110 kV交聯(lián)電纜線芯進(jìn)水處理

孫進(jìn)　焦愛軍　時(shí)振堂　潘玉

摘 要： 以110 kV交聯(lián)電纜進(jìn)水故障為例，總結(jié)了目前電纜在運(yùn)行管理中出現(xiàn)進(jìn)水故障的原因、危害和常見處理方法。某石化企業(yè)110 kV交聯(lián)電纜發(fā)生單相接地故障后，故障電纜線芯全段進(jìn)水，無法正常恢復(fù)，通過分析電纜故障時(shí)線芯負(fù)壓吸入蒸汽而凝結(jié)成水的機(jī)理，根據(jù)抽真空充氮?dú)獾姆椒ㄖ贫ǜ稍锾幚矸桨福晒Φ貞?yīng)用抽真空充氮法進(jìn)行了水分清除，完成電纜修復(fù)，為此類電纜進(jìn)水受潮故障的處理提供參考。

關(guān) 鍵 詞：交聯(lián)電纜；單相接地；進(jìn)水

中圖分類號：TM757 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1450-03

Treatment of Water Infiltration Fault of 110 kV XLPE Power Cable Conductor

SUN Jin1，JIAO Ai-jun2，SHI Zhen-tang1，PAN Yu2

（1. Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemcals ， Liaoning Dalian 116049， China；

2. Sinopec Qilu Petrochemical Company， Shandong Zibo 255411， China）

Abstract： Taking water infiltration accident of 110 kV XLPE cable as an example， fault reasons， harm and common treatment methods in the cable operation and management were summarized. After the single-phase grounding fault of 110 kV XLPE cable happened in a company， water infiltrated into the whole fault cable conductor， and normal operation was not restored. By analyzing the mechanism of fault cable inhaling the vapor to condense into water， the drying treatment scheme was formulated based on vacuumizing and filling nitrogen method， the moisture was successfully removed and the fault cable was repaired.

Key words： XLPE power cable； Single-phase grounding； Flooding

電力電纜是電力系統(tǒng)輸變電線路的主要形式之一，由于其具有絕緣性優(yōu)異、傳輸容量比大、滿足防爆要求等特點(diǎn)，在石化企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，是煉化企業(yè)和油田電網(wǎng)輸配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1]。

目前應(yīng)用廣泛的交聯(lián)聚乙烯有多種敷設(shè)方式，包括直埋敷設(shè)、隧道敷設(shè)和溝道敷設(shè)等，應(yīng)根據(jù)工程條件和環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合可靠性原則和經(jīng)濟(jì)性原則選擇適合的安裝方式。為保證電纜線路的安全可靠，需嚴(yán)格規(guī)范電纜本體及附件的產(chǎn)品質(zhì)量，按照GB50168-92電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的具體要求進(jìn)行敷設(shè)安裝。在電纜運(yùn)行過程中出現(xiàn)進(jìn)水受潮故障后，若不采取措施進(jìn)行去潮干燥處理，主絕緣結(jié)構(gòu)在水分和高壓電磁場的作用下逐步形成水樹枝，破壞主絕緣，長時(shí)間發(fā)展將導(dǎo)致絕緣擊穿故障，影響電網(wǎng)穩(wěn)定和供電安全，甚至導(dǎo)致全廠停電，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害 [2，3]。

1 電纜線芯進(jìn)水原因與危害

1.1 電纜線芯進(jìn)水受潮的原因

根據(jù)電纜施工、運(yùn)行的管理與經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)電纜在出廠、敷設(shè)和運(yùn)行過程中進(jìn)水的原因，主要有以下幾種情況[4，5]：

（1）電纜出廠和運(yùn)輸過程中，因操作不當(dāng)?shù)仍虺霈F(xiàn)鉛封松動或破裂，導(dǎo)致其密封性下降，增加電纜進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）電纜敷設(shè)過程中，由于氣象或施工環(huán)境等原因，電纜溝內(nèi)可能存在積水，若電纜頭密封不嚴(yán)并浸在水中將導(dǎo)致電纜進(jìn)水；電纜敷設(shè)施工中，需進(jìn)行切斷電纜和鉛封密封操作，若密封操作不符合規(guī)范，電纜在運(yùn)行過程中也存在進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)；電纜敷設(shè)過程，在進(jìn)行牽引和穿管操作時(shí)，若外護(hù)套或鋁護(hù)套被損壞，將導(dǎo)致電纜進(jìn)水。

（3）在電纜正常運(yùn)行中，由于外力破壞等因素會引發(fā)電纜擊穿或破損事故，若此時(shí)電纜溝中存在積水，將導(dǎo)致電纜故障點(diǎn)進(jìn)水。

