海上石油平臺35千伏電纜終端故障的排查與修復

魯醒悟，安創鋒，張超明，郝利輝，馬 勇

海上石油平臺35千伏電纜終端故障的排查與修復

魯醒悟，安創鋒，張超明，郝利輝，馬 勇

（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業公司，天津 300459）

本文介紹了一起利用配電盤帶電體超聲波檢測，結合非接觸定位技術，快速排查并修復35 kV電纜終端缺陷的案例。通過停電檢驗和內部刨解查證，對終端缺陷原因進行詳細分析，確定該終端缺陷是由于電纜終端制作工藝和電纜安裝存在問題所致，同時對缺陷處修理方法進行詳解。本文最后對防范35 kV電纜終端發生故障提出了建議。

石油平臺 電纜終端 故障分析 修復措施

0 引言

海上石油平臺大多依靠自身電站提供電力。考慮到前期投入和后期收益，一般石油平臺內部設備布局緊湊，空間利用率高，相應的配電設備設計和維修理念也和一般的陸地工廠和電站有較大區別。自動化程度高、可靠性高，在滿足基本的安全規范的同時，對于“一主用、一備用”或者“一套運行、一套檢修”的設計理念往往無法全部實現。這就需要設備維護人員對設備做好實時在線監測，一旦發現異常征兆，需要較短的時間內完成修復，盡可能減少對油田生產的影響。

1 35千伏電纜終端故障快速排查與分析

1.1 故障現象

2018年12月初，某海上石油平臺開展年度配電設備帶電監測，利用“局部放電巡檢儀+定位儀”方式，對配電系統的各類配電柜進行運行監測。其中，排查到35 kV盤柜，發現編號VCB302、VCB303盤柜高壓電纜室存在超聲檢測異常，并利用非接觸感應探頭，迅速對異常區域進行定位，對超聲最強區域進行鎖定。測量結果分別達到19 dB和21 dB（根據檢測標準：8-15 db黃色預警；15 db以上疑似放電超標）。

參考探頭定位點，并通過配電柜高壓電纜室可視窗口進行目視排查，迅速發現了異常點。其中一盤柜兩根高壓電纜終端存在交叉擠壓現象，擠壓部位產生明顯白色堆積物（圖1a）；另外一個盤柜，電纜終端直管部位存在明顯的環形變色色帶，說明電纜內部存在異常發熱，導致變色（圖1b）。

圖1 配電柜高壓電纜終端缺陷

1.2 判斷依據

檢測原理：空氣傳播的超聲波放電活動（Ultra測量方式）：當絕緣表面存在異物（灰塵等）、相間距離過近、絕緣間隙等情況時，會發生沿邊局部放電現象，這種放電幅值往往很低，采用低電壓檢測技術進行檢測很難發現隱患。此時，可以采用超聲探測進行檢測，由于沿邊放電頻率很高（40 kHz），使用局放測試儀可以更靈敏的反映放電頻譜中指向性最強的超聲波部分，有利于判斷故障位置，同時也避免出現人為操作干擾。

測量方法：選擇Ultra測量模式，使用便攜式局部放電測試儀將其吸附式超聲探頭吸在盤柜金屬表面，待數值穩定后，即可記錄超聲幅值。

局部放電程度判斷：Ultra>8 db且≦15 db表示盤柜存在異常，Ultra>15 db表示盤柜內可能存在缺陷。

1.3 故障分析

對于第一種故障（圖1a），一般電纜空間結構為“導體+絕緣層+空氣”結構，電纜周圍場強均勻，與其它兩相電纜之間有空氣進行隔絕，不會在表面形成類似白色堆積物；而圖1a中，由于兩相電纜交叉擠壓，電纜的空間結構改變為“導體+絕緣冊+氣隙+絕緣層+導體”結構，兩根電纜擠壓造成空氣氣隙較小，而且該點兩根不同相電纜場強交叉，場強結構畸變，與空氣中水分和氮氧化物綜合反應，于是在擠壓部位逐步產性氧化物堆積情況。此種現象長期堆積，一方面會對電纜絕緣層和護套產生一定的損傷，另一方面如果氧化物產生的部位接近接線端子部位，會沿著氧化物表面產生“爬電”現象，如果不及時處理容易發生絕緣擊穿、相間短路、設備對地放電等嚴重電氣故障，對于設備運維人員的安全存在較大風險。

