高壓交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)水問題處理方法的探究

顧 青

(無錫供電公司，江蘇無錫214061)

0 引言

2006年，在一次強(qiáng)臺風(fēng)暴雨襲擊下，正在施工的一條220 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜線路的工井大量進(jìn)水，施工單位對現(xiàn)場采取強(qiáng)排水措施搶救后，檢查發(fā)現(xiàn)該線路第一段電纜C相的封帽由于受到機(jī)械應(yīng)力影響，發(fā)生松動，導(dǎo)致該電纜在雨水淹沒下進(jìn)水受潮，因此必須對其進(jìn)行處理，確保不對以后電纜運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。筆者作為該電纜進(jìn)水處理小組的主要負(fù)責(zé)人，對一系列實(shí)踐、研究過程進(jìn)行整理后，對高壓XLPE電纜進(jìn)水處理進(jìn)行探討總結(jié)。

1 高壓XLPE電纜線芯進(jìn)水受潮的原因及危害

1.1 高壓XLPE電纜線芯進(jìn)水受潮的原因分析

經(jīng)過多年的電纜施工管理實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)造成XLPE電纜進(jìn)水的原因主要有以下幾種情況:

(1)新采購的整盤電纜在出廠時，封鉛(或熱縮密封套)密封質(zhì)量不高;施工現(xiàn)場切斷電纜后封鉛密封質(zhì)量不高;密封后由于電纜搬動、移動造成封鉛松動或破裂，引起密封不好。

(2)電纜敷設(shè)時，需要經(jīng)常穿越道路、橋梁和涵洞等，由于天氣或其他原因，電纜溝內(nèi)也時常積聚了許多水，敷設(shè)過程中，不可避免地會出現(xiàn)電纜頭浸在水中的情況，因電纜頭密封不嚴(yán)或破損而導(dǎo)致電纜進(jìn)水;另外在牽引和穿管時，偶爾也會發(fā)生外護(hù)套甚至鋁護(hù)套被刮壞現(xiàn)象。

(3)電纜頭制作時，間歇時間一般只作臨時密封措施，遇到惡劣氣候，防護(hù)措施不力的情況下容易受到雨水侵襲，使電纜進(jìn)水，如前文提到的220 kV電纜進(jìn)水事故便為典型案例。

(4)在電纜正常運(yùn)行中，如果因某種原因(如外力破壞)發(fā)生擊穿等故障時，電纜溝中的積水便會沿著故障點(diǎn)進(jìn)入電纜內(nèi)部;在土建施工中，尤其是在使用大型建筑機(jī)械的建筑工地，因各種人為因素而引起的電纜破損或擊穿事故，可以說屢見不鮮。當(dāng)發(fā)生此類事故時，電纜絕緣遭嚴(yán)重破壞，也可能造成電纜進(jìn)水。

1.2 高壓XLPE電纜線芯進(jìn)水受潮的危害

高壓XLPE電纜一旦進(jìn)水，對于高聚物材料的主絕緣來說，在強(qiáng)電場的作用下，容易產(chǎn)生水解，降低材料的強(qiáng)度和柔軟性，水份被高聚物吸附、吸收并擴(kuò)散，可使電性能嚴(yán)重惡化，表面電阻、體積電阻和擊穿場強(qiáng)下降，電容和介質(zhì)損耗角正切增加;另外電纜進(jìn)水后，會使主絕緣在比產(chǎn)生電樹枝低得多的電場強(qiáng)度下便引發(fā)樹枝狀物——水樹枝，而且在溫度、濕度、電壓越高，水中所含離子越多的情況下，水樹枝發(fā)展得越快。水樹枝會逐漸地向絕緣內(nèi)部伸展，加速主絕緣老化，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短，甚至?xí)闺娎|在短期內(nèi)被擊穿。

2 高壓XLPE電纜進(jìn)水受潮處理方法研究

解決XLPE電纜進(jìn)水問題的關(guān)鍵就是恢復(fù)進(jìn)水電纜的干燥度，最根本的目標(biāo)就是要降低電纜中水份的含量，而降低一定空間中水分子的含量有兩種途徑:一是擴(kuò)大水分子所在的空間，這對于已經(jīng)成型的電纜來說是不現(xiàn)實(shí)的;二是把高壓XLPE電纜中的水分子轉(zhuǎn)移出來，從而直接減少電纜中水分子的含量。因此應(yīng)將途徑二作為突破口。

在此基礎(chǔ)上，對日常的水分抽取及沸騰蒸發(fā)等進(jìn)行了研究并得出:

(1)高壓XLPE電纜進(jìn)水受潮較為嚴(yán)重時，初始處理可以利用最簡單的抽水原理將線芯中的液態(tài)水直接抽出。

(2)利用高純氮?dú)饩哂懈稍锕δ艿脑?，將高純氮?dú)獬溥M(jìn)高壓XLPE電纜線芯中，對線芯起到干燥作用。

(3)根據(jù)克拉貝龍-克勞修斯方程在溫度變化不大時的計算公式

式中，T為溫度;P為壓力;ΔHm為摩爾汽化焓;R為常數(shù)。

若對上式進(jìn)行定積分，并設(shè)溫度變化范圍不大，可將ΔHm視為與溫度無關(guān)的常數(shù)，則積分結(jié)果為:

