一起220kV交聯(lián)電纜過(guò)熱損壞原因探討

劉秀明胡慶偉丁俊毅李 克

（1.大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143；2.大唐河南發(fā)電有限公司，鄭州 450000）

一起220kV交聯(lián)電纜過(guò)熱損壞原因探討

劉秀明1胡慶偉1丁俊毅2李 克1

（1.大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143；2.大唐河南發(fā)電有限公司，鄭州 450000）

針對(duì)某電廠220kV交聯(lián)聚乙烯電纜運(yùn)行中發(fā)生的絕緣擊穿事故，介紹了電纜線路概況和事故后的檢查情況，根據(jù)電纜過(guò)熱損壞故障現(xiàn)象，對(duì)可能引起電纜絕緣過(guò)熱的因素，從電纜制造質(zhì)量、安裝工藝、電纜軸間距、設(shè)計(jì)要求、土壤熱阻、過(guò)流發(fā)熱等角度進(jìn)行了逐項(xiàng)深入分析與探討，并提出從源頭把控制造質(zhì)量，規(guī)范電纜安裝工藝，加裝電纜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增加回流線電流在線監(jiān)測(cè)等防止類似事故再次發(fā)生的防范措施，保證電纜線路安全運(yùn)行，值得同行業(yè)人員借鑒。

220kV電纜；絕緣擊穿；溫度；分析；措施

某電廠2015年9月實(shí)施了4號(hào)機(jī)組降壓改造（從電網(wǎng)500kV系統(tǒng)降壓至220kV系統(tǒng)），主變高壓側(cè)采用220kV電纜與220kV開關(guān)站系統(tǒng)連接，改造完成后于12月20日投入運(yùn)行。電纜采用山東某電纜公司生產(chǎn)的220kV交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電纜，型號(hào)ZR-YJLW02-Z-127/220kV-1×2500mm2，額定電流空氣中敷設(shè)（41.1℃）2239A，管道內(nèi)敷設(shè)（25℃）1576A。

2016年3月16日18時(shí)37分，4號(hào)機(jī)組有功516MW負(fù)荷運(yùn)行中，“主變差動(dòng)保護(hù)”動(dòng)作，機(jī)組跳閘。檢查4號(hào)主變障錄波動(dòng)器記錄故障時(shí)刻主變高壓側(cè)C相電壓由134.785kV突降至10.263kV，主變高壓側(cè)C相電流由1.192kA上升至5.509kA，主變高壓側(cè)3I0由0.017kA上升至5.279kA。220kV崤摩線故障錄波器記錄 220kV崤摩線 C相電壓由134.482kV突降至9.219kV；220kV崤摩線C相電流由1.194kA上升至14.979kA；220kV崤摩線3I0由0.017kA上升至 13.648kA。綜合主變、線路故障錄波器動(dòng)作記錄，從故障時(shí)刻的電壓變化情況及故障電流流向，判斷為主變高壓側(cè)至220kV開關(guān)站區(qū)域發(fā)生C相接地故障，故障持續(xù)58ms。

1 故障后檢查情況

1.1 對(duì)4號(hào)主變、高廠變、高公變進(jìn)行全面排查

變壓器瓦斯保護(hù)、壓力釋放閥保護(hù)均未動(dòng)作，三相變壓器溫度、油位均沒(méi)有明顯變化。對(duì)主變A、B、C三相取樣進(jìn)行油色譜分析，油色譜分析結(jié)果正常，未檢測(cè)出乙炔含量，其它特征氣體無(wú)明顯增長(zhǎng)。排除變壓器本體故障。

