一起高壓直流電纜終端滲漏油缺陷分析及處理

廖靜麗，關(guān) 健

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000)

2013年12月，世界第一個(gè)多端柔性直流輸電示范工程——南澳±160 kV多端柔性直流示范工程(以下簡稱示范工程)正式投產(chǎn)，它標(biāo)志著南方電網(wǎng)攻克了多端柔性直流輸電控制保護(hù)這一世界難題，成功將南澳風(fēng)力發(fā)電通過柔性直流輸電工程送至汕頭電網(wǎng)[1-5]。至2019年8月，南澳島向陸地輸送電量達(dá)10×108kW·h，內(nèi)陸向南澳島輸送電量達(dá)1.8 ×108kW·h。

由于柔直特性與南澳島的地理環(huán)境共同決定了其擁有海纜、陸纜、架空線路多種線路型式構(gòu)成的混合式直流輸電線路，不同線路型式之間通過電纜終端、穿墻套管等電纜附件進(jìn)行聯(lián)接。在輸電線路中，電纜附件處是線路最薄弱的環(huán)節(jié)，在運(yùn)行時(shí)電纜附件的電場分布比其他部位復(fù)雜得多[6-7]，且此附件設(shè)備為國內(nèi)首次研發(fā)并投入工程應(yīng)用，可靠性未經(jīng)充分論證，因此電纜附件處一直是輸電線路運(yùn)行維護(hù)(以下簡稱運(yùn)維)的重點(diǎn)。

2014年3月初，運(yùn)維人員在開展日常巡視時(shí)，發(fā)現(xiàn)送端±160 kV金牛換流站側(cè)金牛至塑城直流線路正極電纜終端本體與油箱的油管上有油滴、下方地面有油漬現(xiàn)象，此時(shí)儲(chǔ)油箱壓力值降為0.094 MPa(額定0.16 MPa)，運(yùn)維人員判定為電纜終端漏油缺陷，漏油情況經(jīng)設(shè)備廠家確認(rèn)，并采取加強(qiáng)巡視、設(shè)備盡快安排停電開展消缺處理的控制措施。設(shè)備停電后，運(yùn)維單位檢修人員聯(lián)合廠家技術(shù)人員重點(diǎn)對油箱與終端相連等接頭處進(jìn)行檢查，更換了接頭的密封圈并進(jìn)行了緊固處理，最后經(jīng)補(bǔ)油恢復(fù)至額定壓力設(shè)備重新投入運(yùn)行，但缺陷處理1個(gè)月后，運(yùn)維人員再次發(fā)現(xiàn)該電纜終端滲漏現(xiàn)象，則判定為上次缺陷處理不徹底，設(shè)備安全運(yùn)行隱患依然未消除。實(shí)際證明，通常的滲漏油缺陷處理方式為密封補(bǔ)漏、補(bǔ)油恢復(fù)，以解決因設(shè)備生產(chǎn)制造工藝質(zhì)量不良、安裝不到位導(dǎo)致的滲漏油缺陷，但未能有效解決本文所提到的電纜終端滲漏油缺陷。

本文針對在運(yùn)行中金牛換流站電纜終端發(fā)生的滲漏油缺陷，基于其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場表象開展分析，通過論證滿足正常運(yùn)行條件下油壓與油量的關(guān)系，找出了缺陷原因及解決方法。

1 示范工程直流線路概況及電纜終端結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 示范工程直流線路概況

示范工程是一個(gè)電壓等級±160 kV，輸送容量150 MW的三端系統(tǒng)，電能的匯集點(diǎn)在金牛換流站的匯流母線。直流輸電線路由金牛至青澳、金牛至塑城兩部分構(gòu)成。其中：金牛至青澳段為全線架空線路，金牛至塑城段則是以電纜為主的五段構(gòu)成，各段之間通過電纜附件(含電纜終端、電纜接頭及穿墻套管等)進(jìn)行聯(lián)接。該直流線路的主設(shè)備則包括：直流電纜(含陸纜、海纜)、電纜附件及架空線路，其中：直流電纜為電壓等級±160 kV、截面500 mm2的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)高壓直流電纜，是該工程的核心設(shè)備，承擔(dān)著電能輸送重任；電纜附件是輸電線路的關(guān)鍵設(shè)備，將不同型式的線路與設(shè)備進(jìn)行連聯(lián)。

直流電纜為示范工程的核心設(shè)備之一，工程使用國內(nèi)首次研制的直流XLPE電纜。XLPE介質(zhì)具有絕緣電阻高、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗小、耐電壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，在電纜的絕緣材料中應(yīng)用十分廣泛[8-9]。但由于XLPE絕緣在直流電壓下的電場分布與交流電壓下的電場分布不同，其純度要求較于同電壓等級高壓交流電纜高，制造難度大，文獻(xiàn)[10-11]做了詳細(xì)的分析，本文不再贅述。

