随着电缆运行时间的增加, 电缆的绝缘电阻值开始逐渐下降, 这就为电缆故障埋下伏笔。 当绝缘遭到破坏, 产生局部放电现象时需要及时通过注入修复剂或更换电缆等手段进行电缆修复,如不及时进行修复将会导致电缆绝缘电阻的不断下降, 进而发展成为永久性电缆故障,造成线路停电事故。 一些供电单位通过改进单相修复方法,来缩短电缆抢修时间,节约抢修成本。如使用辐射交联热缩膜修复破损的绝缘层,或者在破损处通过绕包半导电带和用绝缘自粘带绕包应力锥的方法修复单相故障点。使用以上两种方法修复的故障电缆都可以满足运行需求,取得了良好的效果,大大节约了抢修成本。但是使用辐射交联热缩膜修复法时内屏料需要加温熔融焊补并处理平整;绝缘用辐射交联热 第一章 绪论 5 缩膜,包好之后再用耐高温带和玻璃丝纤维带,铜带包好,最后进行加温热熔。这种修复法对于修复人员操作水平要求较高,热熔的温度和时间都要掌握得恰到好处,不能过火、欠火。使用绕包方法修复电缆同样要求检修人员具有一定的绕包水平,绕包带要缠绕均匀、平整,不能过度拉伸,绕包过程要求环境中的灰尘不能过多,不便于现场操作。而且以上两种修复法只能修复破损面积较小的单相故障电缆,对于电缆终端故障或损毁面积较大的中间故障无法修复。 1.3 研究的主要内容 本文针对 35kV 电缆运行中出现的问题,从电缆的基本结构、故障产生原因、附件安装工艺等方面进行分析,对电缆典型故障提出新的修复方法并通过试验对方法的可靠性进行验证。 第一章以 XLPE 电缆发展情况作为本文的研究背景,对电缆修复的国内外发展及状况做出概述和对比了不同修复法的优劣和工程实际意义。 第二章从电缆的故障类型作为基本出发点,从而依据电缆故障类型对故障产生原因进行深入分析。 第三章对电缆的基本结构进行介绍,附件安装过程、附件不同适用性等方面分析了影响电缆运行质量的影响因素,在设计电缆修复方法将考虑以上影响因素。 第四章以某条故障电缆作为案例,设计出新的电缆故障修复工艺,在修复结束后通过多项电气试验等手段进行可靠性验证和此修复法在经济效益及社会效益两方面所取得的成绩。 第五章给出本文研究工作的结论 第六章总结与展望 第二章 电缆故障的检测 6 第二章 电缆故障的检测 电缆故障指电缆在运行或者试验过程中因自身或者外界原因发生绝缘击穿等情况,从而导致电力供应中断。电缆绝缘本体可能会在制造过程中产生的瑕疵;在电缆敷设、附件安装等环节也会对电缆造成损伤;运行中的过电压、外力破坏等其它原因都会使电缆在运行造成绝缘击穿,造成线路停电。电缆故障后,除电缆终端头的故障和终端附近绝缘本体击穿等故障可直接查找到故障点外,其他部分由于埋设于地下,电缆路径上的正常巡视无法发现故障点。这时要使用电缆故障的测寻仪器来进行测量,来发现电缆故障发生的地理位置。因此,想要快速处理故障,必须找准故障发生的位置,由于电缆的故障种类繁多,不同的故障必须使用不同的测寻方法。所以首先要准确的判断出故障类型,然后采取相对应的正确的测量方法,方可尽快精确的定位出故障点具体位置。 2.1 电缆故障的分类 由于故障的性质与表现形式不同,电缆故障依照不同的标准,能够有不同的分类办法,依照故障后电缆绝缘电阻的大小,故障可分为低阻故障、高阻故障和断线故障三大类 [7] 。 1) 低阻故障 故障电缆的故障点绝缘电阻降低至较低的特性阻抗值或零值的故障成为低阻故障。 2) 高阻故障 故障电缆的故障点的绝缘电阻低于正常值但高于低阻故障的阻值称为高阻故障。 3) 断线故障 故障电缆的绝缘电阻无穷大或测试符合各相的绝缘电阻值,但是电缆导体一相或者几相导体线芯不连通,电能无法传送到对端。 但是低阻故障与高阻故障的划分,不能简单的用绝缘电阻的测量值按照某一固定数值划分,而应使用电缆故障测寻设备的灵敏度来划分。例如:低压脉冲设备理论上只能查找 100kΩ 以下的电缆短路或接地故障;而电缆故障探伤仪理论上可以测寻 10kΩ 以下的电缆单相或两相短路故障。 