110 kV交联电缆线芯进水处理

孙进　焦爱军　时振堂　潘玉

摘 要： 以110 kV交联电缆进水故障为例，总结了目前电缆在运行管理中出现进水故障的原因、危害和常见处理方法。某石化企业110 kV交联电缆发生单相接地故障后，故障电缆线芯全段进水，无法正常恢复，通过分析电缆故障时线芯负压吸入蒸汽而凝结成水的机理，根据抽真空充氮气的方法制定干燥处理方案，成功地应用抽真空充氮法进行了水分清除，完成电缆修复，为此类电缆进水受潮故障的处理提供参考。

关 键 词：交联电缆；单相接地；进水

中图分类号：TM757 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1450-03

Treatment of Water Infiltration Fault of 110 kV XLPE Power Cable Conductor

SUN Jin1，JIAO Ai-jun2，SHI Zhen-tang1，PAN Yu2

（1. Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemcals ， Liaoning Dalian 116049， China；

2. Sinopec Qilu Petrochemical Company， Shandong Zibo 255411， China）

Abstract： Taking water infiltration accident of 110 kV XLPE cable as an example， fault reasons， harm and common treatment methods in the cable operation and management were summarized. After the single-phase grounding fault of 110 kV XLPE cable happened in a company， water infiltrated into the whole fault cable conductor， and normal operation was not restored. By analyzing the mechanism of fault cable inhaling the vapor to condense into water， the drying treatment scheme was formulated based on vacuumizing and filling nitrogen method， the moisture was successfully removed and the fault cable was repaired.

Key words： XLPE power cable； Single-phase grounding； Flooding

電力电缆是电力系统输变电线路的主要形式之一，由于其具有绝缘性优异、传输容量比大、满足防爆要求等特点，在石化企业得到了广泛应用，是炼化企业和油田电网输配电网络的重要组成部分[1]。

目前应用广泛的交联聚乙烯有多种敷设方式，包括直埋敷设、隧道敷设和沟道敷设等，应根据工程条件和环境特点，结合可靠性原则和经济性原则选择适合的安装方式。为保证电缆线路的安全可靠，需严格规范电缆本体及附件的产品质量，按照GB50168-92电缆线路施工及验收规范标准规范的具体要求进行敷设安装。在电缆运行过程中出现进水受潮故障后，若不采取措施进行去潮干燥处理，主绝缘结构在水分和高压电磁场的作用下逐步形成水树枝，破坏主绝缘，长时间发展将导致绝缘击穿故障，影响电网稳定和供电安全，甚至导致全厂停电，造成重大经济损失和人员伤害 [2，3]。

1 电缆线芯进水原因与危害

1.1 电缆线芯进水受潮的原因

根据电缆施工、运行的管理与经验，总结电缆在出厂、敷设和运行过程中进水的原因，主要有以下几种情况[4，5]：

（1）电缆出厂和运输过程中，因操作不当等原因出现铅封松动或破裂，导致其密封性下降，增加电缆进水的风险。

（2）电缆敷设过程中，由于气象或施工环境等原因，电缆沟内可能存在积水，若电缆头密封不严并浸在水中将导致电缆进水；电缆敷设施工中，需进行切断电缆和铅封密封操作，若密封操作不符合规范，电缆在运行过程中也存在进水风险；电缆敷设过程，在进行牵引和穿管操作时，若外护套或铝护套被损坏，将导致电缆进水。

（3）在电缆正常运行中，由于外力破坏等因素会引发电缆击穿或破损事故，若此时电缆沟中存在积水，将导致电缆故障点进水。

1.2 电缆线芯进水的危害

高压电缆的主绝缘结构通常为高聚物材料，当电缆进水或受潮后，主绝缘高聚物在强电场作用下易发生水解，聚合物发生水解反应后强度降低、柔性下降，高聚物吸附、吸收水分后，水分在主绝缘内部进一步扩散，其电性能劣化，聚合物材料的电容和介质损耗角正切均增加，体积电阻和击穿场强均下降。另一方面，电缆进水后，主绝缘内部会生成“水树枝”，“水树枝”是电缆吸附、吸收或扩散的水分在高压电场作用下生成的领结形状或发散形状的气隙，绝缘层高聚物材料中存在的杂质、气孔以及绝缘层与内外半导电层结合面的不均匀处所形成的局部高电场是产生“水树枝”的起点，“水树枝”发展过程一般在8 a以上，随着主绝缘结构的温度、湿度或电压升高，水中离子含量增加，“水树枝”愈加严重。

