變電站二次電纜絕緣缺陷原因分析與治理措施研究

肖豪龍，臧欣，梁文武，歐陽帆，徐松

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)容量與自動(dòng)化水平的提高，變電站內(nèi)大量使用微機(jī)型保護(hù)裝置與自動(dòng)化設(shè)備[1-3]。這些二次設(shè)備相互之間及其與一次設(shè)備之間都需要采用控制電纜進(jìn)行連接，即使是大量采用光纖通信的智能變電站仍然保留了不少重要的二次電纜，二次電纜的穩(wěn)定性極大地影響二次設(shè)備動(dòng)作的可靠性[4-6]。

國(guó)內(nèi)已有多次因二次電纜絕緣問題導(dǎo)致的跳閘事故發(fā)生[7-10]:2016年南方電網(wǎng)汕頭供電公司某220 kV變電站線路斷路器端子箱內(nèi)本體三相不一致回路受潮短路，致使斷路器跳閘；2018年山西某1 000 kV變電站1號(hào)主變壓器B相CVT二次電纜絕緣異常，主變壓器緊急轉(zhuǎn)熱備用；2019年大唐公司某670 MW機(jī)組B套保護(hù)TA二次電纜老化絕緣異常，差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)出口，機(jī)組停機(jī)。這些故障處理方式停留在更換備用芯或更換電纜進(jìn)行消缺處理層面，多針對(duì)當(dāng)次事故進(jìn)行原因分析，未對(duì)同區(qū)域、同類型事故進(jìn)行深入地統(tǒng)計(jì)分析。

為降低二次電纜缺陷導(dǎo)致的誤跳閘風(fēng)險(xiǎn)，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文對(duì)某二次電纜絕緣缺陷問題進(jìn)行了深入地統(tǒng)計(jì)調(diào)研，并對(duì)事故電纜進(jìn)行采樣解剖，詳細(xì)分析二次電纜缺陷原因，同時(shí)提出相應(yīng)的技術(shù)解決方案。

1 二次電纜絕緣問題統(tǒng)計(jì)和分析

1.1 二次電纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

二次電纜作為變電站的重要組成部分，承擔(dān)著二次回路信號(hào)傳輸與控制的功能，由于變電站環(huán)境復(fù)雜，容易受電磁干擾、動(dòng)物啃咬等威脅，因而二次電纜一般應(yīng)具有絕緣、電磁屏蔽以及防啃咬等功能[11]。一種典型的變電站用二次電纜如圖1所示，由外到內(nèi)分別為阻燃護(hù)套、鋼鎧、外絕緣護(hù)套、銅箔屏蔽層、芯線絕緣層和芯線導(dǎo)體六層結(jié)構(gòu)。

圖1 一種二次電纜結(jié)構(gòu)

變電站現(xiàn)場(chǎng)制作電纜頭需要將外絕緣護(hù)套及以外的各層切開，只保留芯線部分。文獻(xiàn)[12]明確要求避免劃傷絕緣層，但外絕緣護(hù)套與芯線絕緣層之間只隔一層很薄的銅箔屏蔽層，在實(shí)際操作時(shí)仍存在割傷芯線絕緣層的可能。

1.2 二次電纜絕緣缺陷數(shù)據(jù)分析

二次電纜絕緣缺陷原因可以分為外部因素與內(nèi)部因素[13-14]，內(nèi)部因素如端頭破損、材料缺陷、驅(qū)潮裝置損壞等，外部因素如運(yùn)行環(huán)境潮濕、外部管理缺陷、封堵不良等。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2019—2020年某電網(wǎng)范圍內(nèi)累計(jì)發(fā)生114起變電站二次電纜絕緣缺陷，共造成5次主設(shè)備誤跳閘，缺陷原因見表1。

表1 某電網(wǎng)二次電纜絕緣異常原因統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，二次電纜絕緣缺陷原因大致可分為三類。

