高压XLPE电缆缓冲层故障分析

引言

随着架空线入地工程逐步推进,城市主网输电线路中交联聚乙烯(Cross-linkedPolyethylene,XLPE)电缆应用更加广泛,电缆线路稳定可靠运行与电网安全关系更加密切。仅以北京地区为例,截至2021年,国网北京市电力公司所辖主网电缆线路近3000km。

缓冲层是高压XLPE电缆的重要组成部分,其质量会影响到电缆整体的电、热、阻水和力学性能。然而,近些年,多地110k6及以上波纹铝护套高压电缆出现了一种位于金属护套及绝缘屏蔽层之间的故障类型。经过对电缆本体故障性质的分析,发现有大量的本体故障是由电缆结构中半导电阻水层烧蚀引起,且数量占到本体故障的30V左右。对故障电缆进行解体,在电缆金属护套内侧、缓冲层以及电缆主绝缘屏蔽层均存在白色粉末和烧蚀(或腐蚀)痕迹。这一现象的存在,会造成电缆主绝缘受损,导致电缆击穿。针对高压XLPE电缆缓冲层劣化及故障原因,国内外学者已开展了大量研究。对于正在运行的电缆线路来说,缓冲层上的烧蚀现象将影响高压电力电缆的安全运行,必须引起运行人员注意。

1缓冲层结构分析

缓冲层位于内护套和绝缘屏蔽层间,如图1(9)所示。国内电缆内护套多为皱纹铝护套,有径向阻水、机械保护、良好导电等作用。

缓冲层通常包括阻水带、金布和气隙。阻水带紧密绕包在绝缘屏蔽层表面,金布绕包在阻水带表面,阻水带与皱纹铝护套波谷紧密接触,与铝护套波峰间有气隙,如图1(b)所示。阻水带通常由蓬松棉、阻水粉和无纺布组成,如图1(c)所示,用于缓冲绝缘屏蔽层与内护套间相互作用,减小电缆内部受热膨胀引起的绝缘屏蔽层一内护套间的挤压应力。阻水带中的阻水粉吸水膨胀可径向阻水。阻水粉主要成分为聚丙烯酸钠,呈弱碱性,此外还含有单体CM(氯化聚乙烯)、交联剂、引发剂和去离子水等成分。

2试验

2.1故障情况

由于缓冲层缺陷,某110k6高压交联聚乙烯电缆线路A相发生本体故障。该条电缆由国内某厂家生产制造,型号为ZR-YJLw02-64/110kV-1×800mm2。截至故障发生时,该线路已运行18年。

击穿点位置电缆外护套脱落,邻近位置外护套呈爆炸式开裂。铝护套、外半导电层、主绝缘层烧蚀现象明显,故障点击穿通道清晰,击穿通道为外大内小的倒梯形结构(图2)。

2.2解体检查

2.2.1故障点解体情况

现场对故障点自外向内逐层拆解,可见金属护套除故障点位置完全烧穿外,邻近位置金属护套内侧也普遍存在放电烧蚀痕迹,且烧蚀点普遍位于波纹铝护套的波谷位置(图3),即铝护套与半导电阻水带相接触的位置。在与之相对应的位置的半导电阻水带上,广泛存在白色粉末状物质(图4)。内侧的外半导电层表面烧蚀现象普遍(图5),与故障点击穿通道相似,外半导电层上的损伤点普遍呈现出外侧面积大、内侧面积小的倒梯形结构。

图3铝护套内侧烧蚀情况

图4半导电阻水带表面存在白色粉末状物质

图5外半导电层多见烧蚀放电痕迹

2.2.2同一段电缆上其他位置解体情况

在该线A相临近接头的电缆段上均匀地选择了除故障点外其他4个位置进行了电缆的开断和解体。解体情况显示,在该条电缆的其他位置上均出现了与故障点邻近位置相似的情况,半导电阻水带上出现白色粉末(图6),电缆外半导电表面多见烧蚀、损伤情况(图7)。

2.3X射线检测

2.3.1检测原理

x射线检测基本原理为:x射线在穿透不同的物体时与物质发生相互作用,因吸收和散射而产业强度变化,感光材料(胶片、IP板、DR板)接收到该强度变化的信号后,经信号处理形成常见的影像。

