連通的;半導電修復液體的加入可重新建立金屬套下軸向電氣連接通道,降低和均化金屬套和絕緣屏蔽層間的電阻,達到抑制高壓電纜燒蝕的發展,降低電纜燒蝕導致的故障率及延長電纜壽命的作用,具備一定的修復效果;加注半導電修復液體的電纜散熱更好,有利于載流量的提升;燒蝕修復電纜中的阻水緩沖層吸水能力有一定的降低,電纜縱向阻水存在一定的風險。

2022 年12 月,本工作的燒蝕修復技術已在某供電公司正常運行的110 kV 電纜線路上進行了應用,修復完畢后采用紅外熱成像儀檢測,燒蝕發熱點全部消失。目前,電纜運行良好,達到了一定的修復效果。但是,燒蝕修復技術在大長度工程中應用不多,其修復有效性還需要評估,加注方法也需要不斷完善,也希望各研究機構對半導電修復液體及其在電纜中的有限元分析和等效電路建模分析等方面進行更多的理論研究,并出臺相關標準或應用效果評估方法。