110kV电缆终端故障成因及解决方案
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摘要:本文结合某电厂110kV高压电缆出现的终端故障,详细地分析了其故障成因,并提出了解决的办法。
关键词:电厂 110kV电缆 故障 对策
电缆终端在制作和运行中都应具有能满足电缆线路在各种状态下长期安全运行的良好的连接特性和电气绝缘结构,有良好的密封性并能承受一定的机械应力,能经受电气系统各种原因引起的过电压等。由于电缆终端的电场集中,结构复杂;终端与电缆的连接制作要求高且必须在现场进行等,因此各种原因造成的故障总是频繁发生。每次故障的发生,一般都会造成大面积的停电事故,其直接或间接的经济损失很大。宝钢分公司是国内供配电系统较早主要采用电力电缆的企业,有大量的各类电缆终端在运行,历史上曾多次发生电缆终端故障,以电缆终端放炮毁损为主,处理上只能更新(或改型)电缆终端,费用比较昂贵。
一、故障概况
某电厂0号机110kV高压电缆采用ABB公司的110kV1×1000mm2交联聚乙烯电缆,配用进口电缆终端,在进行例行巡检时发现变压器侧A相终端严重漏油,立即安排停机进行解体检查。检查发现终端下部的隔离橡胶密封环处开裂,开裂处的电缆表面有3处爬电的痕迹,由此可以判断隔离橡胶密封环开裂是由于此处有电缆表面放电高温引起。电缆终端内部的PVC包扎带已部分松散,包扎部位近隔离密封环密封面上部的电缆半导电外屏蔽层有约10mm宽的环状隆起,环状隆起上下间的半导电层导电电阻高达50MΩ(正常值约为1kΩ/1mm,10mm应为1MΩ),半导体外屏蔽层被分成终端外和终端内2段。3处爬电均沿Z轴方向击穿10mm宽的环状隆起带,在上述2段半导体外屏蔽层间形成爬电通路。爬电通路处被蚀出深达3mm的凹陷,深入屏蔽层下的主绝缘。电缆终端内的应力锥上环氧涂层已经龟裂和脱落,提示在应力锥体附近出现高温。
二、原因分析
0号机采用的进口110kV终端结构是一种增绕绝缘式结构,通过增绕绝缘使电缆终端处的等效半径增大,从而减小了金属扩套边缘最大的场强。其应力锥采用大曲率半径的喇叭口金属管,以改善电场在电缆金属扩套边缘的集中程度,并在电缆上增绕绝缘带,同时在瓷套内充入绝缘油,提高其轴向电场强度,从而改善了电场的分布(见图一)。在电缆终端制作时,确定了主绝缘锥体尺寸和保护管起始尺寸后,刮削出主绝缘锥体和刮去半导体外屏蔽层,在规定的保护管起始尺寸套入2段保护套,然后在保护套的外面用PVC包扎带按照规定尺寸包扎出增绕的绝缘层,从预制好的电缆终端尾管处穿过隔离橡胶密封环,在上部将军帽处用螺栓固定定位。在安装工艺文件中对主导体剖出尺寸,主绝缘锥体尺寸、保护管套入的起始尺寸、PVC包扎的起始和收尾尺寸以及包扎厚度尺寸均有严格规定。
在拆开故障电缆终端后发现环状隆起带位置发生在保护管的结束部位与隔离橡胶密封环的上沿之间,保护管、包扎和隔离橡胶密封环之间的位置关系可见图一放大部分,由此可知,保护管结束位置和隔离橡胶密封环没有重叠,使得一段电缆半导体屏蔽层只有PVC包扎带保护,运行若干年后,随着绝缘油的渗入,使得电缆屏蔽层发生相溶,破坏了半导体屏蔽层的导电性能,电缆终端中的电场分布发生了突变。