該問題的根源在于電纜的固定：電纜頭做好后安裝接線時，電纜分支不能多次被彎曲、扭轉。電纜頭與設備固定連接時，應盡量順其自然，三相之間盡量不要交叉。不能使電纜頭承受過大的外部扭力。因此，電纜連接時，一定要在設備連接處的正下方，垂直并且牢固固定，不能讓電纜下部斜扭。對三芯電纜，特別是大截面銅芯電纜，必須保持足夠的分相長度，也就是分支護套盡量靠下安裝，同時，三相線芯長度一定測量準確，兩個邊相不能出現長短腿。對同一個間隔連接雙電纜的情況尤其應該注意。否則，斜扭著的電纜會產生扭轉力，長時間的機械應力可能導致電纜頭損壞。

對于第二種問題（圖1b），首先簡要介紹35 kV千伏電纜結構（見圖2）。

圖2 35 kV電纜結構[1]

1）銅導芯

提供負荷電流的通路。而且其表面電場強度最大，如果局部有毛刺則該處的電場強度會更大。

2）主絕緣層

電纜的主絕緣層主要作用是電纜中的導體與周圍環境護著相鄰導體之間相互絕緣。電線外加絕緣保護層（非導體），防止超過安全電壓的電線對人或者設備造成傷害。絕緣層材料應具備主要性能：①高的擊穿強度；②低的介質損耗；③相當高的絕緣電阻；④優良的耐放電性能；⑤具有一定的柔軟性和機械強度；⑥絕緣性能長期穩定。

3）半導電層

半導電層是中高壓電纜采用的一項改善金屬電機表面電場分布的重要技術手段。在絕緣層表面加一層半導電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的絕緣層有良好接觸，與金屬護套等電位，從而避免在絕緣層與護套之間發生局部放電。

4）銅屏蔽帶

銅屏蔽層是為減少外電磁場對電源或通信線路的影響而專門采用的一種帶金屬編織物外殼的導線。這種屏蔽線也有防止線路向外輻射電磁能的作用。屏蔽層需要接地，外來的干擾信號可被該層導入大地，避免干擾信號進入內層導體干擾同時降低傳輸信號的損耗。屏蔽線的作用是將電磁場噪聲源與敏感設備隔離，切斷噪聲源的傳播路徑。

5）內護套

內護套層的作用是使絕緣層不會與水、空氣或其他物體接觸，防止絕緣受潮和絕緣層不受機械傷害。電力電纜大多都采用聚氯乙烯護套。聚乙烯護套用的很少，他只是在防潮的效果上比聚氯乙烯好點。聚烯烴護套的特點是，低煙無鹵阻燃，阻燃效果好，且不含鹵元素，無毒。內護套是隔離銅導體電線電纜內護套層的作用是使絕緣層不會與水、空氣或其他物體接觸，防止絕緣受潮和絕緣層不受機械傷害。

6）鎧裝

鎧裝層是一層機械保護層，用以增加電纜的機械強度，提高防侵蝕能力。

7）電纜外護套

電纜外護套的主要作用是加強絕緣性能，同時保護電纜不受機械損傷。護套材料主要作用保護電纜。用于根據溫度、濕度、化學環境及特殊要求而選擇護套材料。

結合以上電纜結構分析參考以上可以初步推測，電纜終端制作存在缺陷（圖3），半導電層切口位置選擇不當，導致冷縮終端應力管無法將辦導電層環切部位進行包裹、密封。電纜本體絕緣半導電層環切部位與主絕緣層、冷縮直管護套間存在間隙，在交變電場的作用下形成局部放電，對電纜的主絕緣層表面逐步形成電燒傷，將導致電纜主絕緣層受損，從而降低絕緣性能，長期發展將造成電纜接地故障。

