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摘要：当前我国风电场集电线路工程建设中大量使用35kV电缆，但由于种种原因35kV集电线路电缆故障较为频繁，对风电场的安全生产造成了严重影响。本文对某风电场发生的一起由35kV 集电线路电缆短路故障进行了分析，并在此基础下对风电场35kV集电线路电缆接头故障的处理要点进行了论述，同时还结合风电场的实际情况给出了预防措施和改进建议。
关键词：35kV；集电线路；电缆；故障；电缆头制作；防范措施；
引言：风电场35kV集电线路电力电缆敷设范围广，电缆多埋于地下，出现故障时故障点难以查找，往往要花费数小时，甚至几天的时间，而且故障处理也较为麻烦，需要耗费较大的人力、物力。因此电缆故障发生后，如何快速、准确、经济地对电缆故障点进行确认，并尽快修复受损电缆，减少故障修复费用及停电时间是风电场十分关心的问题。本文旨在根据某风电场典型的35kV电缆接头故障，简要分析了电缆接头故障常见的形成原因，提出了35kV交联聚乙烯电缆接头的制作方法和要点，并提出防止电缆故障的应对技术措施和方法。
1 风电场运行情况及故障描述
某风电场I、II期共安装了50台2MW直驱型风电机组，总装机容量为99MW。风力发电机出口电压690V，每台机组配置一台容量为2350kVA的箱式变压器，将发电机出口电压升至35kV后经高压电缆送至风电场升压站，后经110kV 主变及GIS设备并入电网。发生故障前升压站的运行方式为： #1、#2主变及35kVI、II段正常运行， 35kV单母线分段运行，分段开关400在冷备用状态，所有风电机组及集电线路正常运行，平均风速5.3m/s左右，风电场总输出功率在25.4MW。
2016年2月7日上午10时25分，升压站站内设备监控系统突然发出“开关遥信变位”报警声，监控系统上6号集电线路432断路器跳闸“分闸”指示灯绿灯闪动，同时风机SCADA监控系统上显示6号集电线路所有风机无通讯，值班人员立即去35kV配电室现场检查35kVII段6号集电线路432开关柜发现开关“分闸”指示绿灯亮，线路保护测控装置上报警灯亮、“零流I段”保护动作出口，保护启动时间为2016年2月7日上午10时25分43.9042ms，动作时长：498ms。检查现场无明显异味，432开关后柜门电缆头处无放电烧灼痕迹。随后进入继电保护室查看故障录波记录情况，显示6号集电线路电缆故障距离为0.091km，故障时35kVII段母线电压值：A相34.107KV，B相35.687KV，C相1.972KV，N相57.842KV；故障时6号集电线路电流值：A相0.079KA，B相0.094KA，C相0.059KA，初步判断为6号集电线路432开关电缆C相接地。检查故障录波情况如图1、图2所示。
随后将432开关由“热备用”转“检修”，打开开关后盖，带集电线路箱变用2500V兆欧表对三相电缆摇绝缘，绝缘值为140兆欧，说明电缆没有发生直接金属性短路接地故障，怀疑为闪络性高阻故障，闪络性高阻故障在交联聚乙烯电缆故障中占有较高比例，此类故障点查找起来比较困难。一般方法为先进行粗测，利用低压脉冲法先测定被测电缆的全长和短路、断路故障的距离。对于高阻故障，可用高压闪络法测出故障点距测试端的距离。之所以称为粗测，是因为测出的数值仅表示被测电缆的地下长度，由于电缆在地下走线及预留长度不能精确估计，因此只能根据测寻电缆的埋设路径估计故障点的大致范围。然后精确定位，对电缆施加冲击高压，利用故障点的放电声波，在粗测故障距离范围内，用声测法或跨步电压法进行精确故障点定位。随后对6号集电线路风机箱变及电缆箱进行检查，检查发现离升压站距离最近的1号电缆分支箱C相电缆终端接头处绝缘击穿，电缆型号为YJV22-26/35kV-3×240（如图3、图4），与故障录波柜上故障距离判断基本一致。
