110kV电缆内部放电故障分析与机理研究

孙进 黎德初 胡学良

摘 要：某石化厂110 kV单芯电缆出现内部多处放电、灼伤外屏蔽层故障，为寻找其故障产生的原因，开展了技术研究，包括电缆剖面结构分析、灼伤点材料成分分析和X射线检测分析，结果表明电缆进水吸潮、铝护套与绝缘屏蔽层之间的间隙较大或阻水带失去半导体性能，都会造成电缆放电灼伤等故障，建议石化企业加强单芯电缆的运行管理并开展电缆在线监测研究。

关 键 词：电缆；故障；剖面结构；X射线检测

中图分类号：TM 757 文献标识码： A 文章编号： 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

電力电缆是油田和炼化企业电力系统配电线路的主要形式，具有占地面积少、满足防爆要求等优点[1]。110 kV电缆出现故障，可能导致全厂停电，造成重大经济损失和人员伤害。根据以往110 kV电缆的运行经验，电缆故障主要集中在电缆终端和中间接头处，而此次某石化公司的电缆故障集中在电缆本体外屏蔽层和铝护套之间，包括电缆外屏蔽层内部灼伤和表面缺陷，首次通过电缆剖面结构分析、灼伤点材料成分分析和X射线检测分析，深入研究电缆放电故障机理，为避免或减少今后此类事故的发生，改进电缆结构和运行管理提供可靠依据[2，3]。

1 背景与经过

为增强企业电网的可靠性和稳定性，并优化资源配置，某石化公司于2013年实施了“110 kV电网系统优化” 项目。图1为该石化公司电网的110 kV主网结构示意图。2014年4月-8月，在项目实施过程中，进行110 kV电缆迁改时，发现110 kV电缆的主绝缘外屏蔽层、阻水带、铝护套内壁有多处灼伤，如图2所示。该110 kV电缆长约3 200 m，全线埋地敷设，一端为GIS电缆终端，一端为户外终端头，单芯300 mm2，分3段交叉互联。该110 kV电缆1999年生产，2000年2月投入使用，2011年停运保养，进一步检查发现电缆存在严重缺陷，不建议继续使用。

为避免同类事故的发生，该石化厂开展了110 kV电缆普查，发现仍有同型号、同厂家、不同时期投运的多个回路的电缆在役，采用X光无损检测发现有多个回路的在役110 kV电缆存在外半导体屏蔽层表面缺陷。另外此前已经退出运行的110 kV电缆，在切断电缆并准备移动电缆时发现电缆刚铠护套内与外半导体之间有许多白色斑点以及放电痕迹。为分析电缆内部故障产生机理，专门开展了110 kV电缆的故障分析与研究。

2 电缆故障原因分析

2.1 电缆剖面结构分析

电缆型号为ZC-YJLW03-Z1×300 mm2，电缆外径为92.3～94 mm，电缆结构示意图如图3所示，从内向外的结构依次为：1导体、2内屏蔽层、3绝缘层、4外屏蔽层、5阻水带、6铝护套、7内护套、8外护套，其结构参数见表1。

首先对样品的半导电缓冲阻水带进行了检测，发现半导电阻水带体积电阻率符合现行标准，但表面电阻实测值略高于标准。然后对阻水带膨胀速率进行了检测，又根据阻水带所呈颜色、膨胀状态等情况，认为该电缆铝护套曾进水吸潮，因长时间运行而发热烘干，从而导致半导电缓冲阻水带表面电阻变大。电缆进水吸潮后，半导电缓冲阻水带遇水吸潮膨胀，由于电缆线芯与金属护套之间有间隙，所以在线芯和金属套接触部位的膨胀粉，由于空间问题会从半导电聚酯纤维布中溢出，游离在绝缘屏蔽层、半导电缓冲阻水带、金属套内壁，经长时间运行，在均热状态下，水分子逐渐与聚丙烯酸钠脱离并吸附于其表面（膨胀粉有乙烯醇-丙烯酸共聚物和聚丙烯酸钠的交联物等组成），其在线芯和金属套接触部位聚集后，极易在铝护套与半导电阻水带之间形成绝缘膜，从而造成内部有异常电场存在，导致铝护套与绝缘屏蔽之间产生电位差而放电[4]。

