海上石油平台35千伏电缆终端故障的排查与修复

鲁醒悟，安创锋，张超明，郝利辉，马 勇

海上石油平台35千伏电缆终端故障的排查与修复

鲁醒悟，安创锋，张超明，郝利辉，马 勇

（中海石油（中国）有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300459）

本文介绍了一起利用配电盘带电体超声波检测，结合非接触定位技术，快速排查并修复35 kV电缆终端缺陷的案例。通过停电检验和内部刨解查证，对终端缺陷原因进行详细分析，确定该终端缺陷是由于电缆终端制作工艺和电缆安装存在问题所致，同时对缺陷处修理方法进行详解。本文最后对防范35 kV电缆终端发生故障提出了建议。

石油平台 电缆终端 故障分析 修复措施

0 引言

海上石油平台大多依靠自身电站提供电力。考虑到前期投入和后期收益，一般石油平台内部设备布局紧凑，空间利用率高，相应的配电设备设计和维修理念也和一般的陆地工厂和电站有较大区别。自动化程度高、可靠性高，在满足基本的安全规范的同时，对于“一主用、一备用”或者“一套运行、一套检修”的设计理念往往无法全部实现。这就需要设备维护人员对设备做好实时在线监测，一旦发现异常征兆，需要较短的时间内完成修复，尽可能减少对油田生产的影响。

1 35千伏电缆终端故障快速排查与分析

1.1 故障现象

2018年12月初，某海上石油平台开展年度配电设备带电监测，利用“局部放电巡检仪+定位仪”方式，对配电系统的各类配电柜进行运行监测。其中，排查到35 kV盘柜，发现编号VCB302、VCB303盘柜高压电缆室存在超声检测异常，并利用非接触感应探头，迅速对异常区域进行定位，对超声最强区域进行锁定。测量结果分别达到19 dB和21 dB（根据检测标准：8-15 db黄色预警；15 db以上疑似放电超标）。

参考探头定位点，并通过配电柜高压电缆室可视窗口进行目视排查，迅速发现了异常点。其中一盘柜两根高压电缆终端存在交叉挤压现象，挤压部位产生明显白色堆积物（图1a）；另外一个盘柜，电缆终端直管部位存在明显的环形变色色带，说明电缆内部存在异常发热，导致变色（图1b）。

图1 配电柜高压电缆终端缺陷

1.2 判断依据

检测原理：空气传播的超声波放电活动（Ultra测量方式）：当绝缘表面存在异物（灰尘等）、相间距离过近、绝缘间隙等情况时，会发生沿边局部放电现象，这种放电幅值往往很低，采用低电压检测技术进行检测很难发现隐患。此时，可以采用超声探测进行检测，由于沿边放电频率很高（40 kHz），使用局放测试仪可以更灵敏的反映放电频谱中指向性最强的超声波部分，有利于判断故障位置，同时也避免出现人为操作干扰。

测量方法：选择Ultra测量模式，使用便携式局部放电测试仪将其吸附式超声探头吸在盘柜金属表面，待数值稳定后，即可记录超声幅值。

局部放电程度判断：Ultra>8 db且≦15 db表示盘柜存在异常，Ultra>15 db表示盘柜内可能存在缺陷。

1.3 故障分析

对于第一种故障（图1a），一般电缆空间结构为“导体+绝缘层+空气”结构，电缆周围场强均匀，与其它两相电缆之间有空气进行隔绝，不会在表面形成类似白色堆积物；而图1a中，由于两相电缆交叉挤压，电缆的空间结构改变为“导体+绝缘册+气隙+绝缘层+导体”结构，两根电缆挤压造成空气气隙较小，而且该点两根不同相电缆场强交叉，场强结构畸变，与空气中水分和氮氧化物综合反应，于是在挤压部位逐步产性氧化物堆积情况。此种现象长期堆积，一方面会对电缆绝缘层和护套产生一定的损伤，另一方面如果氧化物产生的部位接近接线端子部位，会沿着氧化物表面产生“爬电”现象，如果不及时处理容易发生绝缘击穿、相间短路、设备对地放电等严重电气故障，对于设备运维人员的安全存在较大风险。

该问题的根源在于电缆的固定：电缆头做好后安装接线时，电缆分支不能多次被弯曲、扭转。电缆头与设备固定连接时，应尽量顺其自然，三相之间尽量不要交叉。不能使电缆头承受过大的外部扭力。因此，电缆连接时，一定要在设备连接处的正下方，垂直并且牢固固定，不能让电缆下部斜扭。对三芯电缆，特别是大截面铜芯电缆，必须保持足够的分相长度，也就是分支护套尽量靠下安装，同时，三相线芯长度一定测量准确，两个边相不能出现长短腿。对同一个间隔连接双电缆的情况尤其应该注意。否则，斜扭着的电缆会产生扭转力，长时间的机械应力可能导致电缆头损坏。

对于第二种问题（图1b），首先简要介绍35 kV千伏电缆结构（见图2）。

图2 35 kV电缆结构[1]

