电力电缆绝缘损坏事故原因分析及治理措施

种佳丽,韩 洋,赵 磊,王 磊

(内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司,内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

电力电缆是传输和分配电能的重要一次设备,由于其占地小、维护工作量少、受环境因素影响小等优点,广泛应用于电力传输各环节[1-3]。但在使用过程中,由于生产制造工艺、安装工艺及环境、机械损伤、超负荷运行、电力系统过电压等原因,会导致电力电缆绝缘性能下降,甚至发生绝缘击穿等事故[4-5],而且电力电缆损坏事故定位困难,花费时间较长,易引起事故扩大,从而造成经济损失[6-7]。

近年来,通过对温度、压力、电流等特征量进行在线监测,可实时进行电力电缆状态诊断[8-12]。但目前在线监测系统仍无法保证事故判断的准确性,也没有在实际运行中大规模使用,因此电力电缆损坏防范仍主要依靠运行维护,损坏情况分析判断也主要由技术人员进行。而常见的电力电缆事故案例分析大多局限于单个事故本身,未形成电力电缆事故排查的步骤和方法。

本文针对某风力发电场电力电缆绝缘损坏事故的典型案例,分析原因并提出预防和治理措施,可为同类型电缆的生产制造、运行维护和事故处理提供参考。

1 事故现场检查

某风力发电场一期工程装机容量为49.5 MW,正式并网运行;二期工程与一期工程规模相同,进入调试阶段。该风力发电场配置额定容量为1500 kW的变速恒频风力发电机组,每台机组配备箱式变压器;配置220 kV升压变电站,主变压器容量为120 MVA,主变压器220 kV侧出线1回,35 kV侧出线8回,均采用单母线接线方式,且电力电缆与架空线相结合。

在二期工程调试过程中,1个月内相继发生3起电缆头爆裂事故,均发生在箱式变压器高压侧进线位置。

对事故现场进行检查,首先打开电缆柜,发现柜内已经熏黑,观察电缆外观,可见电缆外皮已经烧黑且有裂痕,具备典型燃烧痕迹,如图1所示,且空气中弥漫烧焦味道,其次检查箱式变压器,外观无变色,无烧蚀痕迹,没有异物附着,最后检查周围环境,无异常现象。

图1 损坏电缆外观

2 原因分析

2.1 生产制造工艺

电力电缆生产厂家众多,产品质量参差不齐,特别是电缆头易产生制作工艺不符合技术要求的问题,主要表现为主绝缘切口不规则、表面打磨粗糙、部分有损伤、半导层剥离处理粗糙等。由于损坏电缆为新安装,没有投入生产运行,同批次电缆没有出现类似事故,因此无法直接判断损坏原因是否为生产制造工艺不良,具体结果待电力电缆解体后分析才可确定。

2.2 安装工艺及环境

电力电缆安装时,连接螺杆安装、电缆长度预留、应力管安装等安装工艺影响最终施工质量,同时电力电缆需要干燥卫生的安装环境。在现场检查过程中,未发现损坏电缆存在安装工艺不达标的问题,但不能排除安装过程中存在粉尘等杂质或潮气侵入绝缘层的情况。

2.3 机械损伤

机械损伤是引起电力电缆损坏的常见原因,主要指交通运输和施工过程中由外力造成的损伤,包括磕碰、拉伤、过度弯曲等。现场检查损坏电缆无外力损伤。

2.4 超负荷运行

电力电缆长期超负荷运行时,由于电流热效应导致导体发热,电荷集肤效应、钢铠涡流及绝缘介质损耗同样会产生附加热量,这些热量不能及时发散,会引起电力电缆温度升高。损坏电缆未并网运行,因此不存在这种情况。

2.5 电力系统过电压

电力系统存在各种各样的过电压,操作过电压、雷电过电压等都会对电力电缆绝缘强度造成冲击,特别是在生产制造工艺不良、安装环境不洁、绝缘老化等情况下,极易造成电力电缆击穿损坏。

损坏电缆位于箱式变压器高压侧进线位置,而箱式变压器低压柜中控制变压器用真空断路器曾因电压等级不匹配而发生爆裂,因此很可能在真空断路器爆裂过程中产生电压冲击,已经损坏了电力电缆绝缘强度,出现薄弱点。同时,较长的电力电缆产生较大的系统对地电容电流,电容电流过大会增加系统绝缘事故风险。事故发生时,二期工程无功补偿系统在调试过程中,可能出现欠补偿的情况。基于上述分析,模拟事故发生时的工况对该35 kV系统开展系统对地电容电流测试。

