王文珍,王志堅
(山西省電力公司電力建設(shè)四公司,山西 太原 030012)
魯能白云風(fēng)電一、二期工程由山西省電力公司電力建設(shè)四公司(以下簡稱“電建四公司”)負責(zé)施工。一期工程于2009年5月全部實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電,二期工程已有13臺風(fēng)機投入運行。在一年多的運行過程中,發(fā)現(xiàn)陸續(xù)有35 kV高壓電纜頭單相短路故障及絕緣降低現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了風(fēng)機的正常運行。據(jù)調(diào)查了解,烏拉特中旗風(fēng)電廠也有類似現(xiàn)象發(fā)生。35 kV電纜作為風(fēng)電機組輸電的唯一通道,其重要性不言而喻。在國家大力提倡節(jié)能環(huán)保能源,風(fēng)電機組逐漸有大規(guī)模發(fā)展趨勢的今天,認真查找35 kV高壓電纜頭故障及絕緣降低原因,采取糾正措施,避免此類故障的再次發(fā)生,有著特殊重要的意義。
故障現(xiàn)象有風(fēng)電場室外電纜外護層與鎧甲脫開、箱變內(nèi)電纜外護層與鎧甲脫開、屏蔽層斷口處熔芯擊穿等。
白云風(fēng)電35 kV電纜型號為YJY23-26/35 kV,電纜頭附件均采用高壓熱縮技術(shù)。
高壓電纜每一相線芯外均有一接地的(銅)屏蔽層,導(dǎo)體的屏蔽層之間形成徑向分布的電場。也就是說,正常電纜線芯與屏蔽層的電場只有從(銅)導(dǎo)線沿半徑向(銅) 屏蔽層的電力線,沒有芯線軸向的電場(電力線),電場分布是均勻的,如圖1所示。
圖1 電纜組成結(jié)構(gòu)
電纜附件的絕緣性能應(yīng)不低于電纜本體,所用絕緣材料的介質(zhì)損耗要低,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)對電纜附件中電場的突變能完善處理,有改變電場分布的措施。
在做電纜頭時,剝?nèi)テ帘螌?,改變了電纜原有的電場分布,將產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場(沿導(dǎo)線軸向的電力線)。剝?nèi)テ帘螌有揪€的電力線向屏蔽層斷口處集中,那么在屏蔽層斷口處就是電纜最容易擊穿的部位。
在電纜最容易擊穿的屏蔽層斷口處,為了分散集中的電力線(電應(yīng)力),采用了介電常數(shù)為20~30、體積電阻率為108~1 012Ω·cm的材料制作的電應(yīng)力控制管(簡稱應(yīng)力管),套在屏蔽層斷口處,以分散斷口處的電場應(yīng)力(電力線),保證電纜能可靠運行,如圖2所示。
圖2 屏蔽層斷口處電場分布(裝應(yīng)力管后)
若晝夜溫差大(最高溫度30℃以上,最低溫度-45℃),熱脹冷縮作用頻繁,易造成電纜外護套與熱縮根部脫開,固體絕緣介質(zhì)表面吸附潮氣,產(chǎn)生較大的介質(zhì)表面電導(dǎo),從而形成電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。白云風(fēng)電大部分電纜擊穿發(fā)生在如圖3所示屏蔽斷口的部位,充分證明了如果電纜頭附件不能發(fā)揮應(yīng)有的改善斷口處電場分布的作用,其后果是極其嚴(yán)重的。