1）铜导芯

提供负荷电流的通路。而且其表面电场强度最大，如果局部有毛刺则该处的电场强度会更大。

2）主绝缘层

电缆的主绝缘层主要作用是电缆中的导体与周围环境护着相邻导体之间相互绝缘。电线外加绝缘保护层（非导体），防止超过安全电压的电线对人或者设备造成伤害。绝缘层材料应具备主要性能：①高的击穿强度；②低的介质损耗；③相当高的绝缘电阻；④优良的耐放电性能；⑤具有一定的柔软性和机械强度；⑥绝缘性能长期稳定。

3）半导电层

半导电层是中高压电缆采用的一项改善金属电机表面电场分布的重要技术手段。在绝缘层表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的绝缘层有良好接触，与金属护套等电位，从而避免在绝缘层与护套之间发生局部放电。

4）铜屏蔽带

铜屏蔽层是为减少外电磁场对电源或通信线路的影响而专门采用的一种带金属编织物外壳的导线。这种屏蔽线也有防止线路向外辐射电磁能的作用。屏蔽层需要接地，外来的干扰信号可被该层导入大地，避免干扰信号进入内层导体干扰同时降低传输信号的损耗。屏蔽线的作用是将电磁场噪声源与敏感设备隔离，切断噪声源的传播路径。

5）内护套

内护套层的作用是使绝缘层不会与水、空气或其他物体接触，防止绝缘受潮和绝缘层不受机械伤害。电力电缆大多都采用聚氯乙烯护套。聚乙烯护套用的很少，他只是在防潮的效果上比聚氯乙烯好点。聚烯烃护套的特点是，低烟无卤阻燃，阻燃效果好，且不含卤元素，无毒。内护套是隔离铜导体电线电缆内护套层的作用是使绝缘层不会与水、空气或其他物体接触，防止绝缘受潮和绝缘层不受机械伤害。

6）铠装

铠装层是一层机械保护层，用以增加电缆的机械强度，提高防侵蚀能力。

7）电缆外护套

电缆外护套的主要作用是加强绝缘性能，同时保护电缆不受机械损伤。护套材料主要作用保护电缆。用于根据温度、湿度、化学环境及特殊要求而选择护套材料。

结合以上电缆结构分析参考以上可以初步推测，电缆终端制作存在缺陷（图3），半导电层切口位置选择不当，导致冷缩终端应力管无法将办导电层环切部位进行包裹、密封。电缆本体绝缘半导电层环切部位与主绝缘层、冷缩直管护套间存在间隙，在交变电场的作用下形成局部放电，对电缆的主绝缘层表面逐步形成电烧伤，将导致电缆主绝缘层受损，从而降低绝缘性能，长期发展将造成电缆接地故障。

对该问题电缆终端部位进行进一步拆解，可以发现电缆半导电层环切部位存在毛刺，环切面不整齐，没有经过修整，而这种粗燥的环切面容易对气隙产生局部放电现象，从而造成主绝缘损伤（图4）。同时，在主绝缘层表面发现明显刀具划痕，主绝缘层受损，该点容易发生放电击穿（图5）。

图3 冷缩终端应力管与半导电层环切位置示意图

图4 半导体环切位置放电痕迹

图5 电缆主绝缘刀具划痕

电缆冷缩终端头的绝缘是整根电缆的软肋，从发生的电缆故障情况来看，除外力破坏外，大多数电缆故障都是发生在终端头电缆屏蔽层断口处，这跟终端头分支护套质量、冷缩附件、分支排列、内部场强、制作工艺等相关。在做电缆头时，剥去了屏蔽层，改变了电缆原有的电场分布，将产生对绝缘极为不利的切向电场(沿导线轴向的电力线)，在剥去屏蔽层芯线的电力线向屏蔽层断口处集中，那么在屏蔽层断口处就是电缆最容易击穿的部位。根据电缆冷缩附件厂家的说明书，电缆终端头缓和电缆屏蔽端部电场集中措施是应力管，而不是应力带。应力管与绝缘屏蔽搭盖不少于20 mm，以防收缩时应力管与绝缘屏蔽脱离。为尽量使电缆在屏蔽层断口处电场应力分散，应力管与铜屏蔽层的接触长度要求不小于20 mm，短了会使应力管的接触面不足，应力管上的电力线会传导不足(因为应力管长度是一定的)，长了会使电场分散区(段)减小，电场分散不足，一般在20～25 mm左右[2]。

2 35千伏电缆终端故障快速修复

针对图1a问题，根源在于缆的固定，电缆分支被多次被弯曲、扭转和交叉。斜扭着的电缆会产生扭转力，长时间的机械应力可能导致电缆头损坏。对其修复，主要需要分三步：①对电缆冷缩终端拆解检查；②对电缆进行调相；③电缆上提；④重新根据电缆接线位置确定路径；⑤重新确定剪裁长度；⑥重新进行电缆终端制作（图6）。