1.2 電纜線芯進(jìn)水的危害

高壓電纜的主絕緣結(jié)構(gòu)通常為高聚物材料，當(dāng)電纜進(jìn)水或受潮后，主絕緣高聚物在強(qiáng)電場作用下易發(fā)生水解，聚合物發(fā)生水解反應(yīng)后強(qiáng)度降低、柔性下降，高聚物吸附、吸收水分后，水分在主絕緣內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)散，其電性能劣化，聚合物材料的電容和介質(zhì)損耗角正切均增加，體積電阻和擊穿場強(qiáng)均下降。另一方面，電纜進(jìn)水后，主絕緣內(nèi)部會生成“水樹枝”，“水樹枝”是電纜吸附、吸收或擴(kuò)散的水分在高壓電場作用下生成的領(lǐng)結(jié)形狀或發(fā)散形狀的氣隙，絕緣層高聚物材料中存在的雜質(zhì)、氣孔以及絕緣層與內(nèi)外半導(dǎo)電層結(jié)合面的不均勻處所形成的局部高電場是產(chǎn)生“水樹枝”的起點(diǎn)，“水樹枝”發(fā)展過程一般在8 a以上，隨著主絕緣結(jié)構(gòu)的溫度、濕度或電壓升高，水中離子含量增加，“水樹枝”愈加嚴(yán)重。

“水樹枝”逐漸向主絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部伸展的同時(shí)，也加速了主絕緣高聚物材料的老化，縮短電纜的使用壽命，甚至導(dǎo)致主絕緣結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)被擊穿[6]。電纜現(xiàn)場試驗(yàn)與檢測數(shù)據(jù)顯示，“水樹枝”危害會增加電纜內(nèi)的局部應(yīng)力，當(dāng)電纜在高溫條件下，“水樹枝”發(fā)生氧化，導(dǎo)電性增加，直至熱擊穿故障；當(dāng)電纜在低溫條件下，“水樹枝”經(jīng)長時(shí)間氧化逐漸發(fā)展為電樹，進(jìn)一步破壞電纜[7，8]。

1.3 電纜線芯進(jìn)水的處理方法

解決電纜進(jìn)水故障的關(guān)鍵在于恢復(fù)進(jìn)水電纜的干燥度，即降低電纜線芯含水量，把電纜內(nèi)部的水分子轉(zhuǎn)移出來。目前，較常見的方法包括[9]：

（1）液態(tài)水抽出法。

當(dāng)高壓電纜大量進(jìn)水時(shí)，需采用液態(tài)水直接抽出的方法初步處理，利用真空抽水原理降低電纜線芯中的含水量。

（2） 高純氮?dú)飧稍锓ā?/p>

此方法適用于電纜經(jīng)液態(tài)水抽出處理后或電纜線芯微量進(jìn)水受潮的情況，利用高純氮?dú)饩哂懈稍锏奶攸c(diǎn)，將其充進(jìn)高壓電纜線芯中進(jìn)行處理，此方法常與液態(tài)抽水法配合使用，有效提高電纜進(jìn)水后干燥處理的效果。

（3）空氣蒸發(fā)-水蒸氣抽出法。

根據(jù)克拉貝龍-克勞修斯方程的溫度變化計(jì)算公式：

式中：T ——溫度；

P ——壓力；

△Hm ——摩爾汽化焓；

R ——常數(shù)。

確定電纜所處環(huán)境溫度后，降低線芯內(nèi)空氣壓力至線芯內(nèi)的液態(tài)水在環(huán)境溫度下可蒸發(fā)成為水蒸氣，再結(jié)合抽水原理將線芯中的水蒸氣抽出，從而降低電纜線芯內(nèi)的含水量。

（4） 微水儀檢測法。

微水儀采用濕敏元件對進(jìn)水電纜的抽出氣體進(jìn)行含水量分析，微水儀檢測法常與上述方法結(jié)合使用，直觀、快速的判斷電纜進(jìn)水的嚴(yán)重程度和干燥處理效果。

2 電纜故障及原因分析

2.1 電纜線路故障情況

2007年1月30日中午11時(shí)18分，某石化企業(yè)一變電站110 kV離子膜I線路差動保護(hù)動作， 21213開關(guān)跳閘。經(jīng)檢查，離子膜I線路C相電纜位于氯堿廠東門西側(cè)工藝管廊170-171號柱之間，蒸汽管線保溫?fù)p壞后燙傷C相電纜，造成單相接地故障。110 kV離子膜I、II線路是離子膜整流變的電源進(jìn)線，采用ZR-YJLW02-64/110 kV 1×240交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，橋架三相平行敷設(shè)，線路全長1 628 m，分三段，2004年8月投運(yùn)。本次故障點(diǎn)位于電纜中間段，距離西側(cè)中間接頭約40 m，東側(cè)中間接頭約500 m。

事故發(fā)生后，管理部門迅速組織技術(shù)人員搶修，初步計(jì)劃利用備用的120 m電纜接續(xù)原電纜恢復(fù)。施工過程中發(fā)現(xiàn)電纜線芯中嚴(yán)重進(jìn)水，在切除東側(cè)電纜近40 m后，電纜線芯仍然不斷向外滴水，搶修工作被迫停止。