1.2 對(duì)4號(hào)機(jī)220kV開關(guān)站崤224斷路器、崤224 CT進(jìn)行SF6分解物測(cè)試

未發(fā)現(xiàn)SF6氣體故障放電產(chǎn)物，排除220kV斷路器、CT故障造成C相接地。

1.3 對(duì)220kV電纜系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查

發(fā)現(xiàn)主變側(cè)220kV電纜護(hù)層保護(hù)器C相電纜接頭處絕緣擊穿，對(duì)外殼放電。對(duì)主變高壓側(cè)電纜進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯過(guò)熱、放電痕跡及異味。用5kV搖表測(cè)量A、B、C相主絕緣，絕緣值分別為1.9GΩ，44.1MΩ，2.0MΩ。判斷C相電纜存在非金屬性接地故障，B相電纜主絕緣偏低。對(duì)4號(hào)主變高壓側(cè) A、B相電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，耐壓172.72kV（1.36UO），A相電纜耐壓試驗(yàn)前電纜絕緣為14.0GΩ，耐壓試驗(yàn)后絕緣15.5GΩ，試驗(yàn)通過(guò)；B相電纜耐壓試驗(yàn)前絕緣544MΩ，升壓至84kV時(shí)絕緣擊穿跳閘，確認(rèn)B相電纜絕緣損壞。

1.4 將C相電纜鋁護(hù)套接地線、高壓引線拆除后，進(jìn)行電纜故障點(diǎn)定位

從主變側(cè)檢測(cè)到故障點(diǎn)在近端，從開關(guān)站側(cè)檢測(cè)到故障點(diǎn)在遠(yuǎn)端，根據(jù)檢測(cè)波形判斷故障點(diǎn)大致范圍在主變側(cè)電纜終端處。進(jìn)一步通過(guò)定點(diǎn)儀檢測(cè)，確定故障點(diǎn)在主變側(cè)電纜坑內(nèi)。組織人員對(duì)沙坑進(jìn)行開挖，開挖到 1m左右深度時(shí)，故障區(qū)域回填土下方約40℃，當(dāng)挖到 1.5m左右時(shí)，沙土溫度最高70℃，沙土中水分已大量遷移，同時(shí)故障區(qū)域電纜外護(hù)層過(guò)熱碳化剝落，露出鋁護(hù)套，電纜之間白松材質(zhì)方木墊塊過(guò)熱碳化嚴(yán)重，局部區(qū)域墊塊碳化分解。電纜表面溫度普遍在110～120℃之間，最高點(diǎn)溫度在電纜坑西北角五根電纜壘疊處，電纜表面溫度163℃（測(cè)量時(shí)間為主變跳閘后26h）。將沙土全部清走后，再次對(duì)C相電纜進(jìn)行故障測(cè)試，最終找到 C相絕緣故障擊穿點(diǎn)和 B相電纜絕緣損壞位置（如圖1所示），B、C相故障位置在同一豎直面上。鋸開C相故障點(diǎn)電纜，發(fā)現(xiàn)電纜絕緣受熱后塌陷嚴(yán)重，阻水帶碳化嚴(yán)重。

圖1 絕緣故障擊穿點(diǎn)

2 電纜故障原因分析

2.1 電纜熱擊穿

從電纜故障處外絕緣 PVC層碳化和電纜之間所墊白松方木碳化程度分析，當(dāng)白松受熱溫度升到600℃以上時(shí)，大部分白松已完全炭化，因此故障時(shí)電纜表皮溫度在 600℃以上；銅導(dǎo)體的融化溫度1083℃，從銅導(dǎo)線未融化情況看，電纜導(dǎo)體溫度在1000℃以下。由此判斷，故障時(shí)故障區(qū)域溫度在600～1000℃之間，電纜絕緣過(guò)熱損壞，擊穿接地。