1)電纜缺陷:主要指發(fā)生在二次電纜本身的絕緣異常缺陷，共計(jì)69次，占60.52%，占比最大。

2)非電纜缺陷:主要指外部元件、二次回路短路或接地等電纜以外原因?qū)е碌娜毕?，共?jì)26次，占22.81%。

3)未查明原因:主要指監(jiān)測(cè)到二次回路絕緣異常但又在檢查前自行恢復(fù)，暫未查明原因的缺陷，共計(jì)19次，占16.67%，分析認(rèn)為其原因仍可歸于前兩類情況。

可見，電纜缺陷引起絕緣異常的次數(shù)最多，是其他缺陷總和的1.5倍，是最主要的原因。

2 原因分析

2.1 電纜端頭破損

圖2為某次誤跳閘事故電纜的解剖圖，可以看出，在靠端子箱側(cè)的電纜頭包扎帶部位芯線絕緣層有明顯割傷破損痕跡，破損口內(nèi)銅芯裸露部位有明顯銅綠堆積，芯線絕緣層有灼燒痕跡，且電纜絕緣搖測(cè)不合格，說明故障主要原因都是芯線破損。

圖2 事故電纜芯線解剖圖

此外，據(jù)電纜缺陷統(tǒng)計(jì)，已查明故障點(diǎn)的15處缺陷中有13處為電纜頭芯線絕緣層破損，占比86.7%，說明電纜頭是二次電纜絕緣破損的最主要部位。

電纜頭絕緣受損原因，一是電纜安裝作業(yè)不規(guī)范甚至暴力施工，敷設(shè)電纜時(shí)強(qiáng)拉硬拽，傷及芯線絕緣層；二是電纜頭制作工藝不好，端部未采用熱縮套包扎，芯線與箱體刮擦造成絕緣層損傷。

2.2 潮氣入侵

近幾次二次絕緣異?，F(xiàn)象發(fā)生在凌晨和雨后，此時(shí)地面空氣濕度最大，查找歷年事故案例后也能找到這個(gè)規(guī)律。由此可知，環(huán)境潮氣入侵致導(dǎo)線表面凝露能在破損口之間以及破損口與地之間構(gòu)成導(dǎo)電通道，造成短路和接地，若是重要回路，極易引起二次裝置的誤動(dòng)作。

端子箱運(yùn)行環(huán)境潮濕是潮氣入侵主要原因，端子箱易密封不嚴(yán)，部分端子箱密封材料老化脫落，發(fā)生滲水、積水，事故電纜端頭部分材料出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 某事故電纜端頭部分與中間部分解剖對(duì)比

電纜孔洞封堵不嚴(yán)和加熱驅(qū)潮裝置損壞是導(dǎo)致潮氣入侵的重要原因。潮氣從電纜溝順著進(jìn)線孔洞向端子箱侵入電纜頭內(nèi)，封堵泥本身吸潮，電纜頭埋在泥內(nèi)更易受潮氣入侵。端子箱驅(qū)潮效果不好，自動(dòng)投退型驅(qū)潮裝置運(yùn)行中易損壞，失去驅(qū)潮效果，同時(shí)在某些湖區(qū)、山區(qū)，為避免夏季端子箱內(nèi)長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，加熱驅(qū)潮裝置一般會(huì)退出運(yùn)行，端子箱內(nèi)潮氣難以驅(qū)除，導(dǎo)致端子箱長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境。

2.3 材料與結(jié)構(gòu)缺陷

對(duì)某變電站二次電纜抽檢，依據(jù)GB/T 9330-2020進(jìn)行檢測(cè)[15]，取樣12根，僅有5根合格，合格率僅為41.7%，抽檢結(jié)果見表2。

表2 某變電站二次電纜抽檢結(jié)果

從表2可以看出，抽檢電纜各結(jié)構(gòu)都存在不合格現(xiàn)象，甚至一根電纜同時(shí)存在2～3個(gè)缺陷，為今后二次電纜絕緣迅速失效埋下隱患。電纜本身材料或結(jié)構(gòu)不合格，將極大縮短潮氣入侵后的二次電纜絕緣壽命。

其次，目前使用的二次電纜外絕緣護(hù)套和芯線絕緣層材料均為聚氯乙烯，聚氯乙烯材料中的高極性氯元素對(duì)水具有親和性，受潮老化易分解產(chǎn)生氯離子。