2.2 進(jìn)水原因分析

離子膜I線路電纜為架空電纜橋架敷設(shè)，故障前已正常運(yùn)行29個月，負(fù)荷電流約350 A。根據(jù)電纜運(yùn)行情況排除投運(yùn)前施工不當(dāng)進(jìn)水可能性，初步判斷進(jìn)水原因是電纜運(yùn)行中內(nèi)部溫度高，電纜內(nèi)部空氣逐漸被排除，事故時(shí)電流突降、溫度下降，形成線芯負(fù)壓區(qū)域，突然與外界連通，蒸汽管線破損后泄漏的水蒸氣被大量吸入電纜線芯內(nèi)，電纜線芯金屬銅具有良好的導(dǎo)熱性，水蒸氣在線芯中迅速凝結(jié)成水。線芯中的水分在電場作用下生成水樹枝，逐步導(dǎo)致電纜擊穿。

進(jìn)一步切開西側(cè)中間頭檢查發(fā)現(xiàn)，該電纜只有中間段500 m左右的電纜線芯進(jìn)水，由于電纜在中間接頭處鉗壓緊密，水蒸汽在該接頭處受阻，避免了水蒸氣進(jìn)一步擴(kuò)散至該電纜的其他兩段。為滿足企業(yè)生產(chǎn)需要，需盡快對進(jìn)水電纜進(jìn)行干燥處理。

3 處理方案與過程

首先應(yīng)清除電纜線芯中的水分，再進(jìn)行中間接頭施工。為提高故障處理效率和質(zhì)量，采用抽真空和充氮?dú)庵脫Q相結(jié)合的方法去除故障電纜線芯中的水分，具體方案如圖1所示。開斷電纜東側(cè)中間接頭，端部用帶氣嘴的熱塑性封頭帽密封，并用膠帶、鋼絲扎緊固定；用干燥氮?dú)馔ㄟ^東側(cè)氣嘴對電纜充氣，氮?dú)鈮毫又?.1～0.15 MPa后封閉該側(cè)氣嘴；使用真空泵在西側(cè)進(jìn)行抽真空，0 ℃時(shí)水的飽和蒸汽壓大約0.6個大氣壓，所以真空度控制在-40～50 kPa以保證水分充分氣化；上述過程每小時(shí)循環(huán)一次。抽出的氣體主要成分是氮?dú)?，使用DIL0 3-031-R002六氟化硫露點(diǎn)分析儀對其進(jìn)行含水量檢測，至2次抽樣氣體的含水量不下降為處理合格。電纜芯線內(nèi)部干燥處理工作原理圖如圖2所示。

1月31日16時(shí)起開始進(jìn)行抽真空充氮?dú)庋h(huán)，初測液氮瓶出口氮?dú)饴饵c(diǎn)為-41 ℃，對應(yīng)含水量約100 ppm。由于天氣寒冷，除水工作不能24 h進(jìn)行。24 h后，測真空泵排出的氣體露點(diǎn)為1 ℃。繼續(xù)除水約72 h后，測真空泵排出的氣體露點(diǎn)為-20 ℃，對應(yīng)含水量約1 000 ppm，并且不再下降。

由于現(xiàn)場充氣、抽真空及采樣環(huán)節(jié)均未存在漏氣問題，電纜線芯已達(dá)到甚至超過施工現(xiàn)場能夠保證的干燥效果，可進(jìn)行電纜中間接頭作業(yè)。

2月6日進(jìn)行電纜中間接頭制作和試驗(yàn)，2月13日完成中間接頭制作，2月14日中午離子膜I線電纜進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格且送電成功，該電纜運(yùn)行至今約64個月未發(fā)生事故。

通過本次電纜進(jìn)水處理，修復(fù)電纜約400 m，節(jié)約資金約320萬元，提前兩個月恢復(fù)廠區(qū)供電。同時(shí)明確了電纜故障進(jìn)水的故障機(jī)理，掌握了電纜線芯進(jìn)水的清除方法和判據(jù)。

4 結(jié)論與建議

電力電纜是石化、工礦企業(yè)供電線路的主要形式，其故障修復(fù)周期長，影響廠礦的安全生產(chǎn)。電纜進(jìn)水或受潮后，對其機(jī)械性能和電氣性能都會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至影響整個電力系統(tǒng)的安全可靠。通過本次電纜線芯進(jìn)水處理，可得出以下結(jié)論：

（1）電力電纜線芯進(jìn)水后須進(jìn)行除水處理，避免電場作用下水樹枝的生成和發(fā)展，損壞電纜主絕緣。

（2）抽真空充氮方法可以有效去除電纜內(nèi)部水分，本次處理提供了詳細(xì)方案和數(shù)據(jù)，可以為類似的工作提供參考。

電纜進(jìn)水故障的迅速排除，為保障可靠供電提供條件。針對電纜的進(jìn)水預(yù)防給出如下建議[10]：

（1）電纜出廠前應(yīng)做防水處理，充分密封電纜熱縮頭。

（2）電纜牽引頭應(yīng)采用鉛封結(jié)構(gòu)，有利于電纜端頭受力均勻，避免熱縮頭受力破損或脫落。

（3）要采用電纜敷設(shè)架托起電纜，避免電纜直接在地面上拖行。

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