核電廠10 kV乙丙橡膠電纜擊穿故障分析及對策研究

鄭海龍，王憲坤

(山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

由于乙丙橡膠具有優(yōu)異的電性能和柔韌性能，中壓乙丙橡膠絕緣電纜已有廣泛應(yīng)用[1]。某核電廠1、2號機組常規(guī)島及水廠、網(wǎng)控樓等BOP子項使用10 kV乙丙橡膠絕緣電纜。電纜為鍍錫銅芯乙丙絕緣熱固性護套無鹵低煙阻燃非鎧裝電纜，導(dǎo)體截面為3×120 mm2，設(shè)計壽命60年，2011年生產(chǎn)制造，2012年至2013年陸續(xù)投運。2019年7月至2020年8月期間，水廠中壓B段9 根電纜中有5根電纜相繼出現(xiàn)單相接地故障，水廠中壓C段9根電纜中也有2根出現(xiàn)了接地故障。電纜故障造成部分BOP子項失去電源，對核電廠的正常生產(chǎn)生活造成了嚴重影響。

本文針對上述電纜故障，介紹故障點確定方法，對故障電纜進行解剖檢查、實驗室檢測，分析電纜敷設(shè)情況和運行環(huán)境，推斷故障原因，提出防范措施，以供參考。

1 電纜故障定位

以1號機組常規(guī)島中壓 4 段至水廠 B 段 2 號進線電纜為例說明電纜故障定位方法。該電纜大部分敷設(shè)于廠區(qū)電纜溝內(nèi)，無中間接頭。2020年5月22日電纜發(fā)生B相單相接地故障，對地擊穿放電，故障電流峰值 2050 A，保護動作時間 28 ms，開關(guān)動作時間 33 ms。

發(fā)生故障后，通過搖絕緣電纜 B 相 2500 V 對地電壓無法建立，采用低壓脈沖法測量電纜全長480 m，采用直流高壓閃絡(luò)法施加10 kV 直流脈沖電壓(5 min 內(nèi))，并配合電纜故障測距儀，測得故障點距水廠約140 m，再從常規(guī)島側(cè)加壓測距(10 kV，5 min)，故障點距常規(guī)島約 350 m。最后進入電纜溝內(nèi)，施加 10 kV 脈沖電壓(5 min 內(nèi))確定了實地故障點，外護套未見明顯損傷，相鄰電纜無異常。將第1故障點切除后，余下2段電纜B相超低頻交流耐壓(18 kV/0.1 Hz/5 min)均發(fā)生擊穿，繼續(xù)采用短時直流高壓閃絡(luò)法查到第 2故障點位于第 1 故障點西側(cè)6 m處，第3故障點位于距水廠40 m處。

為全面排查，運維部門制定了《10 kV中壓電纜絕緣排查及試驗方案》?？紤]到傳統(tǒng)直流耐壓試驗的弊端[2]，運維部門對試驗方法進行了優(yōu)化：絕緣測試后直接接地放電并持續(xù)5 min；只做工頻交流耐壓試驗，電壓值為2倍U0，持續(xù)時間為5 min；耐壓擊穿后，暫停耐壓試驗，待進一步分析后，再進行后續(xù)處理。

2 故障原因分析

2.1 解剖檢查

電廠從不同故障電纜中截取4段(1-4號樣品)，并選取1盤庫存電纜(5號樣品)，送電纜檢測中心進行解剖檢查和檢測分析。

1號樣品：電纜護套表面印字計米從0835～0861 m，電纜護套未見破損、開裂現(xiàn)象，見3處護套鼓包現(xiàn)象(見圖1)。故障點外護套完整，解剖故障點處，見擊穿點周圍部分銅帶及包帶燒毀、見絕緣擊穿孔洞，擊穿空洞呈圓形，故障點附近銅帶屏蔽褶皺，有凹坑(見圖2)。剝除褶皺處銅帶屏蔽處，觀察對應(yīng)絕緣表面，見絕緣表面有凹坑。在解剖過程中，見故障處附近電纜金屬屏蔽外及絕緣外阻水帶有吸潮現(xiàn)象(見圖3)。