图6 终端缺陷（一）维修前后对比

针对图1b问题，半导电层环切部位对主绝缘层表面造成的热损伤，如果电缆没有余量，可用240细砂纸对主绝缘损伤部位进行打磨清理，但如果打磨较深，主绝缘层损伤较多，就必须进行截断处理，重新对电缆进行终端制作。对于存在较深的刀切痕，已经无法修复，就必须从伤痕处进行截断，重新进行电缆制作（图7）。

图7 终端缺陷（二）维修前后对比

35 kV电缆终端制作关键步骤及注意事项：

第一步防护层剥离：将高压电缆最外防护进行剥离，二层钢铠预留尺寸较外防护层高30 mm，内绝缘层比钢铠高20 mm。

第二步地线制作：钢铠接地线用钢圈锁紧并用高压胶带缠绕，三根电缆外部铜屏蔽层用一根地线缠绕，外部钢圈进行锁紧固定，外部用高压胶带进行包裹直到电缆最外护层处。所有高压胶带缠绕处都要用PVC（低压）胶带进行缠绕，地线最下部用防水胶条进行密封，防止潮气串入。

第三步三只套制作：电缆穿入三只套，电缆根部劈开使三指部分达到最低不要有空隙。

第四步穿入直管：直管底部一定要跟三只套接触超过15 mm

第五步做标记：利用电缆终端制作标尺，确定基准位、铜屏蔽层、半导电层。对照电缆接线位置高度和标尺尺寸，对多余电缆进行裁剪。

第六步铜屏蔽处理：按照标尺对电缆铜屏蔽层进行裁剪，保留部分进行修整，外部用低压胶带进行防护以防伤手，断口要平滑不要有毛刺。

第七步半导层处理：按照标尺对半导电层环切位置进行确定，用刀片进行环切。环切后半导电层剥离，剥离后对环切口进行修整。半导层环切口务必保证圆滑无毛刺（用刀要谨慎，不要一刀切透整个半导电层，防止损伤主绝缘）。

第八步压接线鼻子：依据线鼻子深度确定尺寸，确定后对主绝缘切割出线芯长度，线鼻子用液压钳压紧固定（压接后确认是否压紧）。

第九步主绝缘处理：主绝缘先用120砂纸进行粗打磨，之后再用240砂纸细打磨，直到主绝缘光滑无伤痕（主要看主绝缘是否有刀痕及异物）。

第十步线鼻子与主绝缘处处理：线鼻子终端与主绝缘接口处，用高压胶带进行包裹（从主绝缘处到线鼻子处缠出锥形，主绝缘要削出45度倒角并打磨光滑）。

第十一步清洁主绝缘：用接头清洁套装，主绝缘层表面进行擦拭清洁。保证表面干净、无异物（擦拭时一定不要从半导处开始）。

第十二步终端冷缩：严格按照标尺基准位置，安装冷缩电缆终端。确保铜屏蔽层、半导电层、主绝缘层按照要求包裹在冷缩终端的应力管处。

第十三步色标：最后安装红、黄、绿色标，对冷缩套安装效果进行核查。电缆终端制作完成。

3 修复效果监测

修复完毕后，在相同的环境温度、湿度以及所带负载相同时，对VCB302、VCB303盘柜高压电缆室重新进行局部放电监测，测量结果分别达到5 dB和6 dB (根据检测标准：8-15 db黄色预警；15 db以上疑似放电超标)，监测值显示处于安全范围，设备的隐患得到消除。

4 防范措施

虽然35 kV电缆头很容易出现故障，但是施工人员只要精细施工，用心去做就能够将事故避免，下面是防范电缆头发生故障的一些建议。

1）电缆终端在安装时要防潮，不应在雨天、雾天、大风的天气时安装电缆头，平均气温低于0 摄氏度时，要采取相关加热措施。

2）电缆终端头的制作，必须有缓和电缆屏蔽端部电场集中的有效措施，尽量选用应力管电缆终端头附件，搭接可靠。

3）电缆的固定：电缆头做好后安装接线时，电缆分支不能多次被弯曲、扭转。电缆头与设备固定连接时，应尽量顺其自然，三相之间尽量不要交叉。不能使电缆头承受过大的外部扭力。

4）学习先进的电缆头制作工艺，加强电缆头制作培训，严格电缆终端头制作工艺，保证电缆终端头绝缘的电气性能，促使电缆运行更加可靠、稳定。

5 总结

电力电缆终端头的故障，大多与电缆的终端头的制作和安装有关系。只有不断地加强学习和培训，不断地采用新工艺、新材料，严格按照说明书和有关规程、规定去安装、制作电缆头，才能避免类似隐患再次发生。本次维修在较短的时间内完成了电缆终端修复，达到了预期效果，避免了产生击穿、短路、电网“溃网”等严重电气事故，保证了油田力系统安全、稳定、长期可靠地运行。

[1] 苏文群, 张丽, 钱勇, 黄成军, 江秀臣. XLPE电缆局放检测技术及其应用[J]. 华东电力, 2011, 39(04): 654-657.

[2] 柏海峰, 陈建. 35kV电缆头故障分析及处理[J]. 四川电力技术, 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

鲁醒悟（1983-），男，工程师，从事电力系统运行及电气设备管理工作。E-mail：xelu163@126.com