從以上分析可以看出,使用熱脹冷縮適應(yīng)性好的合格電纜、出廠及現(xiàn)場檢驗合格的熱縮材料,以及采用經(jīng)過工藝評定合格的電纜頭附件制作安裝程序,是確保35 kV高壓電纜運行質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以下重點對保證35 kV高壓電纜頭施工質(zhì)量進行對策分析。
要使電纜可靠運行,電纜頭制作中應(yīng)力管非常重要,而應(yīng)力管是在不破壞主絕緣層的基礎(chǔ)上,才能達到分散電應(yīng)力的效果。在電纜本體中,芯線外表面不可能是標(biāo)準(zhǔn)圓,芯線對屏蔽層的距離會不相等,根據(jù)電場原理,電場強度也會有大小,這對電纜絕緣也是不利的。為盡量使電纜內(nèi)部電場均勻,芯線外有一外表面圓形的半導(dǎo)體層,使主絕緣層的厚度基本相等,達到電場均勻分布的目的。在主絕緣層外,銅屏蔽層內(nèi)的外半導(dǎo)體層,同樣也是為消除銅屏蔽層不平、防止電場不均勻而設(shè)置的,如圖3所示。
圖3 安裝半導(dǎo)體管尺寸(mm)
為了盡量使電纜在屏蔽層斷口處電場應(yīng)力分散,應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長度要求不小于20 mm,短了會使應(yīng)力管的接觸面不足,應(yīng)力管上的電力線會傳導(dǎo)不足(因為應(yīng)力管長度是一定的),長了會使電場分散區(qū)(段)減小,電場分散不足。所以一般控制在20~25 mm左右。以下為35 kV高壓電纜頭制作一般步驟。
a)剝?nèi)プo套。用電纜夾將電纜垂直固定,對戶內(nèi)終端量取760 mm(這個數(shù)字不確定,視現(xiàn)場具體情況而定),剝?nèi)ネ庾o套。
b)剝鎧裝。由外護套斷口量取30 mm鎧裝,綁扎線,其余剝除。
c)剝內(nèi)墊層。在鎧裝斷口處保留20 mm內(nèi)墊層,其余剝除。
d)分芯線。摘去填充物,分開芯線。
e)焊接地線。打光鎧裝上接地線焊接區(qū),用地線連通每相銅屏蔽層和鎧裝,并焊牢。
f)包繞填充膠。在三叉根部包繞填充膠,形似橄欖狀,最大直徑大于電纜外徑約15 mm。
g)固定手套。將手套套入三叉根部,由手指根部依次向兩端加熱固定。
h)剝銅屏蔽層。由手套指端量取55 mm銅屏蔽層,其余剝除,保留20 mm半導(dǎo)體層,其余剝除。清理絕緣表面。
i)固定應(yīng)力管。搭接應(yīng)力管20 mm,加熱固定應(yīng)力管。
j)壓接線端子。按端子孔深加5 mm剝?nèi)ゾ€芯絕緣,端部削成“鉛筆頭”狀。壓接端子,在“鉛筆頭”處包繞填充膠,并搭接端子10 mm。
k)固定絕緣管。套入絕緣管至三根部(管上端超出填充膠10 mm),由上端起加熱固定。再將相色管套在密封附管上,加熱固定。
保證h)和i)步驟施工質(zhì)量,在剝切銅屏蔽層時不傷害電纜主絕緣,會改善屏蔽層斷口處電場分布,加強對電纜薄弱環(huán)節(jié)保護,成為避免在屏蔽層斷口處發(fā)生短路故障的有效措施。
a)在剝外護套時,為防止鋼甲松散,應(yīng)先在鋼甲切斷處內(nèi)側(cè)把外護層剝?nèi)ヒ蝗Γㄍ鈧?cè)留下),用銅絲綁緊鋼甲并焊妥鋼甲接地線。
b)在鋸鋼甲時,在卡子邊緣(無卡子時為銅絲邊緣)要順鋼甲包緊方向鋸一環(huán)形深痕(不能鋸斷第二層鋼甲,否則會傷到電纜),用一字螺絲刀撬起(鋼甲邊斷開),再用鉗子拉下并轉(zhuǎn)松鋼甲,脫出鋼甲帶,處理好鋸斷處的毛刺。整個過程都要順鋼甲包緊方向,不能把電纜上的鋼甲搞松。
