摘要：某光伏電站3個月內(nèi)發(fā)生8起箱變電纜頭擊穿事故。通過分析交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)、電纜頭連接機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場檢查情況，發(fā)現(xiàn)電纜頭制作工藝存在應(yīng)力管與屏蔽層接觸長度太短、熱縮電纜附件的密封和絕緣性能較差及熱縮工藝不到位、電纜線芯周圍的絕緣材料分布不均等問題，在正常運(yùn)行或存在諧振過電壓時，會導(dǎo)致電纜頭擊穿。據(jù)此，提出嚴(yán)格按照電纜頭制作工藝制作電纜頭、提高電纜頭附件及電纜質(zhì)量、加強(qiáng)檢修及運(yùn)維管理等改進(jìn)預(yù)防措施，以避免此類問題的再次發(fā)生。

0

引言

隨著中國新能源事業(yè)的不斷發(fā)展，并網(wǎng)型光伏發(fā)電項目所占比例越來越高。由于多數(shù)項目為搶電價趕超“6.30”和“12.31”的時間節(jié)點，因此時間短、任務(wù)重，許多項目的設(shè)計不符合規(guī)范和現(xiàn)場實際條件。

EPC總包方為了節(jié)約成本，在采購環(huán)節(jié)降低對設(shè)備質(zhì)量的要求，在基建過程中施工管理不到位，導(dǎo)致施工質(zhì)量問題較多，為后續(xù)運(yùn)維埋下諸多隱患。尤其是電纜頭頻繁擊穿，已成為光伏電站常見事故，不僅造成了電量損失，還危及到運(yùn)維人員的生命安全，對電站安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

1

事故過程

1.1

工程概況

西北某光伏電站裝機(jī)容量為50MW，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案。一個1MWp的光伏發(fā)電子系統(tǒng)，由太陽能電池組件經(jīng)過串并聯(lián)，得到并網(wǎng)逆變器所要求的電壓，再將串聯(lián)組件接入逆變器，經(jīng)逆變器后太陽能電池發(fā)電單元輸出電壓0.48kV，再經(jīng)1臺1000kVA箱變升壓至35kV后與電站內(nèi)集電線路相連。該項目共安裝50臺1000kVA箱變，經(jīng)箱變后以5回集電線路匯流接入35kV單母線，最終以1回35kV送出線路接入對端110kV變電站。

該項目屬于搶電價電站，在2016年12月31日并網(wǎng)，箱變高壓側(cè)采用YJV 26/35kV 1*70mm2電纜，電纜長為4.2m，電纜頭屏蔽層一端直接接地、一端懸空。

1.2

事故簡述

（1）“11.27事故”。2017年11月27日6時53分，監(jiān)控后臺報警17區(qū)數(shù)據(jù)采集器通信中斷。打開17區(qū)箱變高壓室柜門發(fā)現(xiàn)B相高壓熔斷器撞擊器頂出，熔斷器已熔斷；電纜及變壓器外觀正常，測試三相電纜和變壓器的絕緣，結(jié)果顯示B相電纜絕緣接地。

（2）“12.22事故”。2017年12月22日3時59分，#1集電線路311開關(guān)跳閘。保護(hù)裝置動作記錄顯示“過流I段動作”，故障相是A相，動作電流為30.12A，動作時間為0.042s（整定值為11.2A，0s）；保護(hù)裝置告警記錄顯示“本線路接地”；檢查到#1集電線路311開關(guān)所帶的19區(qū)箱變A相電纜頭被擊穿。

(3)“2.7事故”。2018年2月7日22時39分，后臺監(jiān)控系統(tǒng)報“#2集電線路312開關(guān)本線路接地”。PT消諧裝置報“基頻諧振 102.16V”，故障錄波圖顯示母線電壓C相降低，A、B相最高超過線電壓。

從2017年11月25日至2018年2月25日，此光伏電站共發(fā)生8起35kV箱變高壓側(cè)YJV 26/35kV 1*70mm2電纜頭擊穿事故。8起事故發(fā)生的時間及區(qū)域見表1。