2.3.2检测情况

在解剖前后,对选取电缆段进行x射线检测,其典型结果示例如图8、图9、图10所示。

图8对应检测结果的实际电缆区段

图9疑似缺陷电缆段

图10正常电缆段

从检测效果看,x射线对较大的烧蚀点效果尚可,对中等大小及小块的烧蚀点成像效果不明显。铝护套对x射线检测结果影响较大,剥除铝护套后缺陷点成像清晰,而加上铝护套后,x射线检测到的疑似烧蚀点不能完全与电缆内部的缓冲层烧蚀点一一对应,且缺陷点不容易识别。

x射线检测表明,截取电缆段烧蚀均能检测出,但检测效果受铝护套影响。

2.4带材检测情况

结合故障相电缆拆解过程中发现的阻水带异常情况,对该线三相电缆进行了绝缘厚度、偏心度、机械性能、热延伸、半导电阻水带电阻率等多项检测。测试结果如表1所示,包括非故障相在内的三相半导电阻水带带材电阻率均高于标准规定值。按《电缆和光缆用阻水带》(1B/T10259—2014)要求,表面电阻不应大于1500Q,体积电阻率不应大于1×1050·cm。

3故障分析

3.1解体、试验、检测情况总结

(1)烧蚀程度无明显位置相关性。故障发生后截取了大量的电缆进行解体分析,在不同段电缆均发现了电缆外半导电层、半导电阻水层、波纹铝护套内壁存在不同程度的烧损现象,烧损现象无明显递增或递减变化,未发现烧损现象与电缆位置存在明显相关性。

(2)烧损程度与波纹铝护套接触程度有关。烧损均集中在波纹铝护套波谷位置:现象为非圆周性均匀烧损,皱纹铝护套与半导电阻水带接触越紧密,烧损越严重,与金属护套未紧贴的圆周面鲜有明显烧蚀点。根据现场观察,电缆不存在偏心或由于运输、敷设造成的明显变形。造成不同角度接触程度存在差异的主要原因可能在于电缆自身重力,使得电缆上下侧铝护套与半导电阻水带的接触相比左右侧更为紧密。故障点位置也是典型的接触紧密点,击穿通道垂直向下的方向与全线多数缺陷点的方向一致。

(3)根据故障点情况以及解体发现的带材、外半导电烧蚀情况,可以判断烧蚀过程是由外部向内部发生的。

3.2原因分析

通过对电缆解体分析,发现电缆外半导电层存在大量分布不均且大小不一的放电烧蚀痕迹,经过检测确认电缆缓冲层体积电阻率和表面电阻不符合标准要求,加之电缆金属护套与半导电缓冲层不均匀接触,导致感应电流在金属护套与缓冲层紧密接触部位(波谷位置)密度较大,局部过热导致电缆半导电缓冲层烧损,逐渐向内烧蚀电缆外半导电层与电缆绝缘,造成电缆主绝缘击穿,导致电缆故障。

电缆金属护套与半导电缓冲层不均匀接触,导致感应电流在金属护套与缓冲层紧密接触部位(波谷位置)密度较大,局部过热导致电缆半导电缓冲层烧损,逐渐向内烧蚀电缆外半导电层与电缆绝缘,造成电缆主绝缘击穿,这是本次故障的主要原因:电缆缓冲层体积电阻率和表面电阻不符合标准要求是本次故障的次要原因。

基于以上情况分析,可判断造成本次故障的根本原因在于电缆中应用的阻水带产品质量存在缺陷,在多年的运行过程中,缺陷逐步扩大,最终形成了放电通路,造成电缆本体击穿。

4建议

鉴于本文分析,并结合高压电缆运行管理工作,特提出如下建议:

(1)选择存在缺陷的电缆先期开展局放、x射线无损检(监)测工作,积累检测经验,建立典型缺陷库。根据现场检测与后续实物取样解剖结果,积极制订留用、加强监测或更换的故障反措。当绝缘外屏蔽受损、烧蚀已影响到主绝缘时,应尽早更换,避免进一步引发击穿事故。

(2)进一步加强局放在线监测在电缆缺陷预警中的辅助作用,形成局放量与电缆绝缘健康状况、缓冲层故障的对应标准。在实际运行维护过程中,当存在因缓冲层放电而导致的电缆故障时,会伴随出现局部的异常发热、异味等现象。

(3)将电缆缓冲阻水带材的体积电阻率列入抽检程序。对于新建电缆线路,应开展电缆缓冲阻水带材的体积电阻率抽样检查,发现相关性能指标不符合运行要求的,应进行退货处理。