對(duì)析出液離子進(jìn)行色譜分析，發(fā)現(xiàn)電纜芯線絕緣層破損處的氯離子含量是非破損處的18倍，說明在電纜絕緣層沒有破損的部位，分解出來的氯離子沒有駐留。如果電纜絕緣層存在破損，則氯離子會(huì)在破損處與銅芯導(dǎo)線發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，堆積成銅綠(主要成分是銅的氯化物)，時(shí)間越長(zhǎng)累積越多，銅綠在潮濕環(huán)境下呈現(xiàn)較強(qiáng)導(dǎo)電性。

因此，電纜結(jié)構(gòu)材料缺陷導(dǎo)致二次電纜預(yù)期壽命縮減，而環(huán)境潮氣凝露能構(gòu)成導(dǎo)電通道，導(dǎo)電性更好的銅綠在絕緣破損處堆積，更快地縮短二次電纜使用壽命。

2.4 運(yùn)檢管理缺陷

超周期檢修現(xiàn)象普遍，不按時(shí)開展檢修導(dǎo)致未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜絕緣下降隱患。例如某跳閘事故變電站最近一次開展C類檢修是在2012年，按6年檢修周期計(jì)算，已超過應(yīng)檢時(shí)間3年。

部分單位檢修試驗(yàn)記錄不規(guī)范，較難發(fā)現(xiàn)二次電纜絕緣劣化情況。部分單位在新站驗(yàn)收和例行檢修時(shí)記錄不規(guī)范，帶著外部回路進(jìn)行絕緣搖測(cè)。

直流絕緣監(jiān)測(cè)功能不完整導(dǎo)致二次絕緣故障處置能力下降，也容易延誤絕緣缺陷的發(fā)現(xiàn)時(shí)機(jī)。統(tǒng)計(jì)2019年以來該電網(wǎng)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置設(shè)備故障率為4.66%，故障率較高。

二次電纜絕緣缺陷原因分析如圖4所示。二次電纜絕緣異常是多種因素綜合作用導(dǎo)致，電纜絕緣異常大多數(shù)發(fā)生在電纜頭包扎處，端頭破損為直接原因；運(yùn)行環(huán)境潮濕、密封不嚴(yán)以及驅(qū)潮裝置損壞導(dǎo)致的潮氣入侵是電纜絕緣異常的主要原因；銅綠生成并在破損處堆積可加速潮濕環(huán)境下絕緣降低的過程。在運(yùn)檢管理上，未按時(shí)開展檢修作業(yè)、絕緣搖測(cè)不規(guī)范和絕緣監(jiān)測(cè)裝置故障率偏高，增加了二次電纜絕緣異常引發(fā)事故的概率。

圖4 二次電纜絕緣缺陷原因分析

3 治理措施和建議

3.1 應(yīng)用新材料新設(shè)備

1)交聯(lián)聚乙烯絕緣材質(zhì)不含氯離子，潮濕環(huán)境下不會(huì)加速電化學(xué)腐蝕效果，用其作為絕緣材質(zhì)的二次電纜具有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的防潮性能，出現(xiàn)絕緣問題概率更低。

2)采用具有高質(zhì)量的溫濕度控制器和集中采樣功能的集中控制式加熱驅(qū)潮控制器，對(duì)變電站區(qū)域內(nèi)各端子箱驅(qū)潮加熱器進(jìn)行集中控制，可減少運(yùn)行人員操作工作量，提升投退效率，同時(shí)減少控制器運(yùn)行中損壞的可能。

3.2 全面治理端子箱

1)對(duì)防雨設(shè)計(jì)不合理的機(jī)構(gòu)箱體，改造并加裝防雨檐。針對(duì)下雨天無防雨檐機(jī)構(gòu)箱體門縫容易進(jìn)水的情況，根據(jù)不同機(jī)構(gòu)(端子)箱體設(shè)計(jì)防雨檐。對(duì)容易滲水的端子箱頂蓋帽沿沿端子箱頂蓋帽沿下部，考慮敷設(shè)一圈足夠厚度的密封圈并涂抹防水膠。

