內(nèi)置測(cè)溫光纖導(dǎo)致的高壓電纜本體故障解析

魏占朋，方 靜，林國(guó)洲，李 旭，陳云飛

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司，天津 300000；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300000）

0 引言

高壓交聯(lián)聚乙烯電纜因其良好的絕緣性能和穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)得到廣泛應(yīng)用，但近年來國(guó)內(nèi)外高壓電纜本體故障多有發(fā)生。故障電纜主要發(fā)生在2007 年后投運(yùn)的110 kV 和220 kV 電壓等級(jí)電纜，涉及國(guó)內(nèi)外多個(gè)生產(chǎn)廠家，在300～2 000 mm2截面電纜都有出現(xiàn)，與線路負(fù)荷大小無(wú)直接關(guān)系，故障情況較為復(fù)雜［1］，引起業(yè)界廣泛重視。

通過統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)所有故障電纜緩沖層的體積電阻率和表面電阻率均較大，且大于規(guī)定值。電纜緩沖層與鋁護(hù)套接觸電阻變大引起緩沖層燒蝕導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障［2-3］。生產(chǎn)工藝和儲(chǔ)存環(huán)境控制不嚴(yán)格，會(huì)使緩沖層受潮，將導(dǎo)致緩沖層內(nèi)膨脹粉析出形成白色粉末，白色粉末會(huì)增大接觸電阻，加速燒蝕。通過X 光成像檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)電纜緩沖層上析出的白色粉末［4-5］。通過軟件仿真可以發(fā)現(xiàn)，若緩沖層與鋁護(hù)套接觸不良，就會(huì)在接觸面附近產(chǎn)生較大的電場(chǎng)，氣隙的大小直接影響電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于空氣場(chǎng)強(qiáng)時(shí)就會(huì)擊穿空氣引起放電［6］。文獻(xiàn)［7］通過長(zhǎng)時(shí)間跟蹤檢測(cè)發(fā)現(xiàn)電纜本體存在局部放電缺陷，對(duì)其解體后發(fā)現(xiàn)絕緣屏蔽層存在放電痕跡，說明緩沖層內(nèi)的懸浮電位會(huì)形成局部放電，持續(xù)放電將導(dǎo)致電纜絕緣屏蔽層燒蝕。

結(jié)合連續(xù)發(fā)生的兩起電纜本體故障案例，通過電纜解體分析、耐壓同步局部放電和帶電局部放電檢測(cè)等方式，查找故障原因，并提出相應(yīng)措施，為類似故障的預(yù)防和處理提供參考。

1 故障電纜基本情況

某220 kV 高壓電纜線路于2011 年9 月投入運(yùn)行，型號(hào)為YJLW03－Z－127／220－1×1200，內(nèi)置測(cè)溫光纖，光纖處于絕緣屏蔽層與皺紋鋁護(hù)套之間的緩沖層內(nèi)，由緩沖層纏繞固定，起保護(hù)作用。如圖1 所示。

圖1 含內(nèi)置光纖的電纜結(jié)構(gòu)

該電纜總長(zhǎng)6.5 km，包括2 個(gè)GIS 終端和11 個(gè)中間接頭，接地系統(tǒng)采用交叉互聯(lián)的換位方式和排管敷設(shè)方式，每隔120 m 有1 個(gè)觀察井。2019 年2 月20 日在10—11 號(hào)接頭區(qū)間B 相本體故障，2 個(gè)月后，4 月22 日在9—10 號(hào)接頭區(qū)間A 相本體故障，如圖2 所示。

圖2 故障電纜的電氣結(jié)構(gòu)

2 故障電纜解體檢查

2.1 故障點(diǎn)解體

第1 次本體故障，故障點(diǎn)絕緣擊穿形成1 個(gè)直徑為7 mm 的圓洞，外半導(dǎo)電層已脫皮，鋁護(hù)套形成約15 mm×10 mm 的洞，在絕緣屏蔽層上有一道燒焦的痕跡。光纖已經(jīng)燒斷，緩沖層進(jìn)水非常嚴(yán)重。如圖3 所示。

第2 次本體故障同第1 次故障外觀類似，故障位置是也是光纖斷點(diǎn)位置，同樣可見絕緣屏蔽層有一處燒焦的部位。故障點(diǎn)兩側(cè)5 m 左右發(fā)現(xiàn)沿光纖部位有白色粉末斑痕，部分位置已經(jīng)燒蝕到外半導(dǎo)電層，如圖4 所示。