保护管是一种有一定伸缩能力的高分子材料,在套入保护管时需用力拉下保护管,在此套入作业时,在Z轴方向由于保护套伸缩的尺寸随不同制作者的用力程度有不同的伸缩,有些可以被拉到超过隔离橡胶密封环的位置,有些会出现如本故障一样的不重叠。虽然保护套外还包扎有一定厚度的PVC包扎带,但是实践证明在运行一定时间后,电缆终端内的绝缘油还是会逐渐透过PVC包扎层,渗入到电缆表面,绝缘油与电缆半导体外屏蔽层相溶后破坏了屏蔽层的半导体特性,形成了环状绝缘带。
为了验证绝缘油与电缆终端对电缆半导体外屏蔽层与电缆终端绝缘油进行了24h的90℃加温溶胀试验,全部试样出现膨起变形,绝缘电阻由1kΩ/1mm(换算到与电缆表面一样宽度时)变为无穷大,其导电性被破坏,与在电缆表面观察到的现象一致。
当电缆外屏蔽被分割成电缆终端内外2段,环状隆起分隔带之间承受很高的电压。由于内部半导体屏蔽层长度有限,与主导体之间的电容量较小(实测值为13pf),当击穿发生时,击穿能量较小。这种击穿表现为烧蚀现象的产生,在主导体上刻蚀出深达3mm的痕迹,同时也将隔离密封环烧穿引起漏油,照此发展下去的结果是终端放炮,进而引起非常严重的事故。
三、采取的措施
通过故障分析可确定,本次故障的原因是电缆终端的制作时没有注意到保护管的伸缩性会导致保护管的结束部位的不明确,加上所配的保护管长度余量不足,不能确保每个终端制作好后保护管的结束部分穿出隔离橡胶密封环,因此部分电缆终端在运行一段时间后出现绝缘油进入PVC包扎内与ABB半导体外屏蔽相溶,破坏了外屏蔽的导电特性。
为此,在修复电缆终端时,增加了一段保护管,确保保护管的结束尺寸在橡胶密封环外,处理完故障电缆终端后对其他5个终端也进行了解体检查,又发现了变压器终端B相和SF6开关终端C相套管存在同样的问题,部分终端已出现应力锥环氧涂层下的主绝缘表面黄斑。相对应的应力锥环氧层均有不同程度的龟裂,并伴有烧焦的气味。剥PVC带和保护套对电缆进行检查发现,在隔离密封环处的半导电屏蔽层,已出现1圈深约3mm的环状隆起,环状隆起带下的主绝缘表面也出现变黄。而保护套结束部分的隔离密封环以外的电缆均完好,这进一步验证了先前的故障原因分析是准确的,采取的修补方法具有针对性。
四、结语
(1)只要是含油电缆终端就会存在电缆油与电缆半导体外屏蔽层相溶的可能,而一旦发生相溶必然会破坏屏蔽层的半导体特性,所以在终端造型时一定要重点审查绝缘油与半导体的绝缘方式,要考虑胀缩、脱落等产生泄漏的可能性;
(2)采用电缆终端制作时包扎的PVC增绕绝缘层不能阻隔绝缘油的渗透,只能延迟这种相溶性破坏发生的时间;
(3)含油电缆终端保护管的主要作用是阻隔绝缘油与电缆接触,在制作电缆终端时必须保证套入保护管的尾端穿出电缆终端尾管处的密封橡胶环外,可作为该类终端技术要求予以明确;
(4)由于PVC包扎可以延迟相溶破坏的发生,已经通过各项试验的运行电缆可以在运行若干年甚至10年后才出现此种破坏。因此运行中的含油电缆终端必须定期检查电缆终端管内油压和电缆尾管部位的密封情况,一旦检查发现漏油应立即停运处理,避免终端放炮。本电缆终端采取措施修复后运行至今已有多年,没有再出现异常情况,可以确证该故障从发现、分析、处理上是成功、有效的,且是经济的。
参考文献:
[1]刘剑星:高压电力电缆故障探测技术研究,中国新技术新产品,2010(2)
[2]杨忠、周鑫、牛海清:电力电缆故障定位技术综述,电气应用,2008(21)
作者简介:马晓棠,1974年-,女,助理工程师,1994年毕业于郑州电力高等专科学校,同年参加工作,一直从事于电力培训工作。
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