風電場高壓電纜故障原因分析及應(yīng)對措施

呂紅志 王洪陽 詹偉 何俊杰 鄒貽超

【摘 要】四川風電場陸續(xù)投產(chǎn)，風機箱變高壓側(cè)出線電纜由于施工質(zhì)量造成的電纜頭爆炸短路、村民耕地、修路挖斷造成緊急停運等事故，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來較大隱患。文中主要針對德昌風力發(fā)電場一至五期工程建設(shè)中未能有效的對施工單位在高壓電纜選型、運輸、臨時存儲、電纜頭制作等環(huán)節(jié)實施監(jiān)管而為后期運行維護帶來嚴重困難的問題進行探討。最后，提出了施工期間更為科學有效的管理措施與監(jiān)管辦法。

【關(guān)鍵詞】導電線芯；絕緣介質(zhì)；電纜屏蔽；電纜護層；電纜安裝與施工

一、高壓電力電纜結(jié)構(gòu)

要全面地分析電纜發(fā)生故障的原因并準確地找到故障點，我們需要了解電纜的結(jié)構(gòu)型式，掌握電纜各組成部分材料的選擇，并認識各組成部分在電纜中的用途。

（一）電纜基本結(jié)構(gòu)

所有的高壓電纜的結(jié)構(gòu)基本一樣，均是由電纜保護層、屏蔽層、絕緣介質(zhì)層及電纜芯四個部分構(gòu)成。

1.導電線芯。

作為傳遞電流的工具，電力電纜導線會存在一定的損耗，損耗的大小由導體的導電系數(shù)及截面積來決定。目前主要應(yīng)用的材料為銅、鋁，銅易焊接、導電性能強、機械強度也較高，是當前采用最為廣泛的電纜芯材料，鋁的導電系數(shù)比銅要低一些，但鋁資源豐富、價格低、質(zhì)量小、加工方便等優(yōu)點。多用于長距離傳輸，如架空線路等。

2.絕緣介質(zhì)層。

電纜絕緣介質(zhì)層最主要的作用是保證導電線芯對電纜各層間的絕緣，同時還起到保護電纜線芯免受機械、電場等外部環(huán)境的傷害。

3.電纜屏蔽層。

電壓電力電纜的線芯一般由多根導線絞合而成，這在線芯表面與絕緣層間就容易形成較多的間隙。由于間隙的存在，對電纜的性能影響極大，可降低電纜的游離特性和擊穿強度等。因此，在電纜絕緣層的內(nèi)側(cè)和外側(cè)均設(shè)備了屏蔽層，把間隙屏蔽在電場之外。通過采用一些半導體的導電材料使得電纜中的電場更加均勻。在電纜進行現(xiàn)場交流耐壓試驗及投入系統(tǒng)運行前，電纜兩側(cè)的屏蔽層必須可靠接地，防止電纜對地懸浮電位的產(chǎn)生，導致試驗電壓對電纜的擊穿。

4.電纜護層。

由于電纜是鋪設(shè)在一些復雜的環(huán)境中，因此需要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行保護，用一層保護層來實現(xiàn)。從而在電纜的施工和安裝及長期運行中保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受到外界的破壞。按保護材料可分為兩大類，第一類是金屬材料如銅、鋁、鋼等，第二類是非金屬材料，如纖維制品，塑料和涂料等，主要是防水和防腐蝕。

二、高壓電纜故障原因分析

電力電纜從生產(chǎn)，運輸、施工到投入運行，每個過程都環(huán)環(huán)相扣，聯(lián)系緊密。任何封環(huán)節(jié)的疏漏，都將會埋下電纜最終運行故障的隱患。分析歸納電纜故障的原因和特點，主要有：1、外界環(huán)境中的一些破壞，如一些違規(guī)施工而造成電纜的破壞；2、電纜敷設(shè)的時候沒有按照規(guī)則來進行合理的敷設(shè)；3、電纜出廠存在質(zhì)量問題。

據(jù)統(tǒng)計分析，電纜投運前5年內(nèi)發(fā)生故障原因，多數(shù)因電纜施工或電纜質(zhì)量導致。5至25年為電纜運行穩(wěn)定期，運行25年后由于電纜附件的老化導致的故障占到80%。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，在所有的電纜故障中，外力破壞造成的故障點據(jù)了58%。施工導致的故障占12%，附件質(zhì)量帶來的故障占27%，本體的質(zhì)量問題占3%。表現(xiàn)如下：