圖3 第1 次本體故障解體檢查

圖4 第2 次本體故障解體檢查

2.2 故障電纜段解體

對(duì)故障電纜段解體檢查，發(fā)現(xiàn)緩沖層上普遍存在白色粉末，經(jīng)絕緣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該白色粉末具有絕緣特性。大部分燒蝕過程未繼續(xù)深入發(fā)展，個(gè)別位置阻水帶燒蝕嚴(yán)重，在電纜外屏上有條狀燙傷痕跡。白色粉末的嚴(yán)重程度呈現(xiàn)出由故障點(diǎn)至前后兩端逐漸減弱的趨勢(shì)，白色粉末主要存在于皺紋鋁護(hù)套與緩沖層接觸緊密及光纖經(jīng)過處，緩沖層燒蝕呈現(xiàn)由緩沖層向內(nèi)外兩側(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，一端向皺紋鋁護(hù)套內(nèi)表面燒蝕，另一端向絕緣屏蔽層燒蝕，如圖5 所示。

圖5 故障電纜燒蝕

2.3 內(nèi)置光纖結(jié)構(gòu)解體檢查

電纜內(nèi)置測(cè)溫光纖的結(jié)構(gòu)如圖6 所示［8］。

圖6 內(nèi)置光纖的結(jié)構(gòu)

內(nèi)置測(cè)溫光纖位于皺紋鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層之間的緩沖層內(nèi)，為避免出現(xiàn)懸浮電位，光纖的外護(hù)套必須設(shè)計(jì)成半導(dǎo)電材質(zhì)［9-10］。通過兆歐表對(duì)該電纜內(nèi)置光纖外護(hù)套材質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 故障電纜內(nèi)置光纖外護(hù)套絕緣測(cè)試

由表1 可知故障電纜內(nèi)置光纖外護(hù)套為絕緣材質(zhì)，并非為半導(dǎo)電材質(zhì)。

3 故障電纜試驗(yàn)分析

3.1 耐壓同步局部放電試驗(yàn)

對(duì)故障線路10—11 號(hào)電纜段A 相電纜進(jìn)行整段更換，將更換下來的電纜段進(jìn)行耐壓同步局部放電試驗(yàn)。升壓設(shè)備采用Haefely 設(shè)備，只有電壓沒有電流，電纜兩端制作水終端，其余電纜盤繞在電纜軸上。本次耐壓同步局部放電測(cè)試采用高頻、特高頻、薄膜電極、Pry-Cam 等檢測(cè)傳感器進(jìn)行局部放電檢測(cè)。整個(gè)測(cè)試過程共進(jìn)行4 次加壓，加壓方法如表2所示。

首次升壓時(shí)，逐步加至運(yùn)行電壓，在升壓過程中持續(xù)觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，將電壓逐漸升高至1.4U0，仍未發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)。

表2 耐壓同步局部放電加壓過程

第2 次加壓首先加至1.4U0保持1 h，后逐步升高至2.5U0，在電壓升至1.7U0及2.5U0時(shí)，薄膜電極、UHF、Pry-Cam 傳感器發(fā)現(xiàn)間歇性脈沖信號(hào)如圖7所示，而HFCT 未檢測(cè)到該信號(hào)。

圖7 間歇性局部放電信號(hào)譜圖

第3 次加壓時(shí)，將電壓直接升至2.5U0，該信號(hào)再次出現(xiàn)，后逐步降壓至1.4U0信號(hào)消失，通過時(shí)差對(duì)比判斷信號(hào)來自兩傳感器中點(diǎn)至加壓端區(qū)間內(nèi)電纜，如圖8 所示。

圖8 時(shí)差對(duì)比判斷信號(hào)源

第4 次加壓是為了進(jìn)一步縮小信號(hào)源范圍，調(diào)整2 個(gè)特高頻傳感器距加壓端5 m 和3 m 處，但再次加壓至2.5U0時(shí)上述信號(hào)消失，未發(fā)現(xiàn)其他異常信號(hào)。此后又進(jìn)行2 次加壓都沒有再出現(xiàn)疑似局部放電信號(hào)。

綜上，耐壓同步局部放電過程中出現(xiàn)疑似脈沖信號(hào)，但該信號(hào)極不穩(wěn)定。從所測(cè)信號(hào)特征來看，該信號(hào)呈現(xiàn)負(fù)極性波形，與常見典型電纜缺陷的局部放電信號(hào)特征均不相同。該信號(hào)出現(xiàn)一段時(shí)間后消失，有可能是放電燒蝕的老練效應(yīng)使缺陷消失停止放電，也有可能是其他外界引入的偶然干擾。

3.2 X 光成像檢測(cè)

對(duì)端部電纜利用X 光成像技術(shù)進(jìn)行透視檢測(cè)，在X 光成像圖片中，電纜導(dǎo)體、鋁護(hù)套、光纖鎧裝成像效果最為明顯，主絕緣及緩沖層成像效果相對(duì)有所減弱，但依舊可以看出各層結(jié)構(gòu)。在檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)多處異常部位，如圖9 所示。

圖9 X 光成像檢測(cè)

