110kV電纜內部放電故障分析與機理研究

孫進 黎德初 胡學良

摘 要：某石化廠110 kV單芯電纜出現內部多處放電、灼傷外屏蔽層故障，為尋找其故障產生的原因，開展了技術研究，包括電纜剖面結構分析、灼傷點材料成分分析和X射線檢測分析，結果表明電纜進水吸潮、鋁護套與絕緣屏蔽層之間的間隙較大或阻水帶失去半導體性能，都會造成電纜放電灼傷等故障，建議石化企業加強單芯電纜的運行管理并開展電纜在線監測研究。

關 鍵 詞：電纜；故障；剖面結構；X射線檢測

中圖分類號：TM 757 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2014-03

Abstract： Faults of the 110 kV cable occurred in a Sinopec company. To study the failure mechanism， cable section structure analysis， burn area material composition analysis and X-ray testing analysis were carried out. The results showed that many reasons caused the cable faults， such as the water infiltration and humidity in cable， the excessive gap between aluminum protection coating and shielding layer， the decrease of the semiconductor performance of water-blocking tape， and so on. Its pointed out that petrochemical enterprises should strengthen the management of power cable operation and carry out cable on-line detection.

Key words： power cable； fault； sectional structure； X-ray testing

電力電纜是油田和煉化企業電力系統配電線路的主要形式，具有占地面積少、滿足防爆要求等優點[1]。110 kV電纜出現故障，可能導致全廠停電，造成重大經濟損失和人員傷害。根據以往110 kV電纜的運行經驗，電纜故障主要集中在電纜終端和中間接頭處，而此次某石化公司的電纜故障集中在電纜本體外屏蔽層和鋁護套之間，包括電纜外屏蔽層內部灼傷和表面缺陷，首次通過電纜剖面結構分析、灼傷點材料成分分析和X射線檢測分析，深入研究電纜放電故障機理，為避免或減少今后此類事故的發生，改進電纜結構和運行管理提供可靠依據[2，3]。

1 背景與經過

為增強企業電網的可靠性和穩定性，并優化資源配置，某石化公司于2013年實施了“110 kV電網系統優化” 項目。圖1為該石化公司電網的110 kV主網結構示意圖。2014年4月-8月，在項目實施過程中，進行110 kV電纜遷改時，發現110 kV電纜的主絕緣外屏蔽層、阻水帶、鋁護套內壁有多處灼傷，如圖2所示。該110 kV電纜長約3 200 m，全線埋地敷設，一端為GIS電纜終端，一端為戶外終端頭，單芯300 mm2，分3段交叉互聯。該110 kV電纜1999年生產，2000年2月投入使用，2011年停運保養，進一步檢查發現電纜存在嚴重缺陷，不建議繼續使用。

為避免同類事故的發生，該石化廠開展了110 kV電纜普查，發現仍有同型號、同廠家、不同時期投運的多個回路的電纜在役，采用X光無損檢測發現有多個回路的在役110 kV電纜存在外半導體屏蔽層表面缺陷。另外此前已經退出運行的110 kV電纜，在切斷電纜并準備移動電纜時發現電纜剛鎧護套內與外半導體之間有許多白色斑點以及放電痕跡。為分析電纜內部故障產生機理，專門開展了110 kV電纜的故障分析與研究。

2 電纜故障原因分析

2.1 電纜剖面結構分析

電纜型號為ZC-YJLW03-Z1×300 mm2，電纜外徑為92.3～94 mm，電纜結構示意圖如圖3所示，從內向外的結構依次為：1導體、2內屏蔽層、3絕緣層、4外屏蔽層、5阻水帶、6鋁護套、7內護套、8外護套，其結構參數見表1。

首先對樣品的半導電緩沖阻水帶進行了檢測，發現半導電阻水帶體積電阻率符合現行標準，但表面電阻實測值略高于標準。然后對阻水帶膨脹速率進行了檢測，又根據阻水帶所呈顏色、膨脹狀態等情況，認為該電纜鋁護套曾進水吸潮，因長時間運行而發熱烘干，從而導致半導電緩沖阻水帶表面電阻變大。電纜進水吸潮后，半導電緩沖阻水帶遇水吸潮膨脹，由于電纜線芯與金屬護套之間有間隙，所以在線芯和金屬套接觸部位的膨脹粉，由于空間問題會從半導電聚酯纖維布中溢出，游離在絕緣屏蔽層、半導電緩沖阻水帶、金屬套內壁，經長時間運行，在均熱狀態下，水分子逐漸與聚丙烯酸鈉脫離并吸附于其表面（膨脹粉有乙烯醇-丙烯酸共聚物和聚丙烯酸鈉的交聯物等組成），其在線芯和金屬套接觸部位聚集后，極易在鋁護套與半導電阻水帶之間形成絕緣膜，從而造成內部有異常電場存在，導致鋁護套與絕緣屏蔽之間產生電位差而放電[4]。