c)剝內(nèi)護絕緣層時,要注意保護好色相標(biāo)識線,保證銅屏蔽層與鋼甲之間的絕緣。
d)焊接屏蔽層接地線時,要把內(nèi)護層外側(cè)的銅屏蔽層銅帶上的氧化物去掉,涂上焊錫。把附件的接地扁銅線(分成三股)在涂上焊錫的銅屏蔽層上綁緊,處理好綁線的頭,再用焊錫與銅屏蔽層焊住線頭。外護套防潮段表面一圈要用砂皮打毛,涂密封膠,以防止水滲進電纜頭。屏蔽層與鋼甲兩接地線要求分開時,屏蔽層接地線要做好絕緣處理,如圖4所示。
圖4 電纜頭屏蔽層絕緣(mm)
e)銅屏蔽層處理時在電纜芯線分叉處做好色相標(biāo)記,按電纜附件說明書,正確測量好銅屏蔽層切斷處位置,用焊錫焊牢(防止銅屏蔽層松開),在切斷處內(nèi)側(cè)用銅絲扎緊,順銅帶扎緊方向沿銅絲用刀劃一淺痕(注意不能劃破半導(dǎo)體層),慢慢將銅屏蔽帶撕下,最后順銅帶扎緊方向解掉銅絲。
f)剝半導(dǎo)電層時,在離銅帶斷口10 mm處為半導(dǎo)電層斷口,斷口內(nèi)側(cè)包一圈膠帶作標(biāo)記。
對于可剝離型,在預(yù)定的半導(dǎo)電層剝切處(膠帶外側(cè)),用刀劃一環(huán)痕,從環(huán)痕向末端劃兩條豎痕,間距約10 mm。然后將這些條形半導(dǎo)電層從末端向環(huán)形痕方向撕下(不能拉起環(huán)痕內(nèi)側(cè)的半導(dǎo)電層),用刀劃痕時不應(yīng)損傷絕緣層,半導(dǎo)電層斷口應(yīng)整齊。檢查主絕緣層表面有無刀痕和殘留的半導(dǎo)電材料,如有應(yīng)清理干凈。對不可剝離型,從芯線末端開始用玻璃刮掉半導(dǎo)電層(也可用專用刀具),在斷口處刮一斜坡,斷口要整齊,主絕緣層表面不應(yīng)留半導(dǎo)電材料,且表面應(yīng)光滑。
g)清潔主絕緣層表面時,要用不掉毛的浸有清潔劑的細布或紙擦凈主絕緣表面的污物,清潔時只允許從絕緣端向半導(dǎo)體層,不允許反復(fù)擦,以免將半導(dǎo)電物質(zhì)帶到主絕緣層表面。
h)安裝半導(dǎo)電管時,半導(dǎo)電管在三根芯線與分叉處的距離應(yīng)盡量相等。一般要求離分支手套50 mm,半導(dǎo)電管要套住銅帶不小于20 mm,外半導(dǎo)電層已留出20 mm,在半導(dǎo)電層斷口兩側(cè)要涂應(yīng)力疏散膠(外側(cè)主絕緣層上15 mm長),主絕緣表面涂硅脂。半導(dǎo)電管熱縮時應(yīng)注意:銅帶不松動,表面要干凈(原焊錫要焊牢),半導(dǎo)電管內(nèi)不能有一點空氣,如圖3所示。
i)安裝分支手套時,在內(nèi)絕緣層和鋼甲這段用填料包平,在手指口和外護層防潮處涂上密封膠,分支手套小心套入(做好色相標(biāo)記),熱縮分支手套,電纜分支中間盡量少縮(此處最容易使分支手套破裂),涂密封膠的4個端口要縮緊,如圖5所示。
圖5 安裝分支手套
j)安裝絕緣套管和接線端子時,要測量好電纜固定位置和各相引線所需長度,鋸掉多余的引線。測量接線端子壓接芯線的長度,按尺寸剝?nèi)ブ鹘^緣層(稍有錐度),芯線上涂點導(dǎo)電膏或硅脂,壓接線端子(要對好接線螺絲穿孔的方向)。處理掉壓接處的毛刺,接線端子與主絕緣層之間用填料包平(壓接痕也要包平),套絕緣熱縮管(套住分支手套的手指),在接線端子上涂密封膠,最后一根絕緣熱縮套管要套住接線端子(除接觸面以外部分),絕緣套管都要上面一根壓住下面一根。最后套色相管(戶外式套雨裙)。