处理电缆终端接头时发现C相电缆主绝缘因放电被击穿了一个直径1cm的小圆孔，该位置就是电缆击穿对铜屏蔽层放电的位置。
3故障原因及处置方法
现场检查1号电缆分支箱内电缆终端头施工工艺较差，施工时未将主绝缘层上的灰尘和半导体微粒清除干净并打磨光滑，电缆主绝缘层上存在剥半导体层时留下的凹凸不平的黑色斑点及刀具的划痕。半导体层切口不均匀，也没有进行倒角，铜屏蔽切口不平整，未作钝化处理，有明显的毛刺，也未用半导体带进行包扎；铜屏蔽与半导体层之间距离最近处只有5cm，未达到20cm的工艺要求；电缆接头处主绝缘层也没有倒角，未按工艺要求处理。
随后对三相电缆头进行了重新制作。电缆头制作当天天气为晴天，空气干燥，相对湿度为50%。电缆头制作一般要求相对湿度在70%以下进行，且不能在雨中进行。因为如果在潮湿的环境制作电缆接头，在安装套管等附件的过程中，套管与电缆主绝缘表面之间会含有水汽，在高压电场作用下容易产生水树枝劣化，长期在电场作用下产生电树枝形成内闪，从而导致绝缘击穿。因此在制作电缆头的过程中，要特别注意天气的情况，尽可能避免在雨天、大雾或者下雪天等湿度较大的天气中制作电缆头。如确实因生产需要抢修，需做好必要的防潮措施，如在现场搭建防雨棚并在室内设置除湿设备，如有必要制作前也可对电缆绝缘层表面采取预热等方法。
剥除外护套时为防止钢铠松散，建议应先在钢铠切断处留一圈外护套，锯钢铠前先测量宽度，用铜丝扎好后顺着钢铠包紧方向锯一圈环形深痕，注意不能伤及电缆内护套，用螺丝刀撬起钢铠，再用钳子顺钢铠包紧方向脱出钢铠带，尽量避免把电缆上的钢凯弄松散并处理好锯断处的毛刺。焊接屏蔽层接地线时要把内护层外侧的铜屏蔽层铜带上的氧化物去掉，涂上焊锡。把电缆附件内的接地扁铜线分成三股，在涂上焊锡的铜屏蔽层上绑紧，处理好绑线的头，再用焊锡与铜屏蔽层焊住，焊住线头。
在做电缆头时，剥除外半导电层时要防止用力过大划伤主绝缘，在主绝缘上留下刀痕，防止局部高压导致绝缘击穿。在剥去屏蔽层后，由于电场线向屏蔽层断口处集中，断口处是电缆最容易被击穿的部位。因此在半导体断口处要进行倒角并打磨，使得断口形成锥面过渡，降低电缆切向方向的场强，降低半导体断面绝缘被击穿的可能性。剥除外半导电层后，应认真检查剥除刀口主绝缘层上有无粘连的黑色半导体，如有应用刀片或玻璃片进行清除，并无水乙醇或电缆专用清洁纸进行清洁。剥铜屏蔽层要保证切口均匀平整，如有毛刺要用砂纸进行打磨。由于剥去了铜屏蔽层，屏蔽层的切断处应力较为集中，存在对绝缘不利的切向电场，在屏蔽层断口处电力线较为集中，故在此处容易击穿电缆。因此在终端头半导电层切断处安装应力管或者填充应力疏散胶，起到分散电应力的作用。用半导体填充时应缠紧填满不留空隙。在电缆头的制作过程中应注意电缆的清洁工作，防止电缆主绝缘上吸附半导体或者碳化物等杂质，导致电缆绝缘被击穿。在安装热缩或冷缩套管前都要用无水乙醇或者电缆专用清洁纸对电缆主绝缘进行清洁，操作时要戴电缆头制作专用的清洁手套。在清洗终端头绝缘表面时，其方向一定要从电缆头向铜屏蔽切断处进行，不能在接触过半导电层后再去清洗绝缘表面。
电缆接头鼻子是电缆容易发热的关键部位，如果接触不良将会导致电阻增大，使电缆接头过热，导致绝缘老化甚至碳化，最后造成电缆头绝缘损坏对外击穿放电，因此电缆鼻子的制作工艺的质量好坏也是电缆接头制作质量的关键工序。压接连接管时要注意半导电层、铜屏蔽层、铠装搭接不良都将会导致中间头质量下降、使用寿命缩短。将绝缘端部削成锥体，降低断口处的切向电场，同时保证包绕的填充胶与绝缘能很好的粘合。