1.2 電纜終端結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電纜終端作為電纜附件結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜的設(shè)備，安裝于電纜首尾兩端，用于連接電纜段與其他設(shè)備，并可以起到平衡電纜終端電場分布的作用。南澳工程電纜終端結(jié)構(gòu)見圖1，其特點(diǎn)如下。

圖1 電纜終端結(jié)構(gòu)

a.應(yīng)力錐作用為改善金屬護(hù)套末端電場分布，降低金屬護(hù)套邊緣電場強(qiáng)度。由于高壓直流電纜中的電場分布與交流電纜相比更為復(fù)雜，普通的交流終端中的應(yīng)力錐所用材料無法滿足示范工程的功能需求，故示范工程所選用的材料為納米材料改性三元乙丙橡膠，相較于普通電纜中應(yīng)力錐所用的硅橡膠和三元乙丙橡膠，納米材料改性三元乙丙橡膠可以對空間電荷起到更好的抑制作用，以應(yīng)對直流終端中更加復(fù)雜的電場分布情況[1-2]。

b.電纜終端采用絕緣油絕緣，示范工程使用絕緣油為道康寧200硅油(50cSt)。硅油具有較高的耐熱性、電絕緣性、耐水性和較小的表面張力，可防止電暈釋放并消除電弧，起到絕緣、潤滑、抗爬電和防潮密封的作用[1-3]。

c.為保證電纜終端的長期可靠運(yùn)行，避免終端內(nèi)部出現(xiàn)氣隙造成絕緣下降，示范工程直流終端采用掛壓力箱運(yùn)行的獨(dú)特方式。壓力箱起到調(diào)節(jié)終端內(nèi)部絕緣油因熱脹冷縮導(dǎo)致其體積增減與壓力不平衡的作用。示范工程直流終端采用容量為50 L的壓力箱，選取典型環(huán)境溫度17 ℃，壓力箱的工作壓力范圍為0.03～0.24 MPa，對應(yīng)的壓力箱絕緣油的體積范圍約為3.3～50 L。經(jīng)計(jì)算典型環(huán)境溫度下，油箱中注入15 L油，壓力箱初始壓力設(shè)置為0.10±0.01 MPa，即可滿足最低壓力要求 。設(shè)備研制廠家考慮到安全裕度即寬裕的漏油處理時(shí)間和運(yùn)行環(huán)境溫度，在終端套管內(nèi)油量注滿時(shí)油箱內(nèi)注入油量為36 L，初始壓力值為0.16 MPa。

2 直流電纜終端頭缺陷分析

2.1 缺陷表象

運(yùn)行維護(hù)人員在設(shè)備檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)金牛換流站側(cè)金牛至塑城直流線路正極電纜終端從工程調(diào)試到2014年5月持續(xù)出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象?，F(xiàn)場可觀察到直流電纜終端外護(hù)套表面有滲漏的絕緣油，并在油箱與終端本體的油管上匯成滴，漏油發(fā)生時(shí)壓力真空表顯示的壓力值約0.094 MPa，油壓遠(yuǎn)低于初始設(shè)定值0.16 MPa。

2.2 缺陷分析及定級

2.2.1 缺陷原因分析

a.終端內(nèi)部油壓較大。油壓在空載且環(huán)境溫度為17 ℃時(shí)可調(diào)節(jié)在(0.10±0.01) MPa，而工程實(shí)際在此條件下油壓設(shè)為0.16 MPa，導(dǎo)致內(nèi)部油壓提高。

b.對密封性要求高。由于交聯(lián)電纜終端加掛壓力箱，增加了電纜終端結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對終端的密封結(jié)構(gòu)、加工精度及施工質(zhì)量都提出了更高的要求，需要結(jié)合合理的初始油壓設(shè)定值進(jìn)行設(shè)計(jì)。終端設(shè)備廠家為首次設(shè)計(jì)制造，對其密封性未充分論證。

c.實(shí)際密封精度存在誤差。根據(jù)現(xiàn)場情況分析，最終確定漏油點(diǎn)出現(xiàn)在電纜進(jìn)入復(fù)合套管的位置，該處密封結(jié)構(gòu)為軸向密封，其難度較平面密封大很多，軸向密封溝槽的加工尺寸、粗糙度以及裝配過程中造成的多處誤差相累計(jì)，導(dǎo)致密封精度不滿足要求。