“水树枝”逐渐向主绝缘结构内部伸展的同时，也加速了主绝缘高聚物材料的老化，缩短电缆的使用寿命，甚至导致主绝缘结构在短期内被击穿[6]。电缆现场试验与检测数据显示，“水树枝”危害会增加电缆内的局部应力，当电缆在高温条件下，“水树枝”发生氧化，导电性增加，直至热击穿故障；当电缆在低温条件下，“水树枝”经长时间氧化逐渐发展为电树，进一步破坏电缆[7，8]。

1.3 电缆线芯进水的处理方法

解决电缆进水故障的关键在于恢复进水电缆的干燥度，即降低电缆线芯含水量，把电缆内部的水分子转移出来。目前，较常见的方法包括[9]：

（1）液态水抽出法。

当高压电缆大量进水时，需采用液态水直接抽出的方法初步处理，利用真空抽水原理降低电缆线芯中的含水量。

（2） 高纯氮气干燥法。

此方法适用于电缆经液态水抽出处理后或电缆线芯微量进水受潮的情况，利用高纯氮气具有干燥的特点，将其充进高压电缆线芯中进行处理，此方法常与液态抽水法配合使用，有效提高电缆进水后干燥处理的效果。

（3）空气蒸发-水蒸气抽出法。

根据克拉贝龙-克劳修斯方程的温度变化计算公式：

式中：T ——温度；

P ——压力；

△Hm ——摩尔汽化焓；

R ——常数。

确定电缆所处环境温度后，降低线芯内空气压力至线芯内的液态水在环境温度下可蒸发成为水蒸气，再结合抽水原理将线芯中的水蒸气抽出，从而降低电缆线芯内的含水量。

（4） 微水仪检测法。

微水仪采用湿敏元件对进水电缆的抽出气体进行含水量分析，微水仪检测法常与上述方法结合使用，直观、快速的判断电缆进水的严重程度和干燥处理效果。

2 电缆故障及原因分析

2.1 电缆线路故障情况

2007年1月30日中午11时18分，某石化企业一变电站110 kV离子膜I线路差动保护动作， 21213开关跳闸。经检查，离子膜I线路C相电缆位于氯碱厂东门西侧工艺管廊170-171号柱之间，蒸汽管线保温损坏后烫伤C相电缆，造成单相接地故障。110 kV离子膜I、II线路是离子膜整流变的电源进线，采用ZR-YJLW02-64/110 kV 1×240交联聚乙烯绝缘电缆，桥架三相平行敷设，线路全长1 628 m，分三段，2004年8月投运。本次故障点位于电缆中间段，距离西侧中间接头约40 m，东侧中间接头约500 m。

事故发生后，管理部门迅速组织技术人员抢修，初步计划利用备用的120 m电缆接续原电缆恢复。施工过程中发现电缆线芯中严重进水，在切除东侧电缆近40 m后，电缆线芯仍然不断向外滴水，抢修工作被迫停止。

2.2 进水原因分析

离子膜I线路电缆为架空电缆桥架敷设，故障前已正常运行29个月，负荷电流约350 A。根据电缆运行情况排除投运前施工不当进水可能性，初步判断进水原因是电缆运行中内部温度高，电缆内部空气逐渐被排除，事故时电流突降、温度下降，形成线芯负压区域，突然与外界連通，蒸汽管线破损后泄漏的水蒸气被大量吸入电缆线芯内，电缆线芯金属铜具有良好的导热性，水蒸气在线芯中迅速凝结成水。线芯中的水分在电场作用下生成水树枝，逐步导致电缆击穿。

进一步切开西侧中间头检查发现，该电缆只有中间段500 m左右的电缆线芯进水，由于电缆在中间接头处钳压紧密，水蒸汽在该接头处受阻，避免了水蒸气进一步扩散至该电缆的其他两段。为满足企业生产需要，需尽快对进水电缆进行干燥处理。