如果是以故障性质来区分,则又可划分为接地型故障、短路型故障、断线型 第二章 电缆故障的检测 7 故障、闪络型故障和复合型故障这几种类别 [8] 。 1)接地型故障,其表现形式通常是单相接地或者两相、三相同时短路接地。其接地电阻按照电缆故障测寻设备的灵敏度来划分为低阻接地故障和高阻接地故障。 2)断线型故障,是指电缆导体连接出现问题或者在故障点熔断,导致有一相或者多相线芯不连续的故障,如图 2-1 所示,电缆的金属线芯、绝缘层和屏蔽层在故障点已经完全熔断。 图 2-1 发生断线型故障的电缆 3)短路型故障,是指电缆在运行中受到内部或者外部原因的作用和影响,造成其线芯绝缘受到损坏而产生相间短路,或是在相线和屏蔽地线间产生短路的故障 [8] 。短路故障的发生常常伴随接地故障或者断线故障。 4)闪络型故障,是指电缆绝缘在高电压下发生闪络型击穿,一旦电压稍有下降,击穿所形成的放电通道随即封闭,电缆绝缘又恢复一定的阻抗特性和电气性能。这种故障通常发生在电缆的运行过程中或者预防性试验中,其发生的部位常见于电缆中间接头 [8] ,如图 2-2 所示,电缆中间接头内部绝缘层与应力控制管之间部位发生闪络性放电,黄色圆圈标记应力控制管在电弧作用下损坏部位。 5)混合型故障,是指电缆所发生的故障具有上述特点两种及以上的,则统称为混合型故障。 第二章 电缆故障的检测 8 图 2-2 附件内闪络性放电烧蚀照片 2.2 测寻方法的分类 电缆线路的故障测寻的顺序流程一般包括故障性质的初判,故障测距和精确定点三个步骤。由于电缆故障复杂、多样,不同类型的故障要选用不同的测寻办法,所以故障性质的初判是电缆故障测寻的基础。根据相间和各相对地的绝缘电阻测量结果初步判断电缆具体故障类型,从而选择适合的故障测寻设备、方法的必要步骤。随即按照所选取的故障测寻设备对故障点进行初测。有了初测的数据作为参考,就能更好根据测量结果验证电缆故障性质,在测试设备、仪器的帮助下进一步进行故障点的精确定位,来确定具体的故障点位置。 2.2.1 故障性质的初判 1)判断是否断线故障:使用绝缘电阻表或者万用表测量电缆的绝缘电阻,若测出的绝缘电阻数值正常,下一步做导体的连续性试验。首先将被测电缆对端的三相短接但不接地,在该电缆的对端分别测量相间的电阻值,看是否为零,若为零则导体连接良好,反之可能为断线故障。 2)判断是否为接地故障:首先将故障电缆对端开路,断开该线路两端连接的其它设备。然后用兆欧表或直流电源测量该故障电缆 A-地、B-地、C-地的绝缘电阻,测量时另外两相不接地,判断是否为接地故障。 第二章 电缆故障的检测 9 3)判断存在相间短路故障的可能:测量各相间 A-B、B-C、C-A 绝缘电阻值。35kV 三芯 XLPE 电缆属于分相屏蔽电缆,常见为单相接地故障,小电流接地系统中,常发生不同两点同时发生接地的情况,避免误判成相间短路。 3)判断是否为闪络故障,闪络型故障多发生在试验过程中,当试验电压升高到一定数值时,电缆的绝缘水平下降,泄漏电流增大,发生放电击穿现象,电压降低后,放电击穿终止,电缆绝缘恢复。闪络型故障多发生在电缆中间接头中,运行过程中发生故障的 XIPE 电缆使用以上三个步骤未发现异常,可以对该故障电缆采取破坏性试验,交流耐压试验的检测效果最好,以 35k 电缆为例试验电压不用超过 2U 0 ,电缆便会发生放电击穿,从而判断电缆是否存在闪络故障。 2.2.2 故障点的粗测 根据电缆三相相间和对地的绝缘电阻测量值可初步判断得出电缆故障的性质。接下来使用合适的电缆故障测试装置,测出整条电缆的长度和测试仪器与故障点之间的大概距离,这就是电缆故障点的粗测。根据故障点的大概距离和运行人员的巡视情况可以推断出电缆的故障原因,或者帮助运行人员查找电缆线路故障点附近是否有动土施工的情况,为后续的精确定位打好基础。 脉冲法、电桥法作为主要的测量方法被应用在现场中。 1)电桥法。