一起高压直流电缆终端渗漏油缺陷分析及处理

廖静丽，关 健

(广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000)

2013年12月，世界第一个多端柔性直流输电示范工程——南澳±160 kV多端柔性直流示范工程(以下简称示范工程)正式投产，它标志着南方电网攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题，成功将南澳风力发电通过柔性直流输电工程送至汕头电网[1-5]。至2019年8月，南澳岛向陆地输送电量达10×108kW·h，内陆向南澳岛输送电量达1.8 ×108kW·h。

由于柔直特性与南澳岛的地理环境共同决定了其拥有海缆、陆缆、架空线路多种线路型式构成的混合式直流输电线路，不同线路型式之间通过电缆终端、穿墙套管等电缆附件进行联接。在输电线路中，电缆附件处是线路最薄弱的环节，在运行时电缆附件的电场分布比其他部位复杂得多[6-7]，且此附件设备为国内首次研发并投入工程应用，可靠性未经充分论证，因此电缆附件处一直是输电线路运行维护(以下简称运维)的重点。

2014年3月初，运维人员在开展日常巡视时，发现送端±160 kV金牛换流站侧金牛至塑城直流线路正极电缆终端本体与油箱的油管上有油滴、下方地面有油渍现象，此时储油箱压力值降为0.094 MPa(额定0.16 MPa)，运维人员判定为电缆终端漏油缺陷，漏油情况经设备厂家确认，并采取加强巡视、设备尽快安排停电开展消缺处理的控制措施。设备停电后，运维单位检修人员联合厂家技术人员重点对油箱与终端相连等接头处进行检查，更换了接头的密封圈并进行了紧固处理，最后经补油恢复至额定压力设备重新投入运行，但缺陷处理1个月后，运维人员再次发现该电缆终端渗漏现象，则判定为上次缺陷处理不彻底，设备安全运行隐患依然未消除。实际证明，通常的渗漏油缺陷处理方式为密封补漏、补油恢复，以解决因设备生产制造工艺质量不良、安装不到位导致的渗漏油缺陷，但未能有效解决本文所提到的电缆终端渗漏油缺陷。

本文针对在运行中金牛换流站电缆终端发生的渗漏油缺陷，基于其结构与现场表象开展分析，通过论证满足正常运行条件下油压与油量的关系，找出了缺陷原因及解决方法。

1 示范工程直流线路概况及电缆终端结构特点

1.1 示范工程直流线路概况

示范工程是一个电压等级±160 kV，输送容量150 MW的三端系统，电能的汇集点在金牛换流站的汇流母线。直流输电线路由金牛至青澳、金牛至塑城两部分构成。其中：金牛至青澳段为全线架空线路，金牛至塑城段则是以电缆为主的五段构成，各段之间通过电缆附件(含电缆终端、电缆接头及穿墙套管等)进行联接。该直流线路的主设备则包括：直流电缆(含陆缆、海缆)、电缆附件及架空线路，其中：直流电缆为电压等级±160 kV、截面500 mm2的交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆，是该工程的核心设备，承担着电能输送重任；电缆附件是输电线路的关键设备，将不同型式的线路与设备进行连联。

直流电缆为示范工程的核心设备之一，工程使用国内首次研制的直流XLPE电缆。XLPE介质具有绝缘电阻高、介电常数和介质损耗小、耐电压性能好的优点，在电缆的绝缘材料中应用十分广泛[8-9]。但由于XLPE绝缘在直流电压下的电场分布与交流电压下的电场分布不同，其纯度要求较于同电压等级高压交流电缆高，制造难度大，文献[10-11]做了详细的分析，本文不再赘述。

1.2 电缆终端结构特点

电缆终端作为电缆附件结构中最为复杂的设备，安装于电缆首尾两端，用于连接电缆段与其他设备，并可以起到平衡电缆终端电场分布的作用。南澳工程电缆终端结构见图1，其特点如下。

图1 电缆终端结构

a.应力锥作用为改善金属护套末端电场分布，降低金属护套边缘电场强度。由于高压直流电缆中的电场分布与交流电缆相比更为复杂，普通的交流终端中的应力锥所用材料无法满足示范工程的功能需求，故示范工程所选用的材料为纳米材料改性三元乙丙橡胶，相较于普通电缆中应力锥所用的硅橡胶和三元乙丙橡胶，纳米材料改性三元乙丙橡胶可以对空间电荷起到更好的抑制作用，以应对直流终端中更加复杂的电场分布情况[1-2]。

b.电缆终端采用绝缘油绝缘，示范工程使用绝缘油为道康宁200硅油(50cSt)。硅油具有较高的耐热性、电绝缘性、耐水性和较小的表面张力，可防止电晕释放并消除电弧，起到绝缘、润滑、抗爬电和防潮密封的作用[1-3]。