系统对地电容电流测试采用注入法,在主变压器35 kV侧的电压互感器二次辅助绕组内注入小电流变频测量信号,通过采样回路和数字信号处理器进行分析计算,得到35 kV侧出线线路电容电流,测试结果如表1所示。

表1 系统对地电容电流测试结果

DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定35 kV系统电容电流应小于10 A,事故发生时,该风力发电场升压站35 kV电力系统电容电流均值为21.8 A,远远超过了规定限制,因此在过大的电容电流作用下,系统可能存在谐振过电压,电力电缆绝缘强度薄弱点易发生击穿事故。

2.6 解体分析

设备厂家对事故电力电缆进行解体分析,未发现明显安装工艺缺陷及机械损伤,但是在制作电缆头时,需要剥去屏蔽层,改变了电缆原有电场分布,产生对绝缘不利的切向电场,因此电缆头附近成为整个电缆最容易击穿的部位。

综合上述分析可知,电力电缆绝缘损坏事故有以下3方面原因。

a.真空断路器爆裂过程中产生系统电压冲击,影响了电力电缆绝缘强度。

b.二期工程无功补偿系统调试过程中出现欠补偿的情况,使35 kV系统电容电流超标,引起谐振过电压。

c.电缆头制作工艺存在缺陷,电缆头附近绝缘强度较弱。

3 预防及治理措施

3.1 生产制作过程

a.电力电缆生产制作环境必须保持干燥和清洁,防止灰尘、杂物、潮气等进入绝缘层,制作电缆头时要保持连续不间断作业,尽量缩短制作时间以避免潮气入侵。

b.制作电力电缆的技术人员必须进行专业培训,严格执行设计图纸中的剥切尺寸,不可凭经验进行切割。剥切时使用恒力弹簧将电力电缆进行固定,保证切口平整,切割位置不偏离。

c.电缆头制作时要采取措施缓和电缆屏蔽端部电场集中的问题,保证可靠密封。

d.应力管与屏蔽层的搭接长度应满足要求,避免应力锥失去作用。

e.三相芯线预留长度不同,中间相应最短,防止接线耳与套管接触不良发热。

f.电缆头连接金具与电缆线芯一定要压接紧实,避免出现空隙导致压缩力不足造成接触不良。

3.2 质量检查

a. 严格把控电力电缆及其附件的产品质量,依据电力电缆运行环境的不同,有针对性地制定产品技术标准。

b. 选择技术水平较高的电力电缆生产厂家,避免低价中标。

c. 产品验收要查验产品合格证书,必要时委托专业机构对同批次产品进行质量抽查。

3.3 现场安装

a.严格管控施工单位资质,有针对性地对施工人员进行技术培训,加强监管,避免存在偷工减料现象。

b.电力电缆安装过程中,需要保持良好的气候条件,不可在风、霜、雨、雪天气进行安装,避免粉尘污染和潮气入侵。

c.电力电缆敷设过程中严格按照技术规范执行,防止损伤电缆外护套,不能多次弯曲、交叉或扭转。

d.固定电缆头时,首先保证金属部分可靠连接,避免虚接等问题,其次尽量顺其自然,三相之间不要交叉,最后不能让电缆下部斜扭,电缆头不可长时间承受扭转力。

e.现场安装完成后,做好施工后评价工作,对于技术水平不过关的施工单位,加入黑名单进行淘汰,筛选技术水平过硬的施工单位,促进良性竞争。

3.4 运行维护

a.电力电缆运行维护单位需建立完善的巡视制度,保证每条电力电缆线路定期巡视,并对巡视情况进行记录,发现问题及时汇报解决。

b.电缆头是绝缘较薄弱部位,长期运行电缆绝缘层附近会慢慢变黑,加强对电缆头巡视检查,及时清除灰尘,可在一定程度上避免电缆头损坏。

c.在运行维护过程中,采用红外测温等新技术进行在线监测,发现电力电缆局部发热等缺陷及时处理,可避免缺陷扩大造成更大损失。

d.电力系统发生设备事故时,要考虑是否会对电力电缆绝缘强度造成冲击,通过试验等技术手段进行绝缘强度检测。

e.定期进行电容电流测试,避免因为补偿容量不足造成电容电流超标,破坏电力电缆绝缘性能。

f.关注电力电缆事故检测新技术,探索在线监测技术及事故精确定位,尽可能提前发现缺陷,降低故障率。

4 结语

本文针对某风力发电场电力电缆绝缘损坏事故的典型案例,主要从生产制造工艺、安装工艺及环境、机械损伤、超负荷运行和电力系统过电压等进行分析,最终确定电力电缆绝缘损坏原因。根据分析结果,本文提出生产制造、质量检查、现场安装和运行维护4方面的预防和治理措施,可在一定程度上避免电力电缆绝缘损坏事故的发生。