3 处理方案与过程

首先应清除电缆线芯中的水分，再进行中间接头施工。为提高故障处理效率和质量，采用抽真空和充氮气置换相结合的方法去除故障电缆线芯中的水分，具体方案如图1所示。开断电缆东侧中间接头，端部用带气嘴的热塑性封头帽密封，并用胶带、钢丝扎紧固定；用干燥氮气通过东侧气嘴对电缆充气，氮气压力加至0.1～0.15 MPa后封闭该侧气嘴；使用真空泵在西侧进行抽真空，0 ℃时水的饱和蒸汽压大约0.6个大气压，所以真空度控制在-40～50 kPa以保证水分充分气化；上述过程每小时循环一次。抽出的气体主要成分是氮气，使用DIL0 3-031-R002六氟化硫露点分析仪对其进行含水量检测，至2次抽样气体的含水量不下降为处理合格。电缆芯线内部干燥处理工作原理图如图2所示。

1月31日16时起开始进行抽真空充氮气循环，初测液氮瓶出口氮气露点为-41 ℃，对应含水量约100 ppm。由于天气寒冷，除水工作不能24 h进行。24 h后，测真空泵排出的气体露点为1 ℃。继续除水约72 h后，测真空泵排出的气体露点为-20 ℃，对应含水量约1 000 ppm，并且不再下降。

由于现场充气、抽真空及采样环节均未存在漏气问题，电缆线芯已达到甚至超过施工现场能够保证的干燥效果，可进行电缆中间接头作业。

2月6日进行电缆中间接头制作和试验，2月13日完成中间接头制作，2月14日中午离子膜I线电缆进行绝缘试验，试验结果合格且送电成功，该电缆运行至今约64个月未发生事故。

通过本次电缆进水处理，修复电缆约400 m，节约资金约320万元，提前两个月恢复厂区供电。同时明确了电缆故障进水的故障机理，掌握了电缆线芯进水的清除方法和判据。

4 结论与建议

电力电缆是石化、工矿企业供电线路的主要形式，其故障修复周期长，影响厂矿的安全生产。电缆进水或受潮后，对其机械性能和电气性能都会产生严重影响，甚至影响整个电力系统的安全可靠。通过本次电缆线芯进水处理，可得出以下结论：

（1）电力电缆线芯进水后须进行除水处理，避免电场作用下水树枝的生成和发展，损坏电缆主绝缘。

（2）抽真空充氮方法可以有效去除电缆内部水分，本次处理提供了详细方案和数据，可以为类似的工作提供参考。

电缆进水故障的迅速排除，为保障可靠供电提供条件。针对电缆的进水预防给出如下建议[10]：

（1）电缆出厂前应做防水处理，充分密封电缆热缩头。

（2）电缆牵引头应采用铅封结构，有利于电缆端头受力均匀，避免热缩头受力破损或脱落。

（3）要采用电缆敷设架托起电缆，避免电缆直接在地面上拖行。

参考文献：

[1] 李霞娟， 龚尊， 王振伟，等. XLPE电力电缆去潮方法模拟试验研究[J]. 高电压技术， 1994（4）：55-57.

[2] 孙进， 黎德初， 胡学良，等. 110 kV电缆内部放电故障分析与机理研究[J]. 当代化工， 2016， 45（8）：2014-2016.

[3] 顾青. 高压交联聚乙烯电缆进水问题处理方法的探究[J]. 电线电缆， 2011（6）：39-42.

[4] 林礼健. 220 kV北南线电缆A相中间接头故障原因分析[J]. 高电压技术， 2004， 30（s1）：44-45.

[5] 郭记平. 交联聚乙烯电缆除水干燥处理技术[J]. 山西焦煤科技， 2006（4）：32-33.

[6] 钟建灵， 江毅. 110 kV交联电缆进水的处理[J]. 广东电力， 2003， 16（2）：71-72.

[7] 国家标准 GB/T 8979-2008 纯氮、高纯氮和超纯氮[S].

[8] 国家标准GB/T 5832.2-2008 气体中微量水份的测定第2部分露点法[S].

[9] 邱晓军， 杨秀友. XLPE-110 kV电力电缆进潮的检测及真空充氮除潮处理技术[J]. 城乡建设， 2013.

[10]郑海，唐信. 一起110kV电缆进水缺陷的分析与处理[J]. 电子世界，2014（24）：84-85.