圖1 1號樣品護套鼓包

圖2 1號樣品銅帶屏蔽褶皺及凹坑

圖3 1號樣品阻水帶吸潮現(xiàn)象

2號樣品：電纜護套表面印字計米從0583～0597 m，電纜護套未見破損、開裂及鼓包現(xiàn)象，解剖故障點處，見擊穿點周圍部分銅帶及包帶燒毀、見絕緣擊穿孔洞，擊穿孔洞不呈圓形，見裂口(見圖4)。解剖過程中未見阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

3號樣品：電纜護套表面印字計米從0144～0163 m，電纜護套未見破損、開裂及鼓包。有3處故障點，解剖故障點處，3處故障點均處于銅帶屏蔽搭蓋處，絕緣擊穿孔洞均不呈圓形，均見裂口(見圖5)。解剖過程中未見阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

4號樣品：電纜護套表面印字不清，電纜護套未見破損、開裂及鼓包，解剖故障點處，見擊穿點周圍部分銅帶及包帶燒毀、見絕緣擊穿孔洞不呈圓形，有裂口(見圖6)。解剖過程中未見阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

圖4 2號樣品擊穿孔

圖5 3號樣品擊穿點

圖6 4號樣品擊穿孔

5號樣品：取樣檢測未見護套有鼓包、破損現(xiàn)象，剖開電纜端頭未發(fā)現(xiàn)阻水帶有吸潮現(xiàn)象。

2.2 實驗室檢測

參照GB/T 12706.2—2008《額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件第2部分: 額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到30 kV(Um=36 kV)電纜》，按照電廠提供的技術(shù)條件(電纜規(guī)范書)對1號、2號、3號和5號電纜樣品的結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣及護套物理機械性能進行了檢測，結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范書要求。另外，對5號庫存電纜和1號故障電纜取樣進行了電氣性能試驗，5號電纜電氣性能均符合技術(shù)規(guī)范書要求。1號故障電纜其介損(tanδ)不符合技術(shù)規(guī)范要求，其局部放電有超過聲明靈敏度的可測放電，在靈敏度為1.4 pC下，放電量為3.1 pC，介質(zhì)損耗檢測結(jié)果最大為180×10-4，與庫存電纜樣品相比變大。進行18 kV交流耐壓試驗三相均在1 min中內(nèi)擊穿。分析認為，介損變大，可能是長期運行過程中電纜絕緣有吸潮現(xiàn)象；局放檢測有放電，可能是因為乙丙絕緣填料顆粒處的電場畸變，隨著運行時間的增加，逐漸劣化導(dǎo)致。

參照DL/T 1070—2007《中壓交聯(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗方法和要求》、GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗方法 第5部分 絕緣電阻試驗》、TICW 15—2012《單根電纜空氣中敷設(shè)載流量測試方法》對5號電纜樣品進行了交流耐壓逐級擊穿試驗、絕緣電阻測試、載流量測試，試驗結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求。部分電氣試驗見圖7。

圖7 部分電氣試驗圖片

2.3 綜合分析

2.3.1 敷設(shè)環(huán)境分析

故障電纜均無接頭，電纜長度最短為480 m、最長為1150 m，電纜長度較長，敷設(shè)路徑均有3處及以上直角轉(zhuǎn)彎。例如，中壓4段至水廠B段2號進線電纜長度480 m，在廠區(qū)電纜溝內(nèi)存在6處轉(zhuǎn)彎。

經(jīng)調(diào)查，敷設(shè)方式是將電纜盤放在一端，另一端用卷揚機牽引電纜頭，溝內(nèi)設(shè)置滑輪的牽引方式。電纜需經(jīng)過長距離的牽引，并經(jīng)過多處直角轉(zhuǎn)角后達到敷設(shè)位置，由于敷設(shè)線路轉(zhuǎn)角較多，線路中也有反向轉(zhuǎn)彎。這樣敷設(shè)線路可能會出現(xiàn)對電纜產(chǎn)生拉硬拽、絞擰、揉搓、彎曲半徑小于允許值等情形。