表1 電纜頭擊穿事故統(tǒng)計

序號

事故發(fā)生時間

電纜頭擊穿區(qū)域

1

2017-11-25 7:46

11區(qū)箱變B相

2

2017-11-27 6:53

17區(qū)箱變B相

3

2017-12-22 3:59

19區(qū)箱變A相

4

2018-01-21 8:54

7區(qū)箱變B相

5

2018-02-07 22:39

14區(qū)箱變C相

6

2018-02-21 9:18

8區(qū)箱變C相

7

2018-02-21 9:18

17區(qū)箱變C相

8

2018-02-25 10:35

18區(qū)箱變C相

2

事故原因分析

2.1

交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)和電纜頭連接的機(jī)理分析

交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外護(hù)層、包帶、銅屏蔽、填料、外半導(dǎo)體屏蔽層、交聯(lián)聚乙烯絕緣、內(nèi)半導(dǎo)體屏蔽層和導(dǎo)體組成。在線芯外的內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層可克服電暈和游離放電，使線芯對外的徑向電場分布均勻。在主絕緣外的外半導(dǎo)電屏蔽層與主絕緣緊密相連，同樣起到均勻電場的作用。

雖然電纜線芯與屏蔽層間形成均勻的徑向分布電場，但是在制作電纜頭時剝?nèi)テ帘螌訒?dǎo)致徑向電場改變?yōu)閷^緣不利的切向電場，剝?nèi)テ帘螌拥木€芯在屏蔽層斷口處集中產(chǎn)生沿導(dǎo)線軸向的電力線。如果不對屏蔽層斷口處進(jìn)行絕緣處理，那么屏蔽層斷口處就會變成電纜最易擊穿的位置。將應(yīng)力管套在屏蔽層斷口處用于分散集中的電力線，可有效加強(qiáng)屏蔽層斷口處絕緣，但應(yīng)力管受潮或老化后分散電力線的能力隨之下降，絕緣損壞從而發(fā)生擊穿事故。同時，應(yīng)力管與屏蔽層的接觸長度也直接影響到此處改善電場分布的效果，關(guān)系到電纜的安全運(yùn)行。

2.2

電纜頭制作工藝存在問題

這8起電纜頭擊穿事故都發(fā)生在屏蔽層斷口處。解剖故障電纜頭后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力管與屏蔽層的接觸長度只有10～15mm，不符合工藝要求的20～25mm，這表明在制作電纜頭時屏蔽層斷口處的絕緣處理未按照工藝要求實施。如圖2所示，A、B、C、D點是電纜頭制作安裝中的關(guān)鍵點。A點是電纜頭位置安裝點，B點是銅屏蔽層的切斷點，C點是應(yīng)力管位置安裝點，D點是半導(dǎo)體屏蔽層切斷點。在制作電纜頭時，屏蔽層保留長度40mm（BD段），半導(dǎo)電層末端修整成小斜坡使半導(dǎo)電層與絕緣層平滑過渡，應(yīng)力管與屏蔽層有25mm接觸長度（CD段）。應(yīng)力管的安裝位置若有偏差，則電場分布難以得到改善，甚至無法起到控制電場應(yīng)力的作用。

2.3

電纜附件質(zhì)量問題

電站35kV箱變高壓側(cè)電纜頭全部采用熱縮電纜頭。熱縮電纜頭使用橡塑材料，應(yīng)力控制管、外絕緣保護(hù)管及傘裙等需要單獨制作、配套施工，缺點是抱緊力差、密封不良、彈性差。

光伏電站箱變，白天負(fù)荷高，晚上空載運(yùn)行，在電纜運(yùn)行溫度和西北地區(qū)早晚溫差大的環(huán)境溫度的共同影響下，白天和晚上的電纜溫差大。

熱縮電纜附件靠附件加熱收縮產(chǎn)生界面握緊力來保證界面特性，當(dāng)附件安裝進(jìn)入運(yùn)行后便不能再進(jìn)行加熱。電纜的熱脹冷縮，造成熱縮管對電纜絕緣表面界面壓力不足，只靠熱縮管內(nèi)壁極少的熱熔膠彈性來保證界面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，長時間運(yùn)行造成熱縮套管與電纜本體有縫隙。

檢查這8起被擊穿的電纜頭，發(fā)現(xiàn)絕緣套管尾端均有不同程度（約1cm左右）的縮進(jìn)距離，且熱縮套管與電纜本體有縫隙，如圖3所示。分析認(rèn)為，所用熱縮電纜附件的密封性能和絕緣性能較差且熱縮工藝不到位；熱縮電纜附件本身不具有彈性，不能與電纜同呼吸；由于電纜與熱縮材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此在溫度低于80℃時產(chǎn)生脫層，熱縮套管與電纜本體間出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致灰塵和空氣中的水分進(jìn)入，降低了電纜頭的絕緣，造成擊穿事故。

