摘要：某光伏電站3個(gè)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(shí)，會(huì)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(xiàng)目所占比例越來越高。由于多數(shù)項(xiàng)目為搶電價(jià)趕超“6.30”和“12.31”的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，因此時(shí)間短、任務(wù)重，許多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)不符合規(guī)范和現(xiàn)場實(shí)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(gè)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(tái)1000kVA箱變升壓至35kV后與電站內(nèi)集電線路相連。該項(xiàng)目共安裝50臺(tái)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(xiàng)目屬于搶電價(jià)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(shí)53分，監(jiān)控后臺(tái)報(bào)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(shí)59分，#1集電線路311開關(guān)跳閘。保護(hù)裝置動(dòng)作記錄顯示“過流I段動(dòng)作”，故障相是A相，動(dòng)作電流為30.12A，動(dòng)作時(shí)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(shí)39分，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“#2集電線路312開關(guān)本線路接地”。PT消諧裝置報(bào)“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(shí)間及區(qū)域見表1。
表1 電纜頭擊穿事故統(tǒng)計(jì)
序號(hào)
事故發(fā)生時(shí)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(shí)剝?nèi)テ帘螌訒?huì)導(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(huì)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(shí)，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(shí)屏蔽層斷口處的絕緣處理未按照工藝要求實(shí)施。如圖2所示，A、B、C、D點(diǎn)是電纜頭制作安裝中的關(guān)鍵點(diǎn)。A點(diǎn)是電纜頭位置安裝點(diǎn)，B點(diǎn)是銅屏蔽層的切斷點(diǎn)，C點(diǎn)是應(yīng)力管位置安裝點(diǎn)，D點(diǎn)是半導(dǎo)體屏蔽層切斷點(diǎn)。在制作電纜頭時(shí)，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(dú)制作、配套施工，缺點(diǎn)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(shí)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(shí)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(dòng)作情況及后臺(tái)報(bào)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?yàn)椋弘娎|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(yàn)主義錯(cuò)誤。制作電纜頭時(shí)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(shí)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(yàn)收規(guī)范》要求：制作塑料絕緣電力電纜終端與接頭時(shí)，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(huì)使電場分散不足，短了會(huì)使電力線傳導(dǎo)不足，防止電纜收縮時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)，戶內(nèi)3個(gè)），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(diǎn)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(shí)，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(shí)，其擊穿強(qiáng)度能達(dá)到11kV/mm。在設(shè)計(jì)電纜附件時(shí)，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(xiàng)目主要包括結(jié)構(gòu)尺寸檢查、絕緣熱延伸試驗(yàn)、導(dǎo)體直流電阻檢測。對于檢測不合格電纜，堅(jiān)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(yàn)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(yàn)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(yàn)規(guī)程》和GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》要求，加強(qiáng)對電纜的耐壓試驗(yàn)。按照規(guī)范要求對電纜進(jìn)行20～300Hz交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為2U0，時(shí)間為60min。因?yàn)榻涣髂蛪涸囼?yàn)值低于直流耐壓試驗(yàn)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(yàn)電壓較高、試驗(yàn)時(shí)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(huì)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(huì)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(shí)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(yàn)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(yàn)規(guī)程定期試驗(yàn)，采用紅外測溫記錄溫度，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，避免釀成事故。
參考文獻(xiàn)
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