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        光伏電站箱變電纜頭頻繁擊穿事故分析

        發布時間:2021/12/9

        摘要:某光伏電站3個月內發生8起箱變電纜頭擊穿事故。通過分析交聯電纜結構、電纜頭連接機理,結合現場檢查情況,發現電纜頭制作工藝存在應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,在正常運行或存在諧振過電壓時,會導致電纜頭擊穿。據此,提出嚴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量、加強檢修及運維管理等改進預防措施,以避免此類問題的再次發生。

         

        0

        引言

        隨著中國新能源事業的不斷發展,并網型光伏發電項目所占比例越來越高。由于多數項目為搶電價趕超“6.30”和“12.31”的時間節點,因此時間短、任務重,許多項目的設計不符合規范和現場實際條件。

        EPC總包方為了節約成本,在采購環節降低對設備質量的要求,在基建過程中施工管理不到位,導致施工質量問題較多,為后續運維埋下諸多隱患。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,還危及到運維人員的生命安全,對電站安全運行帶來嚴重威脅。


        1

        事故過程

        1.1

        工程概況

        西北某光伏電站裝機容量為50MW,采用分塊發電、集中并網方案。一個1MWp的光伏發電子系統,由太陽能電池組件經過串并聯,得到并網逆變器所要求的電壓,再將串聯組件接入逆變器,經逆變器后太陽能電池發電單元輸出電壓0.48kV,再經1臺1000kVA箱變升壓至35kV后與電站內集電線路相連。該項目共安裝50臺1000kVA箱變,經箱變后以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,箱變高壓側采用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,監控后臺報警17區數據采集器通信中斷。打開17區箱變高壓室柜門發現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開關跳閘。保護裝置動作記錄顯示“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);保護裝置告警記錄顯示“本線路接地”;檢查到#1集電線路311開關所帶的19區箱變A相電纜頭被擊穿。

        (3)“2.7事故”。2018年2月7日22時39分,后臺監控系統報“#2集電線路312開關本線路接地”。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,此光伏電站共發生8起35kV箱變高壓側YJV 26/35kV 1*70mm2電纜頭擊穿事故。8起事故發生的時間及區域見表1。

        表1 電纜頭擊穿事故統計

        序號

        事故發生時間

        電纜頭擊穿區域

        1

        2017-11-25 7:46

        11區箱變B相

        2

        2017-11-27 6:53

        17區箱變B相

        3

        2017-12-22 3:59

        19區箱變A相

        4

        2018-01-21 8:54

        7區箱變B相

        5

        2018-02-07 22:39

        14區箱變C相

        6

        2018-02-21 9:18

        8區箱變C相

        7

        2018-02-21 9:18

        17區箱變C相

        8

        2018-02-25 10:35

        18區箱變C相


        2

        事故原因分析

        2.1

        交聯電纜結構和電纜頭連接的機理分析

        交聯電纜結構如圖1所示,主要由外護層、包帶、銅屏蔽、填料、外半導體屏蔽層、交聯聚乙烯絕緣、內半導體屏蔽層和導體組成。在線芯外的內半導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電屏蔽層與主絕緣緊密相連,同樣起到均勻電場的作用。


        交聯電纜結構圖


        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去屏蔽層會導致徑向電場改變為對絕緣不利的切向電場,剝去屏蔽層的線芯在屏蔽層斷口處集中產生沿導線軸向的電力線。如果不對屏蔽層斷口處進行絕緣處理,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,可有效加強屏蔽層斷口處絕緣,但應力管受潮或老化后分散電力線的能力隨之下降,絕緣損壞從而發生擊穿事故。同時,應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,關系到電纜的安全運行。


        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生在屏蔽層斷口處。解剖故障電纜頭后發現,應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點是應力管位置安裝點,D點是半導體屏蔽層切斷點。在制作電纜頭時,屏蔽層保留長度40mm(BD段),半導電層末端修整成小斜坡使半導電層與絕緣層平滑過渡,應力管與屏蔽層有25mm接觸長度(CD段)。應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力的作用。

        正確的電纜頭安裝圖

        2.3

        電纜附件質量問題

        電站35kV箱變高壓側電纜頭全部采用熱縮電纜頭。熱縮電纜頭使用橡塑材料,應力控制管、外絕緣保護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,白天負荷高,晚上空載運行,在電纜運行溫度和西北地區早晚溫差大的環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生界面握緊力來保證界面特性,當附件安裝進入運行后便不能再進行加熱。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,只靠熱縮管內壁極少的熱熔膠彈性來保證界面遠遠不夠,長時間運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,發現絕緣套管尾端均有不同程度(約1cm左右)的縮進距離,且熱縮套管與電纜本體有縫隙,如圖3所示。分析認為,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不同,因此在溫度低于80℃時產生脫層,熱縮套管與電纜本體間出現縫隙,導致灰塵和空氣中的水分進入,降低了電纜頭的絕緣,造成擊穿事故。