X 光檢測(cè)可以在不破壞電纜本體結(jié)構(gòu)的情況下，較好地反映電纜內(nèi)部狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜缺陷，尤其是發(fā)生在緩沖層上的較為嚴(yán)重缺陷。

3.3 運(yùn)行狀態(tài)下局部放電檢測(cè)

故障修復(fù)后采用5 種不同信號(hào)的檢測(cè)設(shè)備開展檢測(cè)和監(jiān)測(cè)工作，5 種設(shè)備對(duì)1—7 號(hào)和9 號(hào)中間接頭的檢測(cè)結(jié)果相同，均未檢測(cè)出局部放電信號(hào)，對(duì)8、10、11 號(hào)中間接頭的檢測(cè)結(jié)果略有不同，具體情況如表3 所示。

表3 5 種檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果

由表3 可知目前常規(guī)帶電局部放電檢測(cè)設(shè)備暫未形成統(tǒng)一的權(quán)威的結(jié)論，有些設(shè)備無(wú)法檢測(cè)到局部放電信號(hào)，有些設(shè)備可以檢測(cè)到疑似局部放電信號(hào)，例如設(shè)備1 在10 號(hào)接頭發(fā)現(xiàn)的局部放電信號(hào)具有間歇性特征，10 s 出現(xiàn)5～7 次放電脈沖，單脈沖特征，其中一相與另外兩相反向，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)無(wú)法給出局部放電嚴(yán)重程度判斷。局部放電譜圖如圖10 所示。

4 故障原因理論分析

GB／T 11017.2—2014 《額定電壓110 kV（Um＝126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第2 部分：電纜》要求“緩沖層應(yīng)是半導(dǎo)電的，以使絕緣半導(dǎo)電屏蔽層與金屬屏蔽層保持電氣上接觸良好?！钡窃摴收想娎|內(nèi)置測(cè)溫光纖的外護(hù)套是絕緣材質(zhì)，相當(dāng)于在絕緣屏蔽層與皺紋鋁護(hù)套之間增加一個(gè)絕緣介質(zhì)［11］，如圖11 所示。

圖10 某類設(shè)備的局部放電檢測(cè)圖譜

圖11 內(nèi)置測(cè)溫光纖相對(duì)位置

白色粉末析出與受潮和壓力有關(guān)［1］。受潮是白色粉末析出的關(guān)鍵因素，受潮的電纜緩沖層在壓力的作用下加速白色粉末的析出，一般鋁護(hù)套波谷的位置更容易聚集白色粉末，內(nèi)置測(cè)溫光纖的存在進(jìn)一步加速白色粉末的析出。白色粉末聚集在光纖外皮周圍進(jìn)一步加大外絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電阻，導(dǎo)致電位差增大，當(dāng)電位差大于某個(gè)值時(shí)將擊穿空氣放電，加速絕緣層燒蝕最終引起電纜故障。

劣化由緩沖層向兩端發(fā)展，一方面向電纜絕緣層屏蔽燒蝕，另一方面向皺紋鋁護(hù)套燒蝕。起初白色粉末析出過程并沒有發(fā)生放電現(xiàn)象，僅是電阻率增大，局部放電檢測(cè)無(wú)法得到有效信號(hào)；直到外半導(dǎo)電層燒蝕直至絕緣層受損才有放電現(xiàn)象，從開始放電到故障擊穿時(shí)間比較短，普通離線檢測(cè)周期可能無(wú)法捕捉到有效信號(hào)，但是可以加強(qiáng)局部放電在線檢測(cè)和X 光無(wú)損探傷技術(shù)在電纜檢測(cè)中的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合連續(xù)發(fā)生的兩起電纜本體故障案例，通過電纜解體、耐壓同步局部放電和帶電局部放電檢測(cè)等方式進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)使用外護(hù)套為絕緣材質(zhì)的內(nèi)置光纖將加速電纜緩沖層燒蝕導(dǎo)致電纜本體故障。

建議嚴(yán)格工藝流程和儲(chǔ)存運(yùn)輸環(huán)境，確保緩沖層干燥不發(fā)生受潮現(xiàn)象，降低緩沖層的表面電阻率和體積電阻率，將兩者的檢測(cè)工作列入抽檢內(nèi)容；加強(qiáng)對(duì)內(nèi)置測(cè)溫光纖材質(zhì)的檢查，外皮材質(zhì)必須是半導(dǎo)電材料，而不能是絕緣材質(zhì)，對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的帶內(nèi)置光纖的電纜要逐一排查，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合技術(shù)改造項(xiàng)目進(jìn)行整體更換，對(duì)同型號(hào)同批次電纜加裝局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置，及時(shí)捕捉劣化。同時(shí)開展X 光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，并配合電纜本體的紅外檢測(cè)。