2019年高壓電纜緩沖層燒蝕機理分析.ppt

1、,高壓電纜緩沖層燒蝕機理分析,國網北京市電力公司電力科學研究院 2019年11月,高壓電纜緩沖層燒蝕故障情況概述,一,二,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,三,主要開展工作,01,高壓電纜緩沖層燒蝕故障情況概述,高壓電纜緩沖層燒蝕故障情況概述,2010年至2019年至今，北京地區共發生110kV及以上電壓等級電纜故障共計11起，其中電纜緩沖層燒蝕引發故障6起（施工、外力破壞等機械性損傷引發故障3起；交叉互聯線被盜割引發故障1起；外護套破損、金屬護套多點接地引發故障1起），電纜緩沖層燒蝕引發故障占比54.5%。國網公司自2001年至今經統計發生電纜緩沖層燒蝕故障26起，已引起了國網公司及各網省公

2、司的高度重視。2018年10月、2019年4月、7月以及8月國網公司分別在北京、成都以及浙江多次組織召開了專題分析會，就燒蝕原因及檢測方法進行研討。,高壓電纜緩沖層燒蝕故障情況概述,a.半導電屏蔽層多處燒蝕,b.阻水緩沖層及皺紋鋁內部燒蝕情況,北京公司220kV八寶二線電纜緩沖層燒蝕故障：2017年4月，電纜B相因緩沖層燒蝕引發故障。解體發現電纜外半導電層、阻水緩沖層、皺紋鋁護套內測均可見燒蝕痕跡，阻水緩沖層第三方檢測不合格，帶電局放檢測未發現異常。長期輕載34年，負載率15%左右，發生問題時負荷為31A，線路投運于2008年2月，長1.512km。,北京公司故障典型圖,高壓電纜緩沖層燒蝕故障

3、情況概述,a.半導電屏蔽層多處白色粉末,b.阻水緩沖層多處白色斑點,某公司220kV電纜緩沖層燒蝕故障：2009年、2011年以及2013年共發生三次電纜緩沖層燒蝕故障，線路投運于2005年1月，長4.8km。故障電纜外半導電層、阻水緩沖層、皺紋鋁內測均可見白色粉末，2011年開展過帶電局放檢測，未發現異常。,c.皺紋鋁內部白色斑點,某公司故障典型圖,高壓電纜緩沖層燒蝕故障情況概述,a.半導電屏蔽層灼傷處,b.阻水緩沖層灼傷白色斑點,某公司110kV電纜緩沖層燒蝕缺陷：2017年6月，運維人員在新舊電纜對接處開展跟班驗收時，發現該110kV電纜A相和C相電纜緩沖緩沖層、外半導電層、鋁護套上有點

4、狀的放電燒傷痕跡。該線路投運2013年9月，電纜全長3.1公里。,c.皺紋鋁內部灼傷,某公司故障典型圖,高壓電纜緩沖層燒蝕故障情況概述,02,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,一是，電纜本體上存在多處燒蝕點。金屬鋁護套、半導電緩沖層以及主絕緣外半導電層上均出現故障燒蝕點，且多處存在。,絕緣屏蔽層上多處燒蝕,金屬護套及緩沖層多處燒蝕,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,二是，半導電緩沖層燒蝕部位有大量白色阻水粉末析出。經解體發現，電纜緩沖層燒蝕部位一般會析出大量白色粉末，呈半環狀（也有不均勻分布的點狀情況）；電纜外半導電層燒蝕處也可見白色粉末附著。,緩沖層燒蝕部位

5、析出大量白色粉末,屏蔽層燒蝕處可見白色阻水粉末,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,三是，故障燒蝕特征無明顯位置相關性。北京公司220kV八寶二線故障發生后均截取了大量的電纜進行解體分析，其中最長的三相各截取了200米，在不同段電纜均發現了電纜外半導電層、半導電緩沖層、皺紋鋁護套內壁存在不同程度的燒損現象，并未發現燒損現象與電纜位置存在明顯相關性。位置相關性指的是：與電纜擊穿點的距離與電纜擊穿點電纜的相別燒蝕點是否集中在電纜上部、下部或者其他某一區域,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,四是，燒蝕集中在皺紋鋁護套內側凸起部位（即波谷位置）。將金屬護套剖開，可見金屬護套表面有多處放電燒蝕痕跡，放電痕