式中，P1、P2為不同狀態(tài)下的空氣壓力值;T1、T2為對應(yīng)P1、P2壓力值情況下的液態(tài)水沸點(diǎn);汽化焓ΔHm為4.07 ×104J·mol－1;R為8.134。

因此我們可以從標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的沸點(diǎn)求得另一壓力下水的沸點(diǎn)。

查閱有關(guān)資料得出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣壓力約為101.325 kPa，在該狀態(tài)下水的沸點(diǎn)是100℃，當(dāng)空氣壓力下降至3 kPa時，可求得液態(tài)水的沸點(diǎn)T2:

同理可計算得出當(dāng)空氣壓力下降至2 kPa及1 kPa時，液態(tài)水的沸點(diǎn)分別為15.56℃和4.464℃。

因此在對高壓XLPE電纜進(jìn)水受潮線芯進(jìn)行干燥處理時，可以根據(jù)電纜所處環(huán)境溫度使線芯中的空氣壓力下降至電纜線芯中的液態(tài)水在自然溫度下沸騰蒸發(fā)，從而只要將其與抽水原理結(jié)合便可輕易將線芯中的水蒸氣抽出，從而達(dá)到減少進(jìn)水電纜線芯中水分子含量的目的。

(4)可以利用微水儀對從進(jìn)水電纜中抽出的氣體進(jìn)行含水量分析，因為此時從線芯中抽出氣體的含水量可以等同于經(jīng)過處理后的線芯含水量。

在以上幾點(diǎn)原理的指導(dǎo)下，結(jié)合以往電纜行業(yè)中對充油電纜進(jìn)水干燥處理的經(jīng)驗，提出如下的處理方法。

首先利用真空泵將其線芯中的液態(tài)水直接抽出;接著對進(jìn)水電纜兩端進(jìn)行密封，然后根據(jù)周圍環(huán)境溫度情況進(jìn)行抽真空，使進(jìn)水電纜線芯中的空氣壓力下降至電纜線芯中液態(tài)水在所處環(huán)境自然溫度便能沸騰的水平，確保進(jìn)水電纜中的剩余水份沸騰蒸發(fā)，然后在真空泵的抽動下移至電纜外接的儲氣罐(便于下一步利用微水儀對其含水量進(jìn)行分析);緊跟著從電纜的未進(jìn)水端向進(jìn)水電纜充高純氮?dú)?，使其對電纜中的水蒸氣進(jìn)行干燥處理，經(jīng)過一定時間的穩(wěn)定干燥后，再次通過真空泵將電纜中的水蒸氣抽出，然后持續(xù)循環(huán)一段時間，直到電纜的干燥度提高至運(yùn)行要求的水平。

3 高壓XLPE電纜線芯干燥度投運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的探討

利用以上方法對進(jìn)水電纜進(jìn)行處理后，到底電纜線芯的干燥度達(dá)到什么水平才能滿足投運(yùn)要求呢?

經(jīng)查閱，至今尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)這方面的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，因此決定參考相關(guān)電氣設(shè)備在干燥處理方面的標(biāo)準(zhǔn)，并將其作為初步的處理目標(biāo)。通過查閱有關(guān)資料和向相關(guān)機(jī)構(gòu)咨詢，結(jié)合平時對GIS開關(guān)中的SF6干燥處理經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn):(1)利用SF6作為介質(zhì)且?guī)缁⊙b置的GIS開關(guān)在投運(yùn)前的安裝階段，一般要求含水量低于150 ppm，而在運(yùn)行階段一般要求其含水量低于250 ppm;(2)利用SF6作為介質(zhì)且不帶滅弧裝置的GIS桶體在投運(yùn)前的安裝階段，一般要求含水量低于250 ppm，而在運(yùn)行階段一般要求其含水量低于350ppm。

實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗告訴我們，GIS設(shè)備干燥水平要求應(yīng)當(dāng)高于電纜，于是我們初步將進(jìn)水電纜干燥處理的目標(biāo)定為250 ppm。

參照以往油浸電纜干燥處理的工作經(jīng)驗，根據(jù)前面提出的方法，我們截取了一段50 m長的廢舊高壓XLPE電纜，并對其進(jìn)行人為地灌水，使其線芯充分受潮和進(jìn)水，然后按照設(shè)計方法進(jìn)行處理，首先用真空泵將線芯中的液態(tài)水直接抽出，直到無液態(tài)水從線芯中流出，然后將線芯進(jìn)水電纜兩端密封，同時使其一端和高純氮?dú)膺B接，一端與真空泵相連接，然后對電纜線芯抽真空，并將抽出的氣體存儲在與進(jìn)水端連接的儲氣罐中，經(jīng)過一段時間的抽真空后，對儲氣罐中的氣體進(jìn)行含水量分析，然后根據(jù)儲氣罐中氣體含水量的大小，判斷線芯中含水量的高低，從而確定處理方法的有效性。