2.2 電纜主絕緣可能存在雜質(zhì)、氣孔、突起等質(zhì)量缺陷

由于初始階段該缺陷不夠突出，出廠試驗(yàn)和交接試驗(yàn)可以通過(guò)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的帶電運(yùn)行，電纜運(yùn)行電流變化造成電纜蠕動(dòng)，誘發(fā)絕緣缺陷逐漸劣化，同時(shí)在較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電壓作用下，故障區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)比較集中，引起該處局部放電。因該區(qū)域電纜采用沙土掩埋工藝，電纜缺陷產(chǎn)生的熱量引起電纜周圍沙土溫度升高，沙土中水分發(fā)生遷移，水分遷移后沙土熱阻系數(shù)進(jìn)一步增大，電纜散熱環(huán)境惡化，運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量與電纜主絕緣缺陷產(chǎn)生的熱量不能有效、及時(shí)散發(fā)，熱量不斷積累，溫度達(dá)到外護(hù)套融化和焦化溫度，將外護(hù)套燒毀，然后形成電纜護(hù)套多點(diǎn)接地，護(hù)套中形成的環(huán)流加速電纜發(fā)熱，最終電纜過(guò)熱擊穿。從B相絕緣損壞位置分析，與C相處于同一豎直面上，電纜中心距約 5cm，判斷B相受C相電纜過(guò)熱影響發(fā)生絕緣損壞。

2.3 電纜坑底部墊層采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，電纜盤圈不規(guī)范局部產(chǎn)生渦流

為了防止電纜坑底部基礎(chǔ)沉降電纜受力，施工設(shè)計(jì)要求電纜坑底部采用鋼筋混凝土墊層工藝硬化處理。根據(jù)電纜施工設(shè)計(jì)要求，電纜迂回段盤圈應(yīng)該采用品字形排列，由于電纜坑設(shè)計(jì)尺寸的限制，加上電纜預(yù)留電纜較長(zhǎng)，電纜盤圈時(shí)實(shí)際未嚴(yán)格按照品字形進(jìn)行排列（如圖2所示）。受制于以上兩方面的因素，電纜敷設(shè)后在電纜坑西北角形成了一個(gè)五根電纜集聚點(diǎn)，分別為B相3根，C相兩根，電纜運(yùn)行中兩相產(chǎn)生的疊加磁場(chǎng)作用到底部的鋼筋混凝土墊層上，在局部形成渦流，并產(chǎn)生大量熱量，再加上電纜運(yùn)行中自產(chǎn)熱量、電纜盤圈渦流熱量，導(dǎo)致該區(qū)域電纜散熱環(huán)境很差，同時(shí)該區(qū)域電纜敷設(shè)較為密集，導(dǎo)致大量熱量不能及時(shí)散發(fā)，最終出現(xiàn)電纜過(guò)熱，絕緣熱擊穿。

圖2 電纜坑開挖后照片

2.4 主變側(cè)電纜坑內(nèi)電流盤圈較多，產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致電纜發(fā)熱量增加

設(shè)計(jì)院提供的220kV電纜敷設(shè)施工圖紙中要求“電纜至電纜終端連接必須滿足電纜轉(zhuǎn)彎半徑要求，不得隨意截?cái)嚯娎|，至少各盤一圈，確保電纜余度”，保留電纜裕度主要是考慮電纜終端頭故障率較高，要適當(dāng)預(yù)留重新做頭的電纜，設(shè)計(jì)要求上沒(méi)有對(duì)電纜盤圈數(shù)量上限進(jìn)行規(guī)定。實(shí)際敷設(shè)過(guò)程中A、B、C三相電纜盤圈分別為2圈、2.5圈、2圈。從電纜盤圈數(shù)量上看，B相電纜盤圈數(shù)量最多，理論上B相產(chǎn)生的渦流最大，并且B相位于C相的上方，C相熱量的向上散發(fā)進(jìn)一步惡化了B相的電纜散熱環(huán)境。同時(shí)，故障點(diǎn)位置并不是電纜坑內(nèi)電纜最密集部位，電纜最密集部位位于電纜坑西南角，有8根電纜匯聚在一起，但該處大部分電纜未發(fā)現(xiàn)原發(fā)性電纜外絕緣過(guò)熱損傷痕跡，B、C相電纜外護(hù)層受到從故障點(diǎn)傳來(lái)熱量影響，發(fā)生了外護(hù)層過(guò)熱碳化剝落，處于最上層的A相電纜外護(hù)層有受熱跡象，但未發(fā)生碳化。綜合分析，因電纜盤圈較多引起的電纜過(guò)熱損壞可能性不大。