另外，電纜溝直埋于地下，部分電纜溝底部有積水，雖然10 kV電纜均放于電纜溝內(nèi)最上層橋架上，不會浸水，但溝內(nèi)環(huán)境較為潮濕。

2.3.2 電纜運行情況

故障電纜自投運起已運行七八年，電廠運維信息表明所用線路無過電壓或異常記錄，電纜負載電流未超過100 A，參照載流量檢測結(jié)果，電纜導(dǎo)體達到 90 ℃的負載電流可以達到 437 A，可以排除由于電纜超負載引起的過熱現(xiàn)象。

2.3.3 電纜結(jié)構(gòu)材料

我國核電廠大多選用交聯(lián)聚乙烯電纜，而該核電廠所用電纜為乙丙橡膠絕緣電纜。該電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)為鍍錫銅帶屏蔽，銅帶重疊率達到29%，重疊繞包銅帶屏蔽結(jié)構(gòu)可曲度小，導(dǎo)體為2類導(dǎo)體絞合緊壓結(jié)構(gòu)，非5類軟導(dǎo)體，導(dǎo)體外無包帶。乙丙絕緣柔軟，抗張強度相對較小，電纜在敷設(shè)過程中若受力，金屬屏蔽受彎曲應(yīng)力或?qū)w受彎曲應(yīng)力傳輸?shù)浇^緣上，易損傷絕緣。這種結(jié)構(gòu)的電纜在敷設(shè)過程中易被過大機械牽引力拉傷，或電纜彎曲半徑過小而損傷絕緣。電纜在敷設(shè)過程中可能受拉力、彎曲應(yīng)力影響，敷設(shè)后持續(xù)受應(yīng)力作用。

綜上分析認為，10 kV乙丙橡膠電纜在遭受應(yīng)力以及潮濕環(huán)境的情況下，絕緣屏蔽受損處或絕緣(尤其是填料聚集處)發(fā)生電場畸變，隨著運行年限的增加，促使絕緣逐漸劣化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

3 防范措施

3.1 優(yōu)化敷設(shè)和運行條件

核電廠廠區(qū)面積較大，電纜敷設(shè)路徑較長，因此在廠區(qū)電纜溝規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎，以便于長距離電纜的敷設(shè)。同時電纜溝防水采用防、排結(jié)合的設(shè)計[3]，以改善電纜運行環(huán)境。

3.2 提高電纜敷設(shè)工藝

電纜敷設(shè)時，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合理敷設(shè)方式，嚴格按標(biāo)準要求敷設(shè)。對于長距離敷設(shè)電纜，應(yīng)加強施工過程監(jiān)控和驗收檢查，避免電纜受外力損傷而投入運行。

3.3 加強電纜運行監(jiān)測

運維部門應(yīng)根據(jù)電纜敷設(shè)方式、運行條件、環(huán)境溫度、并列條數(shù)等對電纜載流量、絕緣水平進行監(jiān)測，確保合理的預(yù)防性維修方案，及時發(fā)現(xiàn)電纜隱患，避免故障發(fā)生[4]。

4 結(jié)語

針對某核電廠發(fā)生的10 kV乙丙橡膠電纜故障，采用低壓脈沖法與直流高壓閃絡(luò)法確定故障點位置，對故障電纜樣品進行解剖檢查、實驗室檢測，結(jié)合電纜敷設(shè)情況和運行環(huán)境，推斷遭受應(yīng)力及潮濕環(huán)境導(dǎo)致絕緣屏蔽受損或絕緣的電場畸變，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。提出了優(yōu)化敷設(shè)和運行條件、提高敷設(shè)工藝、加強運行監(jiān)測等預(yù)防此類故障的措施，為10 kV乙丙橡膠絕緣電纜的敷設(shè)和運維等工作提供參考。