2.4

電纜質(zhì)量問題

其中3起電纜頭被擊穿的電纜截面如圖4所示，電纜線芯周圍的絕緣材料分布不均勻，存在絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻現(xiàn)象。

2.5

過電壓問題

通過向運(yùn)維人員了解故障前后的現(xiàn)場情況，查看保護(hù)裝置動作情況及后臺報警信息，分析故障錄波圖形，發(fā)現(xiàn)2018年2月7日與2018年2月21日這3次故障是在基頻諧振過電壓下發(fā)生的，其余5次是在額定電壓下發(fā)生的。

2.6

總結(jié)

通過分析，認(rèn)為導(dǎo)致多起電纜頭擊穿事故的主要原因為：電纜頭制作安裝工藝差，應(yīng)力管與屏蔽層的接觸長度過短；熱縮電纜附件的密封性能和絕緣性能較差及熱縮工藝不到位；電纜本體質(zhì)量差，存在絕緣偏心、絕緣內(nèi)有雜質(zhì)、絕緣屏蔽厚度不均勻現(xiàn)象；系統(tǒng)存在諧振過電壓。

3

預(yù)防措施

3.1

嚴(yán)格規(guī)范電纜頭制作工藝

電纜頭制作人員應(yīng)經(jīng)過專門培訓(xùn)，持證上崗，切忌犯經(jīng)驗主義錯誤。制作電纜頭時嚴(yán)格按照廠家說明書的要求去做，一定要對屏蔽層斷口處進(jìn)行處理，防止主絕緣內(nèi)存在雜質(zhì)和氣隙，作業(yè)時的空氣相對濕度應(yīng)在70%以下。

根據(jù)GB 50168—2006《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》要求：制作塑料絕緣電力電纜終端與接頭時，應(yīng)防止塵埃、雜物落入絕緣內(nèi)，嚴(yán)禁在霧或雨中施工。如果避免不了在霧雨或高溫等惡劣天氣下施工，就必須在采取可靠的防潮、防塵和升溫措施后進(jìn)行。應(yīng)力管與屏蔽層的接觸長度控制在20～25mm，長了會使電場分散不足，短了會使電力線傳導(dǎo)不足，防止電纜收縮時應(yīng)力管與屏蔽層脫離處產(chǎn)生集中電場應(yīng)力導(dǎo)致絕緣被擊穿。

以下為35kV交聯(lián)電纜單芯熱縮終端制作安裝步驟。

（1）將電纜調(diào)直固定，按規(guī)定尺寸剝?nèi)ル娎|末端外護(hù)套。

（2）保留60mm銅屏蔽，其余削去。

（3）保留20mm半導(dǎo)電層，其余削去。削去半導(dǎo)電層時不得損傷線芯絕緣，半導(dǎo)電切斷處要平滑、完整。檢查主絕緣表面有無刀痕和殘留的半導(dǎo)電材料，若有則應(yīng)清理干凈。

（4）用綁扎線將屏蔽地線固定在銅屏蔽層上，屏蔽地線用焊錫焊牢在銅屏蔽層上。

（5）用清洗紙把線芯絕緣表面擦拭干凈，在線芯絕緣表面均勻涂上一層硅脂。在半導(dǎo)電帶外繞包兩層半導(dǎo)電帶，半導(dǎo)電帶繞包時要拉伸200%，并搭接線芯絕緣5mm、銅屏敝5mm。