针对长度较短的故障电缆,可取得较高的精度,可测寻的故障性质一般为单相低阻接地或两相短路,也可以通过选取与故障电缆相同长度电缆作为辅助线的方法测量三相短路或接地故障。 2)脉冲法。脉冲法是利用行波信号进行电缆故障测距的测寻方法,包括低压脉冲法、闪络法(直闪法、冲闪法)和多次脉冲法。 低压脉冲法适用于单相或多相的低阻接故障、短路故障和断线故障。亦能测量电缆的长度,识别定位电缆的中间接头、终端接头等。 闪络法:对于闪络性故障、高阻型故障,测寻故障点的最佳方法是闪络法,其能够在故障点形成突跳电压,省去了烧弧的步骤,从而大大缩短了电缆故障的测寻时间。 多次脉冲法:主要用于测量高阻故障和闪络故障的故障点距离,因为这类型的故障点在高压脉冲下能产生弧光放电,由于弧光电阻很小,在燃弧期间原来的高阻或闪络型故障变成低阻短路故障。把带电弧和无电弧情况下的低压脉冲反射波形等多个波形进行比较,波形分歧点到测试端的距离就是故障点的距离。 第二章 电缆故障的检测 10 2.2.3 精确定位 虽然近些年故障测寻设备的测量精度在不断提高,但是测寻过程中还是会产生一定的测量误差,地下电缆的故障点距离很难与地上路径距离准确对应,而电缆图纸资料很难与实际完全对应,要进行故障抢修,挖掘接头坑,一定要使用探测装置,在故障点上方地面受到确切信号方可。 在实际现场中,冲击放电声测法、声磁信号感应法、音频信号法这三种方法是比较常见的精确定位电缆故障的方法。 1)声磁信号感应法。利用高压冲击发生器向故障点释放冲击电压,故障点在传出声信号的同时,也在电缆周围感应出脉冲磁场,感应接受装置通过对比接受的脉冲磁场信号和故障点的放电信号的时间差,时间差最小的点就是出于故障点正上方的点。在故障点放电时,仪器有明确的指示,可以较好的排除环境干扰,所以定位的精度较高,信号易于辨识。 2)冲击放电声测法。利用高压冲击发生器向故障点放电,产生机械振动声波向外界传播,使用人耳听觉或者灵敏度较高的拾音器给予甄别,确定放电的具体位置,冲击放电的能量越大,放电的声音越大。 3)音频信号法。这种方法主要用于测寻电缆金属性短路故障或者距离较近的开路故障的故障点,如果电缆中间有金属性短路故障,对端也无需短路,在发生金属性短路的两端施加音频电流信号,音频信号接收器处于故障点地面上方时收到的音频信号会忽然变大,而在故障点前后音频信号会逐渐衰减甚至消逝。对于故障电阻大于几十欧姆以上的短路故障或者距离较远的开路故障则不适用。 2.2.4 电缆路径走向测寻 在故障点的定位过程中,如果出现电缆线路的竣工走向图纸资料不全或者遗失、图纸参照物变更、运行人员工作变动等情况,都会给故障定位造成困难,延误抢修准备。这时就需要进行电缆路径探测或者识别同路径多条电缆中的故障电缆。 电缆路径测寻最常使用的方法为音频感应法,通过向待测电缆加入特定频率的电流信号,在电缆的周围探测此电流信号产生的磁场信号,通过磁电转换,显示出人类可以识别的音频信号或者数值大小,从而探测出电缆路径。 1)音峰法探测 给待测电缆加入音频信号后,旋转传感器,使其轴线与提杆垂直 与地面水平,手提传感器时,应尽量保持传感器轴线垂直于电缆。将传感器横切可能的电缆路径,观察信号幅值,越接近电缆,穿过传感器中线圈的磁力线越多,感应电 第二章 电缆故障的检测 11 动势越大,信号越强,耳机声音也越大,当位于电缆正上方时,信号最强,故为音峰法。 2)音谷法探测 给待测电缆加入音频信号后,旋转传感器,使其轴线与提杆同向 与地面垂直,手提传感器横切可能的电缆路径,观察信号幅值,在电缆正上方时穿过传感器中线圈的磁力线越少,信号越弱,偏离电缆,信号会增强,越过某一点后信号再次减弱。为一马鞍形曲线,因电缆正上方处于信号最弱的谷值,故称音谷法。 3)极大值法 使用音谷法和音峰法使用的两种线圈,将垂直线圈的负极性与水平线圈的感应电动势进行叠加,当传感器当位于电缆正上方时,感应电动势最大,信号最强,耳机的声音最大。传感器向电缆的左右方向移动时,音频信号都会减弱。 