6、跡位于波谷位置，緩沖層及主絕緣外半導電屏蔽層放電燒蝕痕跡與之對應,鋁護套與半導電防水緩沖層發生腐蝕放電位置,波紋鋁護套,半導電防水緩沖層,絕緣外半導電層,放電燒蝕位置示意圖,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,五是，燒蝕程度與皺紋鋁護套接觸程度有一定關聯。緩沖層燒蝕為非圓周性均勻燒損，皺紋鋁護套與半導電緩沖帶接觸越緊密，燒損越嚴重，與金屬護套未緊貼的圓周面鮮有明顯燒蝕點。,電纜內部緊密接觸位置情況,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,六是，燒損從半導電緩沖層至外半導電層燒損情況減輕。通過切片染色分析，電纜主絕緣外半導電層多處存在放電灼燒痕跡，放電痕跡均位于外半導電層外表面，外半導電層內表面及主絕緣

7、處未發現電樹枝及放電痕跡，說明燒蝕由外部發起，且從半導電緩沖層至外半導電層燒蝕情況減輕。,外半導電層放電灼燒形態,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,七是，耐壓與各種局放檢測手段難以發現缺陷。故障發生后，均在實驗室對含有缺陷的電纜按照出廠標準進行2.5U0耐壓試驗，采用高頻、特高頻、超聲波、傳統脈沖電流等局放監測手段，均未發現異常。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,八是，故障區域緩沖層電阻率等參數性能經第三方檢測不達標。北京公司八寶二線電纜半導電阻水帶經第三方檢測分析，電阻率及膨脹率檢測結果不符合國標GB/T 11017-2002 額定電壓110kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件要求。,高壓電

8、纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,緩沖層燒蝕機理分析,空氣間隙擊穿,電化學腐蝕,緩沖層環流燒蝕,電場仿真,模擬放電燒蝕試驗,電化學腐蝕試驗,腐蝕形貌觀察,溫度場仿真,模擬熱量燒蝕試驗,電容電流集中,TG曲線分析,模擬燒蝕試驗,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因一：電容電流集中引發燒蝕故障,電容電流通過電纜半導電緩沖層導入金屬護套進而接入大地，電容電流的大小主要取決于電纜結構，但電纜半導電緩沖層與金屬護套之間的電容電流分布，以及兩者之間發熱情況，均與半導電緩沖層的電阻值和接觸電阻有關。,緩沖層（含緩沖層）等效電路示意圖,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,正常情況下不會有問題，但是當半導電緩沖層電阻

9、值RH較大、R接較大時，將導致兩者接觸部位發熱異常，長期發熱情況下將引發緩沖層燒蝕。尤其是在半導電緩沖層與金屬護套不均勻接觸時，將電容電流IC將集中在某一個接觸區域，從而加劇與加快緩沖層燒蝕。因此，半導電緩沖層電阻值、與金屬護套的接觸電阻、以及接觸面積均應是控制關鍵點。,原因一：電容電流集中引發燒蝕故障,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,對引發燒蝕所求功率條件（P=UCHIC）做模擬試驗試驗初始條件：室溫2025；平均溫度60%15；樣品電纜兩端（鋁護套與絕緣屏蔽之間）加可調節電壓，使電流穩定于200mA左右，電流大于200mA時，可觀測到火花放電，燒蝕。起始電壓可在45V至70V之間變化。,

10、模擬試驗示意圖,原因一：電容電流集中引發燒蝕故障,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化學腐蝕引發燒蝕故障,阻水帶結構示意圖,阻水帶結構成分分析圖中，1為無紡布（其上涂有半導電膠）、2為蓬松棉（含炭黑）、3為阻水粉是一種高吸水膨脹材料。阻水粉主要成分為聚丙烯酸鈉、為弱堿性。此外，還含有單體CM（氯化聚乙烯）、交聯劑、引發劑和去離子水等成分。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化學腐蝕引發燒蝕故障,一方面，護套和阻水帶接觸緊密部分，弱堿性阻水粉受應力析出阻水帶表面，在潮濕有水的環境下，皺紋鋁在堿性環境中發生化學反應引發燒蝕。另一方面，緩沖層與鋁護套間存在容性電流，在潮濕有水環境

11、下，電流的存在加速了護套與緩沖層發生化學反應，即電化學腐蝕。上述電化學腐蝕的發生，均將導致半導電緩沖層電阻值，以及與金屬護套的接觸電阻變大，從而引發燒蝕情況。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化學腐蝕引發燒蝕故障,阻水粉水溶液顯堿性,阻水粉吸水后在電場的作用下會使OH-聚集到鋁與阻水帶的交界處，發生如下反應:,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化學腐蝕引發燒蝕故障,模擬試驗驗證一交流電壓源模擬電纜徑向電流聚丙烯酸鈉溶液模擬阻水緩沖層潮濕環境；因為緩沖層中摻入大量炭黑，因此選取石墨碳棒作為一極；純鋁板作為另外一極，模擬鋁護套。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化