1、外力破壞

德昌安臨河峽谷風電場布機均沿河道兩側(cè)展開，箱變高壓電纜出線很大部分沿農(nóng)田地下敷設(shè)或穿越基耕道后上架空線。建設(shè)過程中，施工單位存在不足的方面主要有：不按設(shè)計要求安裝、敷設(shè)電纜；開挖電纜溝深度、寬度不夠；直接將電纜敷設(shè)在溝道內(nèi)，電纜全程不作任何安全防護措施；表層未設(shè)立明顯的警示標志等。這些施工行為都導致在外力作用下極易造成電纜事故。村民的不當行為主要有：

（1）由于村民安全意識不足，對電纜敷設(shè)詳細位置不清楚，每年春耕秋收時農(nóng)機反復碾壓造成電纜事故；

（2）由于村民修橋擴路不作任何堪測，隨意開挖造成電纜破壞、短路事故；

就電纜的破壞原因可以總結(jié)如下：第一，工程管理部站的監(jiān)管不力，沒有責任感；第二，監(jiān)理施工驗收走過場，對工程質(zhì)量及業(yè)主單位不負責；第三，施工信息沒有及時與當?shù)卣蚕?，未及時組織當?shù)卮迕耖_展安全培訓、危險點告知。

2、電纜安裝、施工質(zhì)量及運行環(huán)境影響

根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計分析大約有12%的10kV以上的電纜由于施工和安裝的不當而造成的電纜事故。由于電纜在敷設(shè)的時候沒有按照規(guī)定以及合理的考察施工的條件而隨意的進行敷設(shè)，造成了電纜的壽命縮短為原來的25%，原因如下：

（1）電纜的接頭設(shè)置不當。要合理的設(shè)備電纜的中間接頭，比如，在很近距離就設(shè)備兩個以上班的接頭就以屬于違規(guī)設(shè)備；

（2）導體的連接管接觸不良。制作電纜的過程中，導線壓接的質(zhì)量沒有保證，會導致接頭處的電阻過大，加大發(fā)熱量會導致絕緣熱脹冷縮，使得絕緣層的老化擊穿加快，出現(xiàn)接地短路事故；其次，由于兩段電纜之間的連接沒有進行很好的處理，存在一些尖角和毛刺等；

（3）電力電纜的終端接頭部位制作質(zhì)量不合格。將半導體剝開時，內(nèi)絕緣的表面容易被損壞，而且會在上面留下雜質(zhì)，有時候由于施工的時候沒有很好的處理半導層的爬電距離，在今后的運行過程中，很容易發(fā)生介質(zhì)游離等；

（4）電纜的終端接地電阻沒有控制好。電纜的金屬屏蔽層需要有效接地，施工過程中往往麻痹大意造成接地不良使接地電阻過大，一旦金屬屏蔽層上感應(yīng)到一個高電壓，使得絕緣的老化加速；

（5）中間接頭沒有良好的密封。作電纜接頭時沒有嚴格按照工藝要求執(zhí)行，造成接口的密封不嚴，會導致水分等入侵，產(chǎn)生水樹，使得絕緣劣化；

（6）制作環(huán)境濕度大。電纜的安裝環(huán)境如果濕度較大，容易造成局部受潮，使得絕緣性能下降；

（7）電纜外護層破損。由于施工單位電纜敷設(shè)隊伍中絕大部份人員為當?shù)剞r(nóng)民工，對施工工序與要求根本不清楚，經(jīng)常野蠻施工造成電纜外護層變形、裂口后僅采用自粘帶包扎處理后繼續(xù)使用，對于造成裂口的電纜金屬外殼會長期形成環(huán)流，環(huán)流會造成金屬護套發(fā)熱，使得電纜傳輸功率降低，外殼的損壞使得外界水分和腐蝕氣體進入絕緣層，加速絕緣老化；