根據(jù)以上思路，我們將試驗過程中的記錄整理為表1。

表1 含水量測試表

然后將表1數(shù)據(jù)繪制成圖1。

圖1 含水量測試曲線

通過圖1可以看出，經(jīng)過連續(xù)48 h的干燥處理后，連接電纜進(jìn)水端處的儲氣罐中含水量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時我們也就將其相應(yīng)地認(rèn)為與電纜線芯中的干燥度處于同一狀態(tài)。因為開始對電纜線芯抽真空時，由于電纜線芯是絞合狀態(tài)，使得進(jìn)水電纜兩端的真空度不能持續(xù)穩(wěn)定在同一水平，而是離真空泵越遠(yuǎn)處真空度越低，這使得線芯中的水份不能充分沸騰蒸發(fā)，從而影響了電纜線芯中水份的減少。但是經(jīng)過48 h的抽真空后，進(jìn)水電纜線芯中的真空度已經(jīng)基本達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，即整根電纜線芯中的水份的沸騰蒸發(fā)速度達(dá)到同一水平，這就使得真空泵抽出后儲氣罐中氣體的含水量和線芯中的含水量達(dá)到同一狀態(tài)，因此說最后測量出的氣體的含水量可以當(dāng)作線芯中的含水量，即經(jīng)過該模型干燥處理后線芯的干燥度達(dá)到了421 ppm。

但是421 ppm與開始設(shè)定的初始目標(biāo)250 ppm還有一定的差距，究竟是處理方法不當(dāng)?還是因為電纜線芯中的含水量與變壓器、GIS設(shè)備等電氣裝置有所區(qū)別?為了進(jìn)一步找出這一問題的原因，我們對未進(jìn)水的電纜，充高純氮?dú)?原始干燥度低于50 ppm)取樣(不抽真空)，利用微水儀進(jìn)行含水量分析測試，得出圖2。

圖2 未進(jìn)水電纜線芯含水量測試分布圖

根據(jù)圖2可以看出未進(jìn)水電纜線芯的含水量保持在1500～1600 ppm之間。

經(jīng)過干燥處理后的電纜線芯干燥度雖然未能達(dá)到初定的目標(biāo)250 ppm，但是421 ppm已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未進(jìn)水電纜線芯的含水量1500 ppm，這就說明運(yùn)用筆者提出的方法進(jìn)行處理后的電纜干燥度已經(jīng)達(dá)到投運(yùn)要求。

4 處理因臺風(fēng)暴雨而進(jìn)水的220 kV電纜

在以上研究試驗的基礎(chǔ)上，我們對由于臺風(fēng)影響而進(jìn)水的220 kV電纜進(jìn)行干燥處理。按照設(shè)計的程序，連續(xù)48 h對進(jìn)水電纜進(jìn)行抽真空和充氮?dú)飧稍锾幚?，在這期間還分別對該電纜線芯進(jìn)行含水量測試，根據(jù)測量記錄繪制出圖3。

圖3 實(shí)際進(jìn)水電纜干燥處理變化曲線圖

分析圖3可以看出，XLPE電纜線芯的含水量從開始的液態(tài)水至進(jìn)入微水儀測量上限5000 ppm，再由測量上限不斷地下降，直至422 ppm，效果非常明顯，達(dá)到了我們提出的目標(biāo)。

為了進(jìn)一步確定經(jīng)過處理后電纜線芯的干燥度能否持續(xù)維持在422 ppm，我們先將用于抽真空和充氮?dú)庥玫拿芊饧斑B接用具保持在電纜上，使電纜處于正常密封狀態(tài)，并將其靜置24 h(觀測真空度是否下降)，然后再次利用微水儀每隔6 h對電纜線芯含水量進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)分別為422、423、421及422 ppm，趨勢穩(wěn)定。

為了更進(jìn)一步確證電纜是否干燥，分別截取了一段處理后的進(jìn)水電纜和完好的電纜，對其進(jìn)行解剖，手感上進(jìn)水電纜處理后的阻水帶和線芯隔離紙要比完好電纜的干燥，將截下的阻水帶和線芯隔離紙放入高溫油中，沒有發(fā)出任何響聲，也無水泡出現(xiàn)，因此從另外一個角度也證明了經(jīng)過干燥處理后的電纜符合投運(yùn)要求。

鑒于以上的研究過程，我們最終確定該進(jìn)水電纜可以投入運(yùn)行。

5 結(jié)束語

經(jīng)過干燥處理后的高壓XLPE電纜線路自投運(yùn)至今，線路運(yùn)行狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，因此該方法對于處理高壓XLPE電纜進(jìn)水受潮問題具有實(shí)際意義，值得在施工和運(yùn)行中應(yīng)用。

［1］李宗廷，王佩龍，等.電力電纜施工手冊［M］.北京:中國電力出版社，2002.

［2］Q/GDW 168—2008 輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程［S］.