2.2 灼伤点材料成分分析

对半导电屏蔽层和白色斑块缺陷部分即放电伤疤部位进行EDS元素成分表征，半导电屏蔽层的元素成分分析结果如图4和表2所示。

通过对比半导电屏蔽层的元素成分，发现半导体层上存在铝元素，而铝元素来自于外护套铝材料。

半导体层上出现了来自于外护套铝材料的铝元素，是由于故障电缆的阻水层导电性能下降，引起电缆主绝缘外屏蔽层存在过高悬浮电位，主绝缘外屏蔽层通过阻水带向铝护套内壁放电，即电缆局部放电，进而引起主绝缘外屏蔽层、阻水带、铝护套内壁灼伤。

进一步分析电缆阻水层导电性能下降的原因，有三种可能：电缆外屏蔽层与铝护套间隙偏大，造成接触面积不够、导电不良；电缆阻水带材质有问题，经长时间运行后，电阻率上升；电缆受潮后阻水带膨胀粉易析出，形成不导电层。

2.3 X射线检测分析

X射线检测的工作原理是X射线在穿透不同的物体时与物质发生相互作用，因吸收和散射而强度变化，感光材料（胶片、IP板、DR板）接受到该强度变化信号后，经信号处理形成我们常见的影像，原理示意图如图5所示。通常，用于检测电缆的一套完整的检测系统包括：射线源、IP板或DR板、CR扫描仪、工作站（图像显示系统含图像处理分析软件）、X光机现场移动支架等。图6为典型的故障电缆X射线检测成像图，从图中可以看出主绝缘层不存在异常缺陷，半导体屏蔽层表面存在缺陷点，放大后计算出最大缺陷点的面积约15 mm2，检测结果与故障电缆实体的缺陷点一致。

通过大量的X射线检测，发现电缆的缺陷类型还包括外半导体屏蔽层表面缺陷、主绝缘微孔空洞、半导电屏蔽层与主绝缘层界面波浪纹缺陷和外半导电屏蔽层与皱纹铝护套过度挤压或刮伤缺陷。综合各种因素，电缆出现放电灼伤的原因为电缆铝护套与绝缘屏蔽层之间的间隙较大且（或）阻水带失去半导体功能，导致电缆绝缘屏蔽层与金属护套接触有间断，不能形成等电位连接，半导电绝缘屏蔽处于悬浮电位状态，出现电荷局部积聚后对金属护套放电导致的。主绝缘外屏蔽层通过阻水带向铝护套内壁放电，电缆外屏蔽层灼伤贯穿后，会因电位分布不均衡导致电场畸变，加速电缆主绝缘层损坏[5]。

3 结 论

110 kV电力系统是石化电网的主配电系统，一旦发生故障，将对石化企业的安全生产带来巨大影响，对在运110 kV电缆进行普查具有重大意义。通过对故障电缆进行剖面结构、灼伤点材料成分和X光射线检测进行分析研究，可知：由于电缆进水吸潮，半导电缓冲阻水带遇水吸潮膨胀，铝护套与半导电阻水带之间形成绝缘膜，导致内部电场异常，会造成铝护套与绝缘屏蔽之间产生电位差而放电；电缆铝护套与绝缘屏蔽层之间的间隙较大且（或）阻水带失去半导体性能，电缆绝缘屏蔽层与金属护套接触有间断，不能形成等电位连接，半导电绝缘屏蔽处于悬浮电位状态，出现电荷局部积聚后对金属护套放电，导致电缆出现放电灼伤的现象。为避免110 kV电缆本体出现灼伤等缺陷，电缆的绝缘半导体层与金属护套应接触紧密，如间隙过大，会产生内部放电或局部放电，此外，阻水带应具备半导体性能，如半导体性能发生变化也会产生放电。

石化企业应进一步加强电力电缆的运行管理，及时准确掌握110 kV电缆运行状态，开展电力电缆在线检测研究并积累数据。对问题严重的110 kV电缆进行处理以彻底消除隐患。有110 kV电缆在运行的企业要高度重视，应结合自身情况，举一反三开展普查，必要时安排进行相关的电缆检测。

参考文献：

[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. 基于暂态信号频域分析的故障测距方法研究[J]. 中国科技信息，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] 陈德超，李鸿，韩聪. 基于谐波的电力电缆单相接地故障在线测距方法研究[J]. 电力学报，2014，29（3）：193-196.