2.5 電纜運(yùn)輸、敷設(shè)過(guò)程中機(jī)械損傷

電纜運(yùn)輸、敷設(shè)過(guò)程中防護(hù)不到位，使電纜外半導(dǎo)體屏蔽層遭到了破壞且傷及到了主絕緣體，由于初始電纜主絕緣中輕微受損，耐壓試驗(yàn)可以通過(guò)。但在較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電壓作用下，屏蔽層故障點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)比較集中，引起該處局部放電，最終引發(fā)電纜主絕緣貫穿性擊穿故障。從故障點(diǎn)及其附近區(qū)域的鋁護(hù)套損傷情況看，除了爆口位置，爆口周圍區(qū)域鋁護(hù)套沒(méi)有受外力機(jī)械損傷導(dǎo)致鋁護(hù)套變形的情況。因此電纜受外力機(jī)械破壞，損傷電纜外屏蔽層，進(jìn)而引起主絕緣損壞的可能性不大。

2.6 電纜坑內(nèi)沙土熱阻系數(shù)大，熱量不易散發(fā)

電纜埋砂后，電纜載流量受到沙土熱阻系數(shù)的影響，而且熱阻值隨著沙中水分的遷移而逐漸增大。實(shí)驗(yàn)表明，電纜工作溫度在75℃及以上時(shí)，即使用含水率大的濕砂，在運(yùn)行后由于水分遷移，電纜仍處于干砂的覆蓋包圍中。根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217—2006），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)電纜回裝實(shí)際條件，選擇熱阻系數(shù)1.5，則電纜的校正系數(shù)是0.93。電纜回填日期為2015年11月22日，陰轉(zhuǎn)小雨，環(huán)境溫度4～8℃，且電纜坑深度為2.85m，隨著電纜埋設(shè)深度的增大，電纜載流量降低。開挖檢查，A、B相中間電纜坑處沙土確實(shí)存在水分嚴(yán)重遷移的現(xiàn)象，其他區(qū)域的沙土中含水量也較回填時(shí)有所降低，但沙土中水分的遷移以故障點(diǎn)區(qū)域最為嚴(yán)重，即位于電纜敷設(shè)較密集部位，在電纜敷設(shè)最密集部位，越靠近故障側(cè)水分遷移越厲害。因此，水分遷移更應(yīng)該是結(jié)果，而不是電纜絕緣過(guò)熱的主要原因。

2.7 電纜過(guò)載發(fā)熱

電纜溝內(nèi)填沙熱阻按照1.5，環(huán)境溫度按照25℃進(jìn)行取值計(jì)算，電纜最大載流量為 1400A，實(shí)際電纜回填時(shí)環(huán)境溫度不超過(guò)10℃，電纜載流量較該值要高。調(diào)取電纜運(yùn)行曲線，2015年12月—2016年3月，室外環(huán)境溫度始終在25℃以下，有效降雨12次。由于外部電網(wǎng)社會(huì)用電量下降，4號(hào)機(jī)負(fù)荷率較低，電纜通過(guò)運(yùn)行電流只有1月3日這一天有不到3h達(dá)到了1400A（如圖3所示），其他大部分時(shí)間電流均在1400A以下。綜合電纜過(guò)熱所在的電纜坑區(qū)域位置，由電流過(guò)載導(dǎo)致電流絕緣受熱損壞的可能性極小。

圖3 2016年1月電纜運(yùn)行趨勢(shì)

3 防止類似問(wèn)題重復(fù)發(fā)生的建議

1）把好電纜采購(gòu)、制造過(guò)程關(guān)