上述3點(diǎn)原因共同導(dǎo)致該電纜終端出現(xiàn)絕緣油滲漏情況。

2.2.2 缺陷定級

當(dāng)發(fā)生少量滲油情況時(shí)，若壓力值無明顯變化，則壓力箱中的油會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充至套管中，維持電纜終端運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定。此種情況不會(huì)對線路運(yùn)行情況構(gòu)成嚴(yán)重影響，現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)可定義為一般缺陷。

當(dāng)終端附近存在較多的滲漏油，壓力值長時(shí)間處于0.08 MPa附近，或者在冬季氣溫較低時(shí)壓力經(jīng)常略低于0.08 MPa。此時(shí)已達(dá)到壓力箱正常工作的臨界狀態(tài)，雖然線路依然能保持運(yùn)行，但具有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，為重大缺陷。

若終端附近存在大量滲漏油且壓力值持續(xù)處于0.08 MPa及以下，此時(shí)壓力箱功能將失效，無法繼續(xù)向套管內(nèi)補(bǔ)充絕緣油和維持油壓平穩(wěn)。電纜終端的油壓下降，增大了外界雜質(zhì)滲透至套管內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)固坠軆?nèi)產(chǎn)生空隙，降低電纜終端的絕緣能力。嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生絕緣擊穿，在終端位置發(fā)生對地放電的重大故障，將直接危害柔直線路安全穩(wěn)定運(yùn)行及運(yùn)行維護(hù)人員人身安全，為緊急缺陷。

2.3 缺陷處理

2.3.1 缺陷定級后需采取的措施

a.針對一般缺陷，不會(huì)影響線路運(yùn)行，可待線路停電時(shí)消缺，但應(yīng)增加對其監(jiān)視措施，如加強(qiáng)巡視頻率、進(jìn)行紅外測溫、記錄油壓數(shù)據(jù)并分析趨勢等。

b.針對重大缺陷，除上述措施外，應(yīng)對其進(jìn)行每日巡視，在缺陷情況進(jìn)一步惡化前消缺。

c.針對緊急缺陷，在保證人員安全的情況下，可采取用注油機(jī)向壓力箱內(nèi)注油的臨時(shí)措施，以保持套管內(nèi)油量，同時(shí)安排系統(tǒng)停運(yùn)與檢修消缺；若不具備臨時(shí)措施的實(shí)施條件，立即申請停電處理。

2.3.2 消除缺陷處理方法

針對本次電纜終端滲漏油為一般缺陷，2014年6月采取以下措施消缺處理。

a.更換壓力箱開關(guān)處的密封件，在軸向密封位置增加一道角向密封，這種密封在結(jié)構(gòu)上是一種雙重密封結(jié)構(gòu)，可以確保密封位置不會(huì)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

b.在堵油管下方增加尼龍抱箍固定，防止堵油管滑動(dòng)。

c.用膠泥和帶材繞包，封閉鋁包口，使尾管起到防漏油保護(hù)作用。

d.在保證套管內(nèi)油充滿的前提下，適當(dāng)調(diào)整壓力箱工作壓力，將整定壓力調(diào)至理論值(0.10±0.01) MPa。

3 結(jié)論

經(jīng)過消除缺陷處理后，運(yùn)行維護(hù)人員對電纜終端的運(yùn)行工況進(jìn)行了重點(diǎn)巡查。在消除缺陷后經(jīng)過5年實(shí)際運(yùn)行，未再發(fā)生滲漏油情況。根據(jù)長期記錄顯示，壓力表示值隨環(huán)境溫度變化及運(yùn)行負(fù)荷大小在0.09～0.12 MPa，運(yùn)行狀況良好。

結(jié)合對本次電纜終端滲漏油缺陷處理過程，可知在發(fā)生類似情況時(shí)，除通常采取的對密封性進(jìn)行檢查外，必須考慮電纜終端的結(jié)構(gòu)，以便從根源上了解缺陷產(chǎn)生的原因，從而找到針對性的解決辦法。

在今后的工程中如存在交聯(lián)電纜終端掛壓力箱的結(jié)構(gòu)，在建設(shè)期就應(yīng)考慮加大終端的密封性能，必要時(shí)應(yīng)采用軸向密封加角向密封的雙重密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)壓力箱中的整定壓力不宜設(shè)置過高，在理論分析值基礎(chǔ)上結(jié)合一定的安全裕度即可；在運(yùn)行維護(hù)過程中，現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)加強(qiáng)巡視，分析電纜終端頭壓力箱壓力值及其變化特點(diǎn)，若發(fā)現(xiàn)有異常工況按缺陷定級組織消缺處理。