12、學腐蝕引發燒蝕故障,模擬試驗結果：鋁會與阻水粉溶液發生電化學反應,光鏡下鋁腐蝕形貌圖,SEM下腐蝕鋁形貌圖,腐蝕鋁表面元素分布,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化學腐蝕引發燒蝕故障,模擬試驗驗證二計算實際電纜中阻水帶所承受的壓力，在護套上施加相應的載荷；通過仿真計算鋁護套上的電流值，在護套上施加相應的電流；構建潮濕環境，記錄實驗開始時間，經過一段時間后，觀察是否存在燒蝕現象；,模擬試驗示意圖,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因二：電化學腐蝕引發燒蝕故障,模擬試驗結果,不同電流下腐蝕所需時間及腐蝕形貌,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因三：緩沖層與金屬護套因放電引發燒蝕,電纜

13、沿著徑向存在著電場分布，電纜外半導電層以及半導電緩沖層均存在電場，正常情況下因與金屬護套（接地、地電位）可靠接觸，電纜緩沖層的電場接近為零。但如果半導電緩沖層與金屬護套之間間隙控制不當，或者兩者之間接觸嚴重不良，則可能導致半導電緩沖層存在懸浮電位，半導電緩沖層與金屬護套之間存在電位差，因放電引發燒蝕。對于上述放電機理分別通過電場仿真實驗以及放電燒蝕模擬試驗進行驗證。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因三：緩沖層與金屬護套因放電引發燒蝕,仿真實驗驗證,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因三：緩沖層與金屬護套因放電引發燒蝕,電纜內部電勢徑向分布,金屬緩沖層與緩沖層間隙電場分布,電纜內部空氣間

14、隙電場分布(考慮感應電壓）,仿真實驗結果：當鋁護套波谷與緩沖層間距為0.5mm時，最大電場強度為6.39kV/mm；存在較大感應電壓時，最大電場強度為28.4kV/mm，遠遠高于空氣擊穿場強,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因三：緩沖層與金屬護套因放電引發燒蝕,模擬試驗驗證：在仿真計算基礎上通過試驗進一步驗證放電燒蝕。,電纜內部結構軸向剖面圖,實驗裝置示意圖,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因三：緩沖層與金屬護套因放電引發燒蝕,模擬試驗結果 起始放電場強隨間隙的增大而變化，呈先增大后緩慢減少趨勢，在d=0.3mm處有最大擊穿場強，數值為2.46kV/mm。,不同間隙下起始放電電壓,0.

15、3mm間隙下模型試樣仿真結果圖,模型試樣不同間隙下的放電場強,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因三：緩沖層與金屬護套因放電引發燒蝕,模擬試驗結果,不同間隙下，仿真所計算出的空氣間隙內的場強均大于從實物模型實驗中所獲取的起始放電場強。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因四：金屬護套環流引發燒蝕,當皺紋鋁護套存在環流時，金屬護套電流產生的熱效應有可能使得與金屬護套接觸的緩沖層局部產生過高溫度，易引發緩沖層燒蝕。對于上述燒蝕機理利用電場仿真軟件，建立了110kV電纜內部溫度場仿真模型，分別對緩沖層上不存在環流以及緩沖層上存在40A電流的情況進行了仿真計算，探究不同緩沖層環流下緩沖層溫度分布情

16、況。并且通過燒蝕模擬試驗進行進一步驗證。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因四：金屬護套環流引發燒蝕,電場仿真結果表明：隨著護層環流的增加，緩沖層的溫度逐漸升高。環流值達到40A時，緩沖層的溫度升高到200攝氏度以上。,接觸點的溫度仿真值,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因四：金屬護套環流引發燒蝕,利用熱重分析儀分析出緩沖層TG曲線，根據緩沖層TG曲線，當溫度在200攝氏度時，緩沖層已開始進行變化分解，結合電場仿真時鋁護套40A時緩沖層溫度，印證緩沖層處于燒蝕狀態。,緩沖層TG曲線,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,原因四：金屬護套環流引發燒蝕,模擬試驗驗證,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應