一般在電纜生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內(nèi)有雜質(zhì)、主絕緣與外屏蔽之間有雜質(zhì)、內(nèi)外屏蔽有突起、交聯(lián)度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護(hù)套密封不良等，情況比較嚴(yán)重的可能在竣工試驗(yàn)中或投運(yùn)后不久即出現(xiàn)故障。因此，應(yīng)認(rèn)真開展電纜采購(gòu)技術(shù)審查、制造、出廠試驗(yàn)監(jiān)造或委托監(jiān)造工作，確保電纜從制造源頭上不存在瑕疵。

2）提高電纜安裝質(zhì)量

加強(qiáng)施工作業(yè)人員安全技術(shù)教育，電纜安裝時(shí)要求電纜生產(chǎn)廠家派技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，嚴(yán)格按照廠家提供的電纜安裝工藝施工。電纜敷設(shè)過(guò)程中控制好牽引力、側(cè)壓力、扭力以及電纜彎曲半徑，避免電纜金屬護(hù)套、屏蔽層或絕緣損傷，留下安全隱患。

3）規(guī)范電纜坑預(yù)留電纜盤圈工藝，控制電纜盤圈數(shù)量

在施工中把多余電纜的大部分去掉，只在電纜兩端預(yù)留處一個(gè)電纜終端頭的裕量即可。對(duì)預(yù)留的電纜應(yīng)嚴(yán)格按品字形布置，將三相電流所產(chǎn)生的磁通的矢量和降到最低。電纜之間存在交叉時(shí)，用隔板分隔或穿管時(shí)電纜之間的距離應(yīng)不小于0.25m。

4）加裝電纜溫度在線監(jiān)測(cè)裝置，及早發(fā)現(xiàn)電纜過(guò)熱隱患

利用電纜溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)電纜溫度變化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜溫度過(guò)高點(diǎn)和溫度變化異常點(diǎn)，提醒有關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行查找、分析、處理，有利于電纜過(guò)熱缺陷的早期發(fā)現(xiàn)，避免缺陷擴(kuò)大。同時(shí)也便于檢修人員在電纜故障后快速確認(rèn)電纜位置，減少故障查找時(shí)間，提高工作效率。

5）加裝電纜回流線電流在線監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)電纜接地電流

單芯高壓電纜金屬護(hù)套接地電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致其護(hù)套上產(chǎn)生大量熱量，降低電纜載流量，縮短電纜使用壽命。通過(guò)加裝電流在線監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行接地電流值與歷史電流值的比較，能夠及時(shí)判斷電纜鋁護(hù)套及接地系統(tǒng)是否存在缺陷或故障隱患。

6）改善散熱環(huán)境，取消電纜坑回填土直埋工藝

電纜直埋工藝，受制于土壤熱阻、電纜敷設(shè)深度的影響，散熱環(huán)境差，電纜載流量大幅下降，甚至只能達(dá)到額定電流的75%。如果條件具備，將電纜由直埋改為自由空氣中敷設(shè)，則能大幅提高電纜線路載流量。

4 結(jié)論

從本文對(duì)導(dǎo)致電纜絕緣損壞的誘因分析，電纜制造質(zhì)量缺陷和施工安裝工藝不規(guī)范是導(dǎo)致本次220kV電纜運(yùn)行中絕緣過(guò)熱損壞的最可能原因，具體原因還有待試驗(yàn)院所對(duì)故障電纜進(jìn)行解剖分析和對(duì)電纜坑內(nèi)盤圈方式下的溫度場(chǎng)計(jì)算。增加回流線電流在線監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)和加裝溫度在線監(jiān)測(cè)裝置是發(fā)現(xiàn)電纜溫度異常早期故障的有效手段，嚴(yán)把電纜設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量關(guān)才能從根本上防止類似事故再次發(fā)生。

［1］GB 50217—2007.電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］Q/CDT 107 001—2005.電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程［S］.

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劉秀明（1984-），男，在職研究生學(xué)歷，助理工程師，三門峽華陽(yáng)發(fā)電有限責(zé)任公司，現(xiàn)從事火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)備技術(shù)管理工作。