2.3 总结 根据上述情况的介绍,中压 XLPE 三芯电缆的故障情况是复杂而多样的,但概括起来为电缆导体和主绝缘层发生故障,除了外力破坏使电缆发生三相故障外,一般发生故障为电缆单相故障或者两相故障的可能性较大。在故障测寻的过程中,通过故障性质、位置的判断,可以大致推断出电缆线路的故障类型,提前为电缆抢修施工准备物资,减少抢修时间。电力电缆的敷设深度虽然满足日常各方面的运行需求,但是由于其无法从地面直接观测,所以无法避免被其它地下管网施工所影响,近些年由于地铁、高铁建设项目等地下施工的增多,某些施工单位盲目追求施工进度,对电力设施缺乏保护意识,政府相关部门也缺乏统一的准确的地下管网管理平台,施工单位忽视地下管网的探寻和路径校对。这些因素造成了电缆线路的安全运行不可避免的受到不同程度威胁。电缆遭受外力破坏发生故障时,电缆线路故障点定位困难,电缆修复施工技术复杂、恢复送电时间长,维修费用高等原因,导致电缆修复困难很大,所以进行电缆故障快速修复的研究十分必要。 运行中的电缆主绝缘不可避免受到强电场的作用,恶劣的运行环境、电化学侵蚀等内外部环境的作用下,电缆绝缘性能会随时间推移而降低,最后将绝缘击穿。在电缆接头部分,更容易发生局部放电的情况,为保障电力电缆线路的正常输电,在电缆敷设过程中减少对电缆的机械损伤、避免进水,在电缆附件安装过程中执行全过程质量管理。 第三章 35kV 电缆运行质量影响因素 12 第三章 35kV 电缆运行质量影响因素 3.135kV 电缆的结构 本文所研究的 35kV 三芯 XLPE 电缆的基本结构分为 10 层:导体线芯,导体屏蔽层,XLPE 主绝缘层,绝缘屏蔽层,金属屏蔽层,填充物,包带,内护套,钢带铠装,外护套。其截面图如图 3-1 所示。 图 3-1 35kV XLPE 电缆结构图 导体线芯一般采用圆形绞合导体结构,材料选用导电系数较高的金属铜制造,金属铜机械强度较高,易于进行压延、拉丝和焊接等加工。金属铜进行拉丝后,由多根导丝绞合而成,以满足电缆的柔软性和可曲度要求。 使用交联聚乙烯绝缘材料的网状分子结构的绝缘层,使导体和接地和不同相位导体彼此绝缘,其厚度应满足长期工频电压 U 0 ,并且应能承受雷电冲击电压和操作过电压。 导体屏蔽层和绝缘屏蔽层采用加炭黑粒子的交联聚合物作为材料,使绝缘层内外表面电场分布均匀,减少畸变。要求其材料的体积较薄且体积电阻率较低,半导电层的体积电阻率在 10 3 到 10 6 Ω·m 之间,厚度不超过 2 mm,依据GB/T2951.11-2008,35 kV 及以下电缆的外半导电层是能够被剥离的。导体屏蔽层填充了绝缘层和绞合金属线芯之间的空隙,和绝缘层接触紧密,和导体的电位相同,使得不会因电场集中而产生局部放电。绝缘屏蔽层使绝缘层与金属屏蔽层 第三章 35kV 电缆运行质量影响因素 13 接触良好,避免局部放电。 金属屏蔽层即电缆铜带屏蔽层。当电缆故障时,短路电流通过铜带回流,同时起到屏蔽电场的作用。 35 kV 电缆的铠装层一般采用钢带双层绕包的结构,每层钢带采用半搭叠方式进行绕包。起作用主要是起到机械保护的作用,使电缆便于弯曲,并且能承受相应的压力和拉力。 内外护套层一般采用聚氯乙烯材料,厚度一般为 3~4 mm,内护套也有厂家使用聚乙烯材料,这主要是为了减少渗水,因为聚乙烯的吸水率小于聚氯乙烯 [9] 。外护套一般使用聚氯乙烯材料,起到防水、防腐的效果,避免外界环境对钢带铠装的自然侵蚀。 3.2 35kV 电缆附件技术特点 电缆线路由电缆、终端接头和中间接头三部分组成,电缆终端接头和中间接头统称电缆附件,其作用非常重要。电缆的终端接头在电缆线路的终端处安装,具有一定的绝缘性和密封性,起作用使电缆与其他的电气设备进行连接,根据使用场所可分为:户内终端,户外终端,设备终端,GIS 终端。具有一定绝缘性和密封性的电缆中间接头是让两根的电缆连接导体的电缆附件。