對該問題電纜終端部位進行進一步拆解，可以發現電纜半導電層環切部位存在毛刺，環切面不整齊，沒有經過修整，而這種粗燥的環切面容易對氣隙產生局部放電現象，從而造成主絕緣損傷（圖4）。同時，在主絕緣層表面發現明顯刀具劃痕，主絕緣層受損，該點容易發生放電擊穿（圖5）。

圖3 冷縮終端應力管與半導電層環切位置示意圖

圖4 半導體環切位置放電痕跡

圖5 電纜主絕緣刀具劃痕

電纜冷縮終端頭的絕緣是整根電纜的軟肋，從發生的電纜故障情況來看，除外力破壞外，大多數電纜故障都是發生在終端頭電纜屏蔽層斷口處，這跟終端頭分支護套質量、冷縮附件、分支排列、內部場強、制作工藝等相關。在做電纜頭時，剝去了屏蔽層，改變了電纜原有的電場分布，將產生對絕緣極為不利的切向電場(沿導線軸向的電力線)，在剝去屏蔽層芯線的電力線向屏蔽層斷口處集中，那么在屏蔽層斷口處就是電纜最容易擊穿的部位。根據電纜冷縮附件廠家的說明書，電纜終端頭緩和電纜屏蔽端部電場集中措施是應力管，而不是應力帶。應力管與絕緣屏蔽搭蓋不少于20 mm，以防收縮時應力管與絕緣屏蔽脫離。為盡量使電纜在屏蔽層斷口處電場應力分散，應力管與銅屏蔽層的接觸長度要求不小于20 mm，短了會使應力管的接觸面不足，應力管上的電力線會傳導不足(因為應力管長度是一定的)，長了會使電場分散區(段)減小，電場分散不足，一般在20～25 mm左右[2]。

2 35千伏電纜終端故障快速修復

針對圖1a問題，根源在于纜的固定，電纜分支被多次被彎曲、扭轉和交叉。斜扭著的電纜會產生扭轉力，長時間的機械應力可能導致電纜頭損壞。對其修復，主要需要分三步：①對電纜冷縮終端拆解檢查；②對電纜進行調相；③電纜上提；④重新根據電纜接線位置確定路徑；⑤重新確定剪裁長度；⑥重新進行電纜終端制作（圖6）。

圖6 終端缺陷（一）維修前后對比

針對圖1b問題，半導電層環切部位對主絕緣層表面造成的熱損傷，如果電纜沒有余量，可用240細砂紙對主絕緣損傷部位進行打磨清理，但如果打磨較深，主絕緣層損傷較多，就必須進行截斷處理，重新對電纜進行終端制作。對于存在較深的刀切痕，已經無法修復，就必須從傷痕處進行截斷，重新進行電纜制作（圖7）。

圖7 終端缺陷（二）維修前后對比

35 kV電纜終端制作關鍵步驟及注意事項：

第一步防護層剝離：將高壓電纜最外防護進行剝離，二層鋼鎧預留尺寸較外防護層高30 mm，內絕緣層比鋼鎧高20 mm。

第二步地線制作：鋼鎧接地線用鋼圈鎖緊并用高壓膠帶纏繞，三根電纜外部銅屏蔽層用一根地線纏繞，外部鋼圈進行鎖緊固定，外部用高壓膠帶進行包裹直到電纜最外護層處。所有高壓膠帶纏繞處都要用PVC（低壓）膠帶進行纏繞，地線最下部用防水膠條進行密封，防止潮氣串入。

第三步三只套制作：電纜穿入三只套，電纜根部劈開使三指部分達到最低不要有空隙。

第四步穿入直管：直管底部一定要跟三只套接觸超過15 mm

第五步做標記：利用電纜終端制作標尺，確定基準位、銅屏蔽層、半導電層。對照電纜接線位置高度和標尺尺寸，對多余電纜進行裁剪。

第六步銅屏蔽處理：按照標尺對電纜銅屏蔽層進行裁剪，保留部分進行修整，外部用低壓膠帶進行防護以防傷手，斷口要平滑不要有毛刺。

第七步半導層處理：按照標尺對半導電層環切位置進行確定，用刀片進行環切。環切后半導電層剝離，剝離后對環切口進行修整。半導層環切口務必保證圓滑無毛刺（用刀要謹慎，不要一刀切透整個半導電層，防止損傷主絕緣）。