2)每年春季檢修，應(yīng)檢查端子箱加熱驅(qū)潮裝置運(yùn)行狀況，重點(diǎn)是溫濕度控制器治理，以確保夏季加熱驅(qū)潮裝置能投入自動(dòng)運(yùn)行方式。

3.3 加強(qiáng)二次電纜運(yùn)維管理

1)規(guī)范機(jī)構(gòu)箱、匯控箱、端子箱日常運(yùn)維管理，結(jié)合運(yùn)維巡視、專業(yè)巡視，對(duì)機(jī)構(gòu)箱、匯控箱、端子箱進(jìn)行檢查維護(hù)。

2)檢修工作按要求開展二次電纜線芯對(duì)地、線芯間絕緣檢測(cè)，并在試驗(yàn)報(bào)告記錄絕緣電阻數(shù)值，對(duì)其進(jìn)行絕緣趨勢(shì)分析，對(duì)絕緣值存在明顯差異的應(yīng)采取絕緣復(fù)核、解頭檢查等措施進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)絕緣下降缺陷及時(shí)進(jìn)行分析處置。

3)加強(qiáng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置專項(xiàng)排查，開展二次電纜絕緣缺陷管理。清查質(zhì)量差、運(yùn)行狀況差的絕緣監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)于廠家不能提供備品備件或者運(yùn)行不穩(wěn)定的設(shè)備，逐步進(jìn)行更換。

3.4 規(guī)范化二次電纜驗(yàn)收

變電站驗(yàn)收要重點(diǎn)關(guān)注電纜頭制作、端子箱防潮的施工工藝，做好驗(yàn)收檢查，檢查結(jié)論作為是否具備投運(yùn)條件的必選項(xiàng)。

1)關(guān)注施工單位按照基建施工工藝要求進(jìn)行電纜頭制作和敷設(shè)，減少施工質(zhì)量問題的發(fā)生概率。

2)加強(qiáng)對(duì)電纜端頭施工工藝驗(yàn)收，如電纜端頭應(yīng)采用熱縮護(hù)套保護(hù)，端子箱封堵應(yīng)無明顯缺陷，電纜防火材料應(yīng)四周涂抹均勻等。

3)檢查施工單位的二次電纜絕緣測(cè)試報(bào)告。報(bào)告應(yīng)詳實(shí)記錄二次電纜絕緣搖測(cè)儀器、方法和具體數(shù)值，驗(yàn)收單位應(yīng)結(jié)合驗(yàn)收?qǐng)?bào)告要求施工單位抽取部分重要二次電纜開展絕緣復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果應(yīng)與試驗(yàn)報(bào)告相吻合。

4 結(jié)語

本文研究分析近幾年某電網(wǎng)二次電纜缺陷原因，給出技術(shù)解決方案，得出以下結(jié)論:

1)電纜頭破損是二次電纜絕緣缺陷的直接原因，運(yùn)行環(huán)境潮濕、密封不嚴(yán)和驅(qū)潮裝置損壞等導(dǎo)致的潮氣入侵是主要原因，材料和管理缺陷加速了絕緣降低過程。

2)可以從新材料新設(shè)備應(yīng)用、端子箱改造升級(jí)治理等技術(shù)方面，以及加強(qiáng)二次電纜運(yùn)維管理與驗(yàn)收、驅(qū)潮裝置和絕緣監(jiān)測(cè)裝置治理等管理方面，共同降低二次電纜絕緣缺陷導(dǎo)致嚴(yán)重事故的概率。

文中部分二次電纜絕緣缺陷原因未調(diào)查清楚，主要原因?yàn)殡娎|絕緣未完全損壞，偶發(fā)性接地后很快復(fù)歸，對(duì)數(shù)據(jù)造成干擾。文中二次電纜絕緣問題的分析對(duì)象僅為某南方省份電網(wǎng)，下一步可以考慮研究不同地域的二次電纜絕緣問題產(chǎn)生原因，比較異同后進(jìn)行深入研究。