a)預(yù)制式附件。預(yù)制式附件所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠,主要采用幾何結(jié)構(gòu)法即應(yīng)力錐來處理應(yīng)力集中問題。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在安裝簡便快捷,無需加熱即可安裝,且彈性好,使得界面性能得到較大改善,是近年來中低壓以及高壓電纜采用的主要形式。其缺點是對電纜的絕緣層外徑尺寸要求高,通常的過盈量在2~5 mm(即電纜絕緣外徑要大于電纜附件的內(nèi)孔直徑2~5 mm)。過盈量過小,電纜附件將出現(xiàn)故障;過盈量過大,電纜附件安裝非常困難(工藝要求高)。特別在中間接頭上問題突出,安裝既不方便,又常常成為故障點,而且價格較貴。
使用預(yù)制式附件的關(guān)鍵技術(shù)是附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合必須符合規(guī)定的要求,且需采用硅脂潤滑界面,以便于安裝,同時填充界面的氣隙。預(yù)制附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定的密封作用,有時可采用密封膠及彈性夾具增強密封。
b)冷縮式附件。冷縮式附件所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠,一般采用幾何結(jié)構(gòu)法與參數(shù)控制法來處理電應(yīng)力集中問題,幾何結(jié)構(gòu)法即采用應(yīng)力錐緩解電場集中分布的方式,優(yōu)于參數(shù)控制法的產(chǎn)品。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在:材料性能優(yōu)良、無需加熱即可安裝,彈性好,使得界面性能得到較大改善。與預(yù)制式附件相比,這種附件安裝起來更為方便,只需在正確位置上抽出電纜附件內(nèi)襯芯管即可安裝完工。所使用的材料從機械強度上說比預(yù)制式附件更好,對電纜的絕緣層外徑尺寸要求也不是很高,只要電纜附件的內(nèi)徑小于電纜絕緣外徑2 mm就完全能夠滿足要求。因此冷縮式附件施工安裝比較方便,且其價格與預(yù)制式附件相當(dāng),比熱收縮附件略高,是性價比最合理的產(chǎn)品。
冷縮式附件產(chǎn)品根據(jù)擴張狀況還可分為工廠擴張式和現(xiàn)場擴張式兩種,一般35 kV及以下電壓等級的冷縮式附件多采用工廠擴張式,其有效安裝期在6個月內(nèi),最長安裝期限不得超過兩年,否則電纜附件的使用壽命將受到影響。66 kV及以上電壓等級的冷縮式附件則多為現(xiàn)場擴張式,安裝期限不受限制,但需采用專用工具進行安裝,專用工具一般附件制造廠均能提供,安裝十分方便,且質(zhì)量可靠。
35 kV電纜作為風(fēng)電機組輸電的唯一主通道,其電纜頭質(zhì)量的好壞關(guān)系到風(fēng)機的正常穩(wěn)定運行,從而也關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展前景。保證電纜及熱縮附件質(zhì)量、控制施工安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),加強改善電纜頭電場應(yīng)力分布,采用預(yù)制式、冷縮式電纜附件新材料、新技術(shù),就可以減少電纜故障,保證電纜運行的安全可靠。
[1] 王琦.電纜頭附件性能及原理技術(shù)分析[J].魅力中國,2010(24):151-155.