（6）套入應(yīng)力管，應(yīng)力管下邊緣距離電纜外護(hù)套邊緣40mm，加熱至收縮固定。

（7）繞包填充膠，與護(hù)套管齊平即可。

（8）套入絕緣套管，搭接護(hù)套管60mm，從護(hù)套管端開始加熱收縮。

（9）切去多余線芯，根據(jù)端子孔深加5mm的長度剝除線芯絕緣，并削成鉛筆頭狀。

（10）將端子套入并壓接，去除端子的壓痕棱角。清潔其表面，用J-20自粘帶在端子和線芯絕緣處纏繞，填平鉛筆頭處凹槽和端子壓痕。

（11）套入密封管，搭接端子和絕緣管，加熱收縮至固定。按規(guī)定尺寸套入傘裙（戶外5個，戶內(nèi)3個），加熱收縮至固定。單芯熱縮終端安裝完畢。

3.2

使用材質(zhì)好的冷縮電纜頭

冷縮電纜頭使用硅橡膠材料，應(yīng)力錐、外絕緣保護(hù)管及傘裙為一體，優(yōu)點是彈性好、抱緊力強(qiáng)、密封效果好，可避免環(huán)境溫度和電纜運(yùn)行中負(fù)載高低產(chǎn)生的巨大溫差造成電纜附件與電纜本體間出現(xiàn)縫隙。交聯(lián)聚乙烯電纜附件界面的絕緣強(qiáng)度與界面受到的握緊力有指數(shù)關(guān)系，當(dāng)界面壓力達(dá)到98kPa時，其擊穿強(qiáng)度能達(dá)到3kV/mm以上；當(dāng)界面壓力達(dá)到500～588kPa時，其擊穿強(qiáng)度能達(dá)到11kV/mm。在設(shè)計電纜附件時，界面的場強(qiáng)取擊穿強(qiáng)度的1/10～1/15，為0.2kV/mm以下，熱縮附件取0.05kV/mm，冷縮附件取0.2kV /mm。

3.3

使用材質(zhì)好的電纜

提高電纜生產(chǎn)工藝，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和檢測設(shè)備，避免出現(xiàn)絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻現(xiàn)象；減少和控制制造過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)等可以引發(fā)“樹枝”現(xiàn)象的因素。加強(qiáng)電纜質(zhì)量檢測力度，電纜檢測項目主要包括結(jié)構(gòu)尺寸檢查、絕緣熱延伸試驗、導(dǎo)體直流電阻檢測。對于檢測不合格電纜，堅決不能用于現(xiàn)場施工。

3.4

加強(qiáng)基建過程的施工質(zhì)量監(jiān)督

按照GB 50168—2006《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》的相關(guān)要求，加強(qiáng)對電力電纜施工質(zhì)量的監(jiān)督及驗收力度。

3.5

加強(qiáng)電纜運(yùn)行維護(hù)

（1）按照DL/T 596—2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》和GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》要求，加強(qiáng)對電纜的耐壓試驗。按照規(guī)范要求對電纜進(jìn)行20～300Hz交流耐壓試驗，試驗電壓為2U0，時間為60min。因為交流耐壓試驗值低于直流耐壓試驗值，且輸出正弦電壓波形接近設(shè)備運(yùn)行情況，所以可改善絕緣介質(zhì)中的放電情況，保證電纜正常使用壽命。而直流耐壓試驗電壓較高、試驗時間長，不能模擬電纜運(yùn)行工況，直流電場促使絕緣介質(zhì)發(fā)生“電樹枝”現(xiàn)象，直流殘余電荷的記憶效應(yīng)會使直流偏壓疊加在運(yùn)行電纜工頻電壓峰值上，使得運(yùn)行電纜電壓遠(yuǎn)超過額定電壓，加速電纜絕緣老化，縮短電纜使用壽命。

（2）根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，電纜頭在運(yùn)行過程中會消耗電能而產(chǎn)生熱量，加之通風(fēng)措施不夠，達(dá)不到理想狀態(tài)的散熱條件，造成電纜頭溫度過高，絕緣降低后被擊穿。使用紅外測溫儀定期測量電纜頭的溫度并做記錄，加強(qiáng)對溫度較高電纜的監(jiān)視。

3.6

實際處理結(jié)果

重新采購質(zhì)量合格的電纜和冷縮電纜附件，聘請專業(yè)制作安裝電纜頭人員將箱變高壓側(cè)電纜全部更換，最后交流耐壓試驗需合格。全部更換后再未出現(xiàn)電纜頭擊穿事故，設(shè)備運(yùn)行正常。

4

結(jié)語

電纜頭是電纜線路的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)使用材質(zhì)好的電纜頭及電纜，嚴(yán)格規(guī)范電纜頭制作工藝，并在后期運(yùn)維過程中加強(qiáng)電纜頭的運(yùn)維，按照試驗規(guī)程定期試驗，采用紅外測溫記錄溫度，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，避免釀成事故。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50168—2006 電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范[S].

[2] DL/T 596—2005 電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程[S].

[3] 王文珍,王志堅.35kV高壓電纜頭故障對策分析[J].山西電力,2013(1):50-53.

[4] GB 50150—2016 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)[S].