        熱縮套管縮進與電纜本體出現縫隙


        2.4

        電纜質量問題

        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象。

        電纜線芯周圍的絕緣材料分布不均勻


        2.5

        過電壓問題

        通過向運維人員了解故障前后的現場情況,查看保護裝置動作情況及后臺報警信息,分析故障錄波圖形,發現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生的,其余5次是在額定電壓下發生的。


        2.6

        總結

        通過分析,認為導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;電纜本體質量差,存在絕緣偏心、絕緣內有雜質、絕緣屏蔽厚度不均勻現象;系統存在諧振過電壓。


        3

        預防措施

        3.1

        嚴格規范電纜頭制作工藝

        電纜頭制作人員應經過專門培訓,持證上崗,切忌犯經驗主義錯誤。制作電纜頭時嚴格按照廠家說明書的要求去做,一定要對屏蔽層斷口處進行處理,防止主絕緣內存在雜質和氣隙,作業時的空氣相對濕度應在70%以下。

        根據GB 50168—2006《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》要求:制作塑料絕緣電力電纜終端與接頭時,應防止塵埃、雜物落入絕緣內,嚴禁在霧或雨中施工。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行。應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不足,防止電纜收縮時應力管與屏蔽層脫離處產生集中電場應力導致絕緣被擊穿。

        以下為35kV交聯電纜單芯熱縮終端制作安裝步驟。

        (1)將電纜調直固定,按規定尺寸剝去電纜末端外護套。

        (2)保留60mm銅屏蔽,其余削去。

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

        (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。在半導電帶外繞包兩層半導電帶,半導電帶繞包時要拉伸200%,并搭接線芯絕緣5mm、銅屏敝5mm。

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

        (7)繞包填充膠,與護套管齊平即可。

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

        (9)切去多余線芯,根據端子孔深加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。按規定尺寸套入傘裙(戶外5個,戶內3個),加熱收縮至固定。單芯熱縮終端安裝完畢。


        3.2

        使用材質好的冷縮電纜頭

        冷縮電纜頭使用硅橡膠材料,應力錐、外絕緣保護管及傘裙為一體,優點是彈性好、抱緊力強、密封效果好,可避免環境溫度和電纜運行中負載高低產生的巨大溫差造成電纜附件與電纜本體間出現縫隙。交聯聚乙烯電纜附件界面的絕緣強度與界面受到的握緊力有指數關系,當界面壓力達到98kPa時,其擊穿強度能達到3kV/mm以上;當界面壓力達到500~588kPa時,其擊穿強度能達到11kV/mm。在設計電纜附件時,界面的場強取擊穿強度的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

        使用材質好的電纜

        提高電纜生產工藝,采用先進的生產工藝和檢測設備,避免出現絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻現象;減少和控制制造過程中產生的雜質等可以引發“樹枝”現象的因素。加強電纜質量檢測力度,電纜檢測項目主要包括結構尺寸檢查、絕緣熱延伸試驗、導體直流電阻檢測。對于檢測不合格電纜,堅決不能用于現場施工。


        3.4

        加強基建過程的施工質量監督

        按照GB 50168—2006《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》的相關要求,加強對電力電纜施工質量的監督及驗收力度。


        3.5

        加強電纜運行維護

        (1)按照DL/T 596—2005《電力設備預防性試驗規程》和GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》要求,加強對電纜的耐壓試驗。按照規范要求對電纜進行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備運行情況,所以可改善絕緣介質中的放電情況,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,不能模擬電纜運行工況,直流電場促使絕緣介質發生“電樹枝”現象,直流殘余電荷的記憶效應會使直流偏壓疊加在運行電纜工頻電壓峰值上,使得運行電纜電壓遠超過額定電壓,加速電纜絕緣老化,縮短電纜使用壽命。

        (2)根據電磁感應原理可知,電纜頭在運行過程中會消耗電能而產生熱量,加之通風措施不夠,達不到理想狀態的散熱條件,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,加強對溫度較高電纜的監視。


        3.6

        實際處理結果

        重新采購質量合格的電纜和冷縮電纜附件,聘請專業制作安裝電纜頭人員將箱變高壓側電纜全部更換,最后交流耐壓試驗需合格。全部更換后再未出現電纜頭擊穿事故,設備運行正常。


        4

        結語

        電纜頭是電纜線路的重要環節,應使用材質好的電纜頭及電纜,嚴格規范電纜頭制作工藝,并在后期運維過程中加強電纜頭的運維,按照試驗規程定期試驗,采用紅外測溫記錄溫度,發現異常及時處理,避免釀成事故。


        參考文獻

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

        [2] DL/T 596—2005 電力設備預防性試驗規程[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備交接試驗標準[S].


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