電力電纜絕緣損壞事故原因分析及治理措施

種佳麗,韓 洋,趙 磊,王 磊

(內蒙古電力(集團)有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司,內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

電力電纜是傳輸和分配電能的重要一次設備,由于其占地小、維護工作量少、受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點,廣泛應用于電力傳輸各環(huán)節(jié)[1-3]。但在使用過程中,由于生產制造工藝、安裝工藝及環(huán)境、機械損傷、超負荷運行、電力系統(tǒng)過電壓等原因,會導致電力電纜絕緣性能下降,甚至發(fā)生絕緣擊穿等事故[4-5],而且電力電纜損壞事故定位困難,花費時間較長,易引起事故擴大,從而造成經濟損失[6-7]。

近年來,通過對溫度、壓力、電流等特征量進行在線監(jiān)測,可實時進行電力電纜狀態(tài)診斷[8-12]。但目前在線監(jiān)測系統(tǒng)仍無法保證事故判斷的準確性,也沒有在實際運行中大規(guī)模使用,因此電力電纜損壞防范仍主要依靠運行維護,損壞情況分析判斷也主要由技術人員進行。而常見的電力電纜事故案例分析大多局限于單個事故本身,未形成電力電纜事故排查的步驟和方法。

本文針對某風力發(fā)電場電力電纜絕緣損壞事故的典型案例,分析原因并提出預防和治理措施,可為同類型電纜的生產制造、運行維護和事故處理提供參考。

1 事故現(xiàn)場檢查

某風力發(fā)電場一期工程裝機容量為49.5 MW,正式并網運行;二期工程與一期工程規(guī)模相同,進入調試階段。該風力發(fā)電場配置額定容量為1500 kW的變速恒頻風力發(fā)電機組,每臺機組配備箱式變壓器;配置220 kV升壓變電站,主變壓器容量為120 MVA,主變壓器220 kV側出線1回,35 kV側出線8回,均采用單母線接線方式,且電力電纜與架空線相結合。

在二期工程調試過程中,1個月內相繼發(fā)生3起電纜頭爆裂事故,均發(fā)生在箱式變壓器高壓側進線位置。

對事故現(xiàn)場進行檢查,首先打開電纜柜,發(fā)現(xiàn)柜內已經熏黑,觀察電纜外觀,可見電纜外皮已經燒黑且有裂痕,具備典型燃燒痕跡,如圖1所示,且空氣中彌漫燒焦味道,其次檢查箱式變壓器,外觀無變色,無燒蝕痕跡,沒有異物附著,最后檢查周圍環(huán)境,無異常現(xiàn)象。

圖1 損壞電纜外觀

2 原因分析

2.1 生產制造工藝

電力電纜生產廠家眾多,產品質量參差不齊,特別是電纜頭易產生制作工藝不符合技術要求的問題,主要表現(xiàn)為主絕緣切口不規(guī)則、表面打磨粗糙、部分有損傷、半導層剝離處理粗糙等。由于損壞電纜為新安裝,沒有投入生產運行,同批次電纜沒有出現(xiàn)類似事故,因此無法直接判斷損壞原因是否為生產制造工藝不良,具體結果待電力電纜解體后分析才可確定。

2.2 安裝工藝及環(huán)境

電力電纜安裝時,連接螺桿安裝、電纜長度預留、應力管安裝等安裝工藝影響最終施工質量,同時電力電纜需要干燥衛(wèi)生的安裝環(huán)境。在現(xiàn)場檢查過程中,未發(fā)現(xiàn)損壞電纜存在安裝工藝不達標的問題,但不能排除安裝過程中存在粉塵等雜質或潮氣侵入絕緣層的情況。

2.3 機械損傷

機械損傷是引起電力電纜損壞的常見原因,主要指交通運輸和施工過程中由外力造成的損傷,包括磕碰、拉傷、過度彎曲等。現(xiàn)場檢查損壞電纜無外力損傷。

2.4 超負荷運行

電力電纜長期超負荷運行時,由于電流熱效應導致導體發(fā)熱,電荷集膚效應、鋼鎧渦流及絕緣介質損耗同樣會產生附加熱量,這些熱量不能及時發(fā)散,會引起電力電纜溫度升高。損壞電纜未并網運行,因此不存在這種情況。

2.5 電力系統(tǒng)過電壓

電力系統(tǒng)存在各種各樣的過電壓,操作過電壓、雷電過電壓等都會對電力電纜絕緣強度造成沖擊,特別是在生產制造工藝不良、安裝環(huán)境不潔、絕緣老化等情況下,極易造成電力電纜擊穿損壞。

損壞電纜位于箱式變壓器高壓側進線位置,而箱式變壓器低壓柜中控制變壓器用真空斷路器曾因電壓等級不匹配而發(fā)生爆裂,因此很可能在真空斷路器爆裂過程中產生電壓沖擊,已經損壞了電力電纜絕緣強度,出現(xiàn)薄弱點。同時,較長的電力電纜產生較大的系統(tǒng)對地電容電流,電容電流過大會增加系統(tǒng)絕緣事故風險。事故發(fā)生時,二期工程無功補償系統(tǒng)在調試過程中,可能出現(xiàn)欠補償?shù)那闆r。基于上述分析,模擬事故發(fā)生時的工況對該35 kV系統(tǒng)開展系統(tǒng)對地電容電流測試。