第八步壓接線鼻子：依據線鼻子深度確定尺寸，確定后對主絕緣切割出線芯長度，線鼻子用液壓鉗壓緊固定（壓接后確認是否壓緊）。

第九步主絕緣處理：主絕緣先用120砂紙進行粗打磨，之后再用240砂紙細打磨，直到主絕緣光滑無傷痕（主要看主絕緣是否有刀痕及異物）。

第十步線鼻子與主絕緣處處理：線鼻子終端與主絕緣接口處，用高壓膠帶進行包裹（從主絕緣處到線鼻子處纏出錐形，主絕緣要削出45度倒角并打磨光滑）。

第十一步清潔主絕緣：用接頭清潔套裝，主絕緣層表面進行擦拭清潔。保證表面干凈、無異物（擦拭時一定不要從半導處開始）。

第十二步終端冷縮：嚴格按照標尺基準位置，安裝冷縮電纜終端。確保銅屏蔽層、半導電層、主絕緣層按照要求包裹在冷縮終端的應力管處。

第十三步色標：最后安裝紅、黃、綠色標，對冷縮套安裝效果進行核查。電纜終端制作完成。

3 修復效果監測

修復完畢后，在相同的環境溫度、濕度以及所帶負載相同時，對VCB302、VCB303盤柜高壓電纜室重新進行局部放電監測，測量結果分別達到5 dB和6 dB (根據檢測標準：8-15 db黃色預警；15 db以上疑似放電超標)，監測值顯示處于安全范圍，設備的隱患得到消除。

4 防范措施

雖然35 kV電纜頭很容易出現故障，但是施工人員只要精細施工，用心去做就能夠將事故避免，下面是防范電纜頭發生故障的一些建議。

1）電纜終端在安裝時要防潮，不應在雨天、霧天、大風的天氣時安裝電纜頭，平均氣溫低于0 攝氏度時，要采取相關加熱措施。

2）電纜終端頭的制作，必須有緩和電纜屏蔽端部電場集中的有效措施，盡量選用應力管電纜終端頭附件，搭接可靠。

3）電纜的固定：電纜頭做好后安裝接線時，電纜分支不能多次被彎曲、扭轉。電纜頭與設備固定連接時，應盡量順其自然，三相之間盡量不要交叉。不能使電纜頭承受過大的外部扭力。

4）學習先進的電纜頭制作工藝，加強電纜頭制作培訓，嚴格電纜終端頭制作工藝，保證電纜終端頭絕緣的電氣性能，促使電纜運行更加可靠、穩定。

5 總結

電力電纜終端頭的故障，大多與電纜的終端頭的制作和安裝有關系。只有不斷地加強學習和培訓，不斷地采用新工藝、新材料，嚴格按照說明書和有關規程、規定去安裝、制作電纜頭，才能避免類似隱患再次發生。本次維修在較短的時間內完成了電纜終端修復，達到了預期效果，避免了產生擊穿、短路、電網“潰網”等嚴重電氣事故，保證了油田力系統安全、穩定、長期可靠地運行。

[1] 蘇文群, 張麗, 錢勇, 黃成軍, 江秀臣. XLPE電纜局放檢測技術及其應用[J]. 華東電力, 2011, 39(04): 654-657.

[2] 柏海峰, 陳建. 35kV電纜頭故障分析及處理[J]. 四川電力技術, 2011, 34(03): 73-74+94.

Fault Diagnosis and Troubleshooting of 35 kV Cable Terminal of Offshore Oil Platform

Lu Xingwu, An Chuangfeng, Zhang Chaoming, Hao Lihui, Ma Yong

(QHD32-6 Operating Company, CNOOC (China) Co., Ltd., Tianjin 300459, China)

TM247

A

1003-4862（2019）10-0050-04

2019-03-20

魯醒悟（1983-），男，工程師，從事電力系統運行及電氣設備管理工作。E-mail：xelu163@126.com