17、對措施,原因四：金屬護套環流引發燒蝕,模擬試驗驗證,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,電纜緩沖層燒蝕原因總結,主要原因是阻水層結構存在風險，容易出現燒蝕問題。導致故障的誘因有：半導電緩沖層與鋁護套之間配合太松、接觸電阻大；半導電緩沖帶材本身體積電阻率、表面電阻偏大；半導電緩沖阻水層受潮后電性能變差，易形成化學腐蝕；架混線路架空線接地故障多，頻繁操作的電纜線路；長期重載電纜線路突然輕載或空載運行。,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,1、改善半導電緩沖層電性能,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,2、做好生產過程控制,高壓電纜緩沖層燒蝕機理及應對措施,3、使用金絲布做外層繞包,03,主要開展工作,主

18、要開展工作,2018年2月，北京公司運檢部組織開展待投產工程高壓電纜入網強制檢測工作，發布國網北京市電力公司新安裝高壓電纜設備強制檢測工作要求（京電運檢20185號）文件，依據文件要求，電纜阻水層體積電阻率作為抽檢內容之一，由各建設單位委托北京電科院負責檢測并出具檢測報告。新投運工程必須提供合格的檢測報告，方可批復投產。檢測過程中發現高壓電纜質量問題的或性能指標不滿足要求的，電科院及時通知物資部、運檢部、建設部、物資公司，由物資公司通知建設單位，物資部根據國網公司供應商相關管理規定進行退貨處理。,主要開展工作,強制檢測情況：北京公司依據JB/T 10259-2014 電纜和光纜用阻水帶標準進行

19、檢測，共檢測出7盤電纜阻水帶體積電阻率超標（兩個批次），最大測量值達到1.69106cm，遠超出標準中規定縱向阻水層體積電阻率不應超過1.0105cm的要求。對于不滿足要求的電纜，北京公司予以全部退貨，并要求其重新供貨合格電纜。,主要開展工作,高壓電纜招標技術條件書阻水層技術參數修訂條款。修改內容主要包括兩個方面：一是，進一步提高阻水帶表面電阻率及體積電阻率參數指標。由原來的“阻水帶表面電阻率應不大于1500m以及體積電阻率不大于1105m”（行標內容，國網技術條件沒有規定）修改為“阻水帶表面電阻率應不大于1000m以及體積電阻率不大于6104m”。二是，金屬絲布為鍍錫銅絲與半導電織物編織，鍍

20、錫銅絲縱向排列，直徑0.20mm0.01mm，數量不少于20根，鍍錫銅絲應均勻一致裸露于表面，以確保良好的電氣聯接，金屬絲布表面電阻率及體積電阻率測量數據應為零值，測量方法同阻水帶。,主要開展工作,針對北京公司電纜緩沖層燒蝕隱患，2019年開展同批次電纜本體隱患消隱檢測工作：一是，開展110千伏椿宣二線、110千伏窯永一前支線、110kV運北一線、110千伏崇前線、110千伏新隆線以及110kV椿復一線等6條同廠家同批次隱患消隱工作。二是，針對消隱電纜工程，開展現場寬頻阻抗譜檢測工作，并將電纜工程截取試樣送檢電科院及高校開展材質分析及緩沖層電阻率檢測工作。,主要開展工作,目前國網及相關網省公司

21、針對緩沖層燒蝕檢測情況開展大量工作，主要為寬頻阻抗譜檢測以及X射線檢測，總結如下：寬頻阻抗譜法主要通過缺陷引起的首端阻抗變化，尤其是電容變化而導致的電纜阻抗變化來檢測缺陷并定位。對于高壓電纜來說，緩沖層燒蝕引起的R、L、C、G變化是否敏感，是否能可靠定位局部缺陷點，有待進一步驗證。X射線對電纜緩沖層內較大的燒蝕點成像效果較好，對中等大小及小塊的燒蝕點成像效果不佳，鋁護套對X射線檢測結果影響較大。此外，X射線檢測的成像區域較小，成像效果受拍攝角度、背板性能、電源容量、測試空間、軟件分析等條件影響較大，高能射線對電纜絕緣的不可逆損傷程度也未知。X射線檢測僅適用于已知大概缺陷區段的進一步排查。,主要開展工作,針對緩沖層燒蝕機理及檢測技術存在的難題，北京公司聯合中國電科院、上海公司、西安交通大學以及國內電纜制造廠商，進一步開展高壓交聯聚乙烯電纜緩沖層故障機理與檢測關鍵技術研究，包括：高壓XLPE絕緣電纜緩沖層故障特征與機理研究；高壓XLPE絕緣電纜緩沖層性能檢測與優化技術研究；在運高壓XLPE絕緣電纜緩沖層燒蝕缺陷檢測與狀態評估技術研究。,報告結束 謝 謝,