系統(tǒng)對地電容電流測試采用注入法,在主變壓器35 kV側的電壓互感器二次輔助繞組內注入小電流變頻測量信號,通過采樣回路和數(shù)字信號處理器進行分析計算,得到35 kV側出線線路電容電流,測試結果如表1所示。

表1 系統(tǒng)對地電容電流測試結果

DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定35 kV系統(tǒng)電容電流應小于10 A,事故發(fā)生時,該風力發(fā)電場升壓站35 kV電力系統(tǒng)電容電流均值為21.8 A,遠遠超過了規(guī)定限制,因此在過大的電容電流作用下,系統(tǒng)可能存在諧振過電壓,電力電纜絕緣強度薄弱點易發(fā)生擊穿事故。

2.6 解體分析

設備廠家對事故電力電纜進行解體分析,未發(fā)現(xiàn)明顯安裝工藝缺陷及機械損傷,但是在制作電纜頭時,需要剝去屏蔽層,改變了電纜原有電場分布,產生對絕緣不利的切向電場,因此電纜頭附近成為整個電纜最容易擊穿的部位。

綜合上述分析可知,電力電纜絕緣損壞事故有以下3方面原因。

a.真空斷路器爆裂過程中產生系統(tǒng)電壓沖擊,影響了電力電纜絕緣強度。

b.二期工程無功補償系統(tǒng)調試過程中出現(xiàn)欠補償?shù)那闆r,使35 kV系統(tǒng)電容電流超標,引起諧振過電壓。

c.電纜頭制作工藝存在缺陷,電纜頭附近絕緣強度較弱。

3 預防及治理措施

3.1 生產制作過程

a.電力電纜生產制作環(huán)境必須保持干燥和清潔,防止灰塵、雜物、潮氣等進入絕緣層,制作電纜頭時要保持連續(xù)不間斷作業(yè),盡量縮短制作時間以避免潮氣入侵。

b.制作電力電纜的技術人員必須進行專業(yè)培訓,嚴格執(zhí)行設計圖紙中的剝切尺寸,不可憑經驗進行切割。剝切時使用恒力彈簧將電力電纜進行固定,保證切口平整,切割位置不偏離。

c.電纜頭制作時要采取措施緩和電纜屏蔽端部電場集中的問題,保證可靠密封。

d.應力管與屏蔽層的搭接長度應滿足要求,避免應力錐失去作用。

e.三相芯線預留長度不同,中間相應最短,防止接線耳與套管接觸不良發(fā)熱。

f.電纜頭連接金具與電纜線芯一定要壓接緊實,避免出現(xiàn)空隙導致壓縮力不足造成接觸不良。

3.2 質量檢查

a. 嚴格把控電力電纜及其附件的產品質量,依據(jù)電力電纜運行環(huán)境的不同,有針對性地制定產品技術標準。

b. 選擇技術水平較高的電力電纜生產廠家,避免低價中標。

c. 產品驗收要查驗產品合格證書,必要時委托專業(yè)機構對同批次產品進行質量抽查。

3.3 現(xiàn)場安裝

a.嚴格管控施工單位資質,有針對性地對施工人員進行技術培訓,加強監(jiān)管,避免存在偷工減料現(xiàn)象。

b.電力電纜安裝過程中,需要保持良好的氣候條件,不可在風、霜、雨、雪天氣進行安裝,避免粉塵污染和潮氣入侵。

c.電力電纜敷設過程中嚴格按照技術規(guī)范執(zhí)行,防止損傷電纜外護套,不能多次彎曲、交叉或扭轉。

d.固定電纜頭時,首先保證金屬部分可靠連接,避免虛接等問題,其次盡量順其自然,三相之間不要交叉,最后不能讓電纜下部斜扭,電纜頭不可長時間承受扭轉力。

e.現(xiàn)場安裝完成后,做好施工后評價工作,對于技術水平不過關的施工單位,加入黑名單進行淘汰,篩選技術水平過硬的施工單位,促進良性競爭。

3.4 運行維護

a.電力電纜運行維護單位需建立完善的巡視制度,保證每條電力電纜線路定期巡視,并對巡視情況進行記錄,發(fā)現(xiàn)問題及時匯報解決。

b.電纜頭是絕緣較薄弱部位,長期運行電纜絕緣層附近會慢慢變黑,加強對電纜頭巡視檢查,及時清除灰塵,可在一定程度上避免電纜頭損壞。

c.在運行維護過程中,采用紅外測溫等新技術進行在線監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)電力電纜局部發(fā)熱等缺陷及時處理,可避免缺陷擴大造成更大損失。

d.電力系統(tǒng)發(fā)生設備事故時,要考慮是否會對電力電纜絕緣強度造成沖擊,通過試驗等技術手段進行絕緣強度檢測。

e.定期進行電容電流測試,避免因為補償容量不足造成電容電流超標,破壞電力電纜絕緣性能。

f.關注電力電纜事故檢測新技術,探索在線監(jiān)測技術及事故精確定位,盡可能提前發(fā)現(xiàn)缺陷,降低故障率。

4 結語

本文針對某風力發(fā)電場電力電纜絕緣損壞事故的典型案例,主要從生產制造工藝、安裝工藝及環(huán)境、機械損傷、超負荷運行和電力系統(tǒng)過電壓等進行分析,最終確定電力電纜絕緣損壞原因。根據(jù)分析結果,本文提出生產制造、質量檢查、現(xiàn)場安裝和運行維護4方面的預防和治理措施,可在一定程度上避免電力電纜絕緣損壞事故的發(fā)生。