（8）由于峽谷風電場風速變化較大，使得風機出力不穩(wěn)定，造成電纜的發(fā)熱量也不斷的變化，使電纜不停的熱脹冷縮，但電纜的附件不能夠發(fā)生熱脹冷縮，這樣就導致密封失效，出現(xiàn)一種類似呼吸的效應(yīng)，使得空氣中的水分、雜質(zhì)滲入到電纜中，造成絕緣故障；

施工上導致的事故是完全可避免的，如果施工過程中嚴格按照施工規(guī)范進行電纜敷設(shè)，并注意敷設(shè)環(huán)境條件就可以有效的避免施工帶來的電纜事故。

3、電纜本身質(zhì)量問題

由電纜本體質(zhì)量問題導致電纜故障占比較少，但也不能忽略，由于電纜的質(zhì)量問題導致電纜進水、受潮造成絕緣下降，以至發(fā)生擊穿事故也時有發(fā)生。由于目前國內(nèi)生產(chǎn)電纜的廠家很多，質(zhì)量參差不齊，因此施單位在選擇廠家時要對電纜的質(zhì)量進行嚴格把控。

4、長期運行造成的絕緣問題

一般電纜經(jīng)過長期運行后，易出現(xiàn)絕緣故障，由于電纜的外殼是由一些金屬和橡膠構(gòu)成，長期的運行中會導致絕緣的老化和電老化現(xiàn)象。由于介質(zhì)長期受到高壓的作，從而不斷的產(chǎn)生游離使得絕緣性能下降。絕緣介質(zhì)電離時，產(chǎn)生一些化學氣體，這些化學氣體具有腐蝕性；絕緣層中存在的水分也導致橡膠發(fā)生水解，使絕緣性能下降。

三、應(yīng)對措施

1、加強源頭管理。業(yè)主單位、總承包單位必須加強對電纜設(shè)計施工方案的評審，確保施工方案與現(xiàn)場實際情況相符。

2、加強產(chǎn)品質(zhì)量管控。業(yè)主單位、總承包單位必須加強對施工單位采購的電纜組織專項驗收，確保電纜產(chǎn)品滿足現(xiàn)場施工要求。

3、加強施工過程監(jiān)管。監(jiān)理、總承包應(yīng)制定切實可行的管理制度，監(jiān)理單位安排專人執(zhí)行旁站管理制度，總承包單位設(shè)立專人開展不定期抽查制度，確保對各個環(huán)節(jié)進行有效管控。

4、強化考核管理制度。監(jiān)理、總承包嚴格執(zhí)行對電纜施工中的違章行為進行懲罰。

5、強化施工單位責任落實。

（1）對施工單位電纜施工管理上實行從領(lǐng)導到基層人員層層落實崗位負責制度。

（2）施工班組負責編制危險點辨識和控制方案，在電纜施工的危險點位置指定專人監(jiān)護，定時定點進行檢查。

（3）提高電纜敷設(shè)安裝質(zhì)量。鋪設(shè)電纜的時候要做好施工組織的設(shè)計，對施工人員進行必要的培訓，要做好技術(shù)交底，盡量用用先進的鋪設(shè)方法。

（4）電纜頭制作。必須要求具有相關(guān)資格的人員來進行電纜接頭的制作，對該類人才要進行培訓上崗。

（5）電纜的接口要盡可能的少，一般情況下要盡量將接頭位置在一些隧道和槽架中，從而有效的保護接頭。

（6）施工中要小心處理半導體、屏蔽層和保護套的剝削工作，要對絕緣的表面細致的打磨，消除所有的毛刺，以及將絕緣層中的灰塵和微粒清除干凈。

（7）電纜施工完成后應(yīng)及時復耕，標明電纜位置與走向，同時，及時將現(xiàn)場信息與當?shù)卣蚕怼?/p>

除了上述要求之外，還需對技術(shù)人員的操作進行嚴格的規(guī)定和控制，要求他們按照規(guī)定進行操作，從而使得電纜的中間接頭質(zhì)量得到保證。由于電纜的接頭在制作過程中都是在現(xiàn)場完成，因此需要選擇合適的時間和地點來進行電纜頭的操作，要求在一個合適的濕度、濕度甚至要求周圍的灰塵以及工人的汗液等不良影響因素，盡可能的消除外界環(huán)境造成的影響。