2.2 灼傷點材料成分分析

對半導電屏蔽層和白色斑塊缺陷部分即放電傷疤部位進行EDS元素成分表征，半導電屏蔽層的元素成分分析結果如圖4和表2所示。

通過對比半導電屏蔽層的元素成分，發現半導體層上存在鋁元素，而鋁元素來自于外護套鋁材料。

半導體層上出現了來自于外護套鋁材料的鋁元素，是由于故障電纜的阻水層導電性能下降，引起電纜主絕緣外屏蔽層存在過高懸浮電位，主絕緣外屏蔽層通過阻水帶向鋁護套內壁放電，即電纜局部放電，進而引起主絕緣外屏蔽層、阻水帶、鋁護套內壁灼傷。

進一步分析電纜阻水層導電性能下降的原因，有三種可能：電纜外屏蔽層與鋁護套間隙偏大，造成接觸面積不夠、導電不良；電纜阻水帶材質有問題，經長時間運行后，電阻率上升；電纜受潮后阻水帶膨脹粉易析出，形成不導電層。

2.3 X射線檢測分析

X射線檢測的工作原理是X射線在穿透不同的物體時與物質發生相互作用，因吸收和散射而強度變化，感光材料（膠片、IP板、DR板）接受到該強度變化信號后，經信號處理形成我們常見的影像，原理示意圖如圖5所示。通常，用于檢測電纜的一套完整的檢測系統包括：射線源、IP板或DR板、CR掃描儀、工作站（圖像顯示系統含圖像處理分析軟件）、X光機現場移動支架等。圖6為典型的故障電纜X射線檢測成像圖，從圖中可以看出主絕緣層不存在異常缺陷，半導體屏蔽層表面存在缺陷點，放大后計算出最大缺陷點的面積約15 mm2，檢測結果與故障電纜實體的缺陷點一致。

通過大量的X射線檢測，發現電纜的缺陷類型還包括外半導體屏蔽層表面缺陷、主絕緣微孔空洞、半導電屏蔽層與主絕緣層界面波浪紋缺陷和外半導電屏蔽層與皺紋鋁護套過度擠壓或刮傷缺陷。綜合各種因素，電纜出現放電灼傷的原因為電纜鋁護套與絕緣屏蔽層之間的間隙較大且（或）阻水帶失去半導體功能，導致電纜絕緣屏蔽層與金屬護套接觸有間斷，不能形成等電位連接，半導電絕緣屏蔽處于懸浮電位狀態，出現電荷局部積聚后對金屬護套放電導致的。主絕緣外屏蔽層通過阻水帶向鋁護套內壁放電，電纜外屏蔽層灼傷貫穿后，會因電位分布不均衡導致電場畸變，加速電纜主絕緣層損壞[5]。

3 結 論

110 kV電力系統是石化電網的主配電系統，一旦發生故障，將對石化企業的安全生產帶來巨大影響，對在運110 kV電纜進行普查具有重大意義。通過對故障電纜進行剖面結構、灼傷點材料成分和X光射線檢測進行分析研究，可知：由于電纜進水吸潮，半導電緩沖阻水帶遇水吸潮膨脹，鋁護套與半導電阻水帶之間形成絕緣膜，導致內部電場異常，會造成鋁護套與絕緣屏蔽之間產生電位差而放電；電纜鋁護套與絕緣屏蔽層之間的間隙較大且（或）阻水帶失去半導體性能，電纜絕緣屏蔽層與金屬護套接觸有間斷，不能形成等電位連接，半導電絕緣屏蔽處于懸浮電位狀態，出現電荷局部積聚后對金屬護套放電，導致電纜出現放電灼傷的現象。為避免110 kV電纜本體出現灼傷等缺陷，電纜的絕緣半導體層與金屬護套應接觸緊密，如間隙過大，會產生內部放電或局部放電，此外，阻水帶應具備半導體性能，如半導體性能發生變化也會產生放電。

石化企業應進一步加強電力電纜的運行管理，及時準確掌握110 kV電纜運行狀態，開展電力電纜在線檢測研究并積累數據。對問題嚴重的110 kV電纜進行處理以徹底消除隱患。有110 kV電纜在運行的企業要高度重視，應結合自身情況，舉一反三開展普查，必要時安排進行相關的電纜檢測。

參考文獻：

[1] T Nengling， J Stenzel， W Chenen. Fault Location Approach for EHV Overhead Line Combined with Underground Power Cable[J]. International Journal of Power and Energy Systems， 2008， 28（3）： 331-338.

[2] Reid， A.J. ， Zhou， C. ， Hepburn， D.M.， et al. Fault location and diagnosis in a medium voltage EPR power cable[J]. Dielectrics and Electrical Insulation， 2013，20（1）： 10-18.

[3] 王曉霏. 基于暫態信號頻域分析的故障測距方法研究[J]. 中國科技信息，2014（4）：152-154.

[4] Manfred Bawart， Massimo Marzinotto， Giovanni Mazzanti. A deeper insight into fault location on long submarine power cables[J]. e and i Elektrotechnik und Informationstechnik， 2014，131（8）： 355-360.

[5] 陳德超，李鴻，韓聰. 基于諧波的電力電纜單相接地故障在線測距方法研究[J]. 電力學報，2014，29（3）：193-196.