安装冷缩套管前要涂抹硅脂，一方面可以起到润滑动的作用便于套管的安装，更重要的是填充套管和主绝缘之间的气隙，隔绝灰尘和水汽，避免因为灰尘和水汽进入，这些杂质在高强度的电场作用下容易发生电离，带电粒子在交变电场的作用下，使得电缆绝缘层在运行过程中逐渐老化导致击穿，从而引发电缆故障。因此密封工作一定要做好。每相电缆内、外护套管两端都要密封填充胶密封，保证有效防潮。
35kV交联聚乙烯电缆的电缆头制作只要严格按照安装说明施工并把握关键步骤的施工工艺，那么该电缆头的质量就能满足长期安全运行的要求。
4 减少风电场35kV电缆故障的防范对策
本着提高电缆质量和制作工艺，加强电缆巡视的原则，可采用以下技术措施和方法来防止电缆故障的发生，提高电缆运行的可靠性。
1)风电场直埋电缆敷设前应充分对当地土壤进行化学分析，判断土壤和地下水的侵蚀程度，选用符合敷设环境的电缆。严格按标准要求敷设，根据实际地面建筑情况及周围环境，采用隧道敷设、电缆沟敷设或直埋等方式敷设，如存在外力损坏可能的路段则应增加钢管等外层防护，在节约成本的同时避免电缆受外力损伤。
2）在选择和购买时应挑选质量较好、品质有保障的正规厂家生产的电缆，尽量选用交联聚乙烯电缆，其允许工作场强和允许长期载流量也比油纸绝缘电缆高很多，而且其敷设不受高度落差限制。在安装过程中应选用具有专业资质和多年从业经验的专业技术人员，严格遵照敷设安装标准规范进行操作，避免因施工工艺问题，导致35kV集电线路电缆存在安全隐患。
3）加强风电场大负荷情况下的电缆巡视工作，防止过负荷运行。电缆超负荷运行，会导致电缆温升增加，甚至超温运行。电缆绝缘加速老化，易导致电缆绝缘薄弱处发生击穿事故，大大降低电缆寿命。因此在大负荷运行期间，运行应加强对电缆载流量的监测和电缆接头部位的测温巡视工作，在电缆接头等易发热的部位安装示温蜡片，实时反映电缆的温度状况，及时发现电缆隐患，避免故障发生。
3）为防止因外力破坏而导致集电线路电缆发生事故或故障，在埋地电缆附近，可以沿其走线方向将警示标示牌安装于地面处，提醒往来和附近施工的人员的注意。同时对敷设安装35kV集电线路电缆附近的居民进行宣传教育，并且在醒目位置设立警示标语、告示牌。避免电缆因人为破坏造成触电事故和电缆故障。
4) 根据电缆的绝缘、工作环境以及运行状况，结合预防性试验规程的要求，在一年中风量较小的月份对电缆进行绝缘电阻、直流耐压和泄漏电流、交流耐压、介质损耗因数、局部放电测试等试验，掌握运行中的高压电缆线路的工作状况，及时发现和排除电缆线路在运行中发生和发展的隐形缺陷，保证电缆线路安全、可靠的运行。
结论：风电场35kV集电线路电缆是风电场电气一次系统的重要组成部分和薄弱环节，电缆的安全稳定运行，是风电场安全生产的基本保证。本文结合南山风电场的一次高压电缆短路故障，详细讲解了高压电缆终端头的制作工艺，并对高压电力电缆常见故障提出了一些防范措施。通过这些安全技术措施，可以减少电缆质量问题，减少故障发生率，保证高压电力电缆持续、稳定的运行。全面提升35kV集电线路电缆的安全性、可靠性。
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论文作者:吴增金
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/5
标签：电缆论文; 故障论文; 电线论文; 屏蔽论文; 风电场论文; 半导体论文; 断口论文; 《电力设备》2016年第15期论文;