按照功能可划分为:直通接头,绝缘接头,过渡接头,塞止接头等。 作为电缆线路的组成部分,电缆附件的制作过程中,必须使电缆的导体、绝缘层、屏蔽层和护层得到延续。在电缆线路的故障统计中,除了外力破坏的故障,电缆中间接头和终端接头的故障占到故障总数的较高比例,近些年电缆终端的故障尤为突出。要想确保所构成的输电网络中电缆线路的安全运行,必须要保证电缆终端和中间接头的可靠性。电缆终端和中间接头的可靠性可以概括为以下四点: 导体连接可靠。电缆导体必须和出线接梗、接线端子或连接管有良好的连接。连接点的接触电阻值要小。连接点的电阻比值应不大于 1(与相同长度截面的电缆导体相比),运行时不大于 1.2。 绝缘可靠。其绝缘结构要满足电缆线路在各种状态下长期安全稳定运行,并有一定裕度。在电缆导体连接处的绝缘层和半导电层因剥切而断开,这造成断口处的相对电缆本体而言,复杂、混乱的电场分布。电缆剥切后沿着电缆的纵向产生不均匀电场的分量,在屏蔽层断口处电场最为集中,电场强度最大。通过应力锥控制轴向应力,使电缆终端内外绝缘配合良好,通过位置和电气强度的配合,内外绝缘分布均匀。 第三章 35kV 电缆运行质量影响因素 14 密封性良好。电缆附件应有有效的部件阻止水分或者有害物质进入绝缘,防止液态绝缘介质流失。35kV 电缆的中间或终端接头常用密封胶、热缩管、铅封、壳体等密封结构来防止密封不良所导致的运行故障。 满足一定的机械强度。电缆终端和中间接头应满足各种运行条件下产生的机械应力。如果电力电缆采取固定方式敷设,连接点的抗拉强度要高于电缆导体值的 60%。 3.3 电缆附件的分类 目前天津电力公司的中低压电缆主要使用冷缩式和热缩式电缆附件,热缩式附件保有量最大,而冷缩式附件增长率最快。这一章节主要讨论分析以上这两种附件。 热缩式附件。应用高分子聚合物的基料加工成绝缘管、应力控制管、分相套和伞裙等部件,再经现场装配、加热,紧缩在电缆绝缘和线芯上的附件。 图 3-2 户外热缩电缆终端 冷缩式附件。应用乙丙橡胶、三元乙丙橡胶或硅橡胶加工成型,经扩张后用螺旋形尼龙条支撑,安装时逆时针抽出支撑尼龙条,绝缘管和分相套靠橡胶收缩zkq 20151125 第三章 35kV 电缆运行质量影响因素 15 特性紧缩在电缆绝缘和线芯上的附件。 图 3-3 户外冷缩电缆终端 3.4 冷缩式和热缩式附件的环境适应性 根据天津地区地下水位,气候环境等特点,冷缩、热缩附件表现出不同的适应性,其优点和缺点表现的同样的突出。 3.4.1 热缩附件问题及分析 2007 年以来,随着天津电网的大发展,电缆的数量也成倍增长,电缆故障也相应增多,35kV 电缆终端热缩附件的故障尤为突出,见图 3-4。 表 3.1 统计的电缆终端故障均采用热缩附件,热缩式电缆附件工厂中使用挤出的橡塑聚合物,高能量的辐射交联过程中,使用设备将其扩张冷却至所希望的形状的几何形状;在安装时必须被加热到一定的温度,使弹性聚合物性质的缩回到“记忆”的形状,从而使组件的密封箍紧电缆。经分析,故障发生时间主要集中在较为寒冷且昼夜温差较大的月份。户外终端受环境因素影响较为直接,所以占较大比例。目前天津地区普遍使用 YJY22 电力电缆,在敷设、附件安装和使用过程会有一定伸缩性,电缆在传输电能的过程中也会产生热量。热缩附件中的热缩套管使用聚乙烯材料,在热缩后形状不再发生变化,热缩电缆附件的收缩温度在 120~140℃,在使用喷枪热缩过程中方可达到附件的收缩温度,常温下没有弹zkq 20151125 第三章 35kV 电缆运行质量影响因素 16 性。在附件安装完成后,电缆的调直揉动能使热缩管与电缆之间发生位移;电缆运行过程,电缆本体随着温度的降低,会有收缩的现象,已经热缩好的附件结构部分是稳定的,弹性的损失造成对电缆夹紧力不足,而完依赖附件内密封粘合剂的密封,性能是不可靠的。这时水和潮气等物质通过电缆的呼吸作用进入缝隙,从而在场强较为集中的半导电断口附近发生间隙放电,造成应力控制管...