c.为保证电缆终端的长期可靠运行，避免终端内部出现气隙造成绝缘下降，示范工程直流终端采用挂压力箱运行的独特方式。压力箱起到调节终端内部绝缘油因热胀冷缩导致其体积增减与压力不平衡的作用。示范工程直流终端采用容量为50 L的压力箱，选取典型环境温度17 ℃，压力箱的工作压力范围为0.03～0.24 MPa，对应的压力箱绝缘油的体积范围约为3.3～50 L。经计算典型环境温度下，油箱中注入15 L油，压力箱初始压力设置为0.10±0.01 MPa，即可满足最低压力要求 。设备研制厂家考虑到安全裕度即宽裕的漏油处理时间和运行环境温度，在终端套管内油量注满时油箱内注入油量为36 L，初始压力值为0.16 MPa。

2 直流电缆终端头缺陷分析

2.1 缺陷表象

运行维护人员在设备检查时，发现金牛换流站侧金牛至塑城直流线路正极电缆终端从工程调试到2014年5月持续出现渗漏油现象。现场可观察到直流电缆终端外护套表面有渗漏的绝缘油，并在油箱与终端本体的油管上汇成滴，漏油发生时压力真空表显示的压力值约0.094 MPa，油压远低于初始设定值0.16 MPa。

2.2 缺陷分析及定级

2.2.1 缺陷原因分析

a.终端内部油压较大。油压在空载且环境温度为17 ℃时可调节在(0.10±0.01) MPa，而工程实际在此条件下油压设为0.16 MPa，导致内部油压提高。

b.对密封性要求高。由于交联电缆终端加挂压力箱，增加了电缆终端结构的复杂性，对终端的密封结构、加工精度及施工质量都提出了更高的要求，需要结合合理的初始油压设定值进行设计。终端设备厂家为首次设计制造，对其密封性未充分论证。

c.实际密封精度存在误差。根据现场情况分析，最终确定漏油点出现在电缆进入复合套管的位置，该处密封结构为轴向密封，其难度较平面密封大很多，轴向密封沟槽的加工尺寸、粗糙度以及装配过程中造成的多处误差相累计，导致密封精度不满足要求。

上述3点原因共同导致该电缆终端出现绝缘油渗漏情况。

2.2.2 缺陷定级

当发生少量渗油情况时，若压力值无明显变化，则压力箱中的油会自动补充至套管中，维持电缆终端运行环境稳定。此种情况不会对线路运行情况构成严重影响，现场运行维护可定义为一般缺陷。

当终端附近存在较多的渗漏油，压力值长时间处于0.08 MPa附近，或者在冬季气温较低时压力经常略低于0.08 MPa。此时已达到压力箱正常工作的临界状态，虽然线路依然能保持运行，但具有一定安全风险，为重大缺陷。

若终端附近存在大量渗漏油且压力值持续处于0.08 MPa及以下，此时压力箱功能将失效，无法继续向套管内补充绝缘油和维持油压平稳。电缆终端的油压下降，增大了外界杂质渗透至套管内的风险，甚至会使套管内产生空隙，降低电缆终端的绝缘能力。严重时会发生绝缘击穿，在终端位置发生对地放电的重大故障，将直接危害柔直线路安全稳定运行及运行维护人员人身安全，为紧急缺陷。

2.3 缺陷处理

2.3.1 缺陷定级后需采取的措施

a.针对一般缺陷，不会影响线路运行，可待线路停电时消缺，但应增加对其监视措施，如加强巡视频率、进行红外测温、记录油压数据并分析趋势等。

b.针对重大缺陷，除上述措施外，应对其进行每日巡视，在缺陷情况进一步恶化前消缺。

c.针对紧急缺陷，在保证人员安全的情况下，可采取用注油机向压力箱内注油的临时措施，以保持套管内油量，同时安排系统停运与检修消缺；若不具备临时措施的实施条件，立即申请停电处理。

2.3.2 消除缺陷处理方法

针对本次电缆终端渗漏油为一般缺陷，2014年6月采取以下措施消缺处理。

a.更换压力箱开关处的密封件，在轴向密封位置增加一道角向密封，这种密封在结构上是一种双重密封结构，可以确保密封位置不会出现渗漏现象。

b.在堵油管下方增加尼龙抱箍固定，防止堵油管滑动。

c.用胶泥和带材绕包，封闭铝包口，使尾管起到防漏油保护作用。

d.在保证套管内油充满的前提下，适当调整压力箱工作压力，将整定压力调至理论值(0.10±0.01) MPa。

3 结论

经过消除缺陷处理后，运行维护人员对电缆终端的运行工况进行了重点巡查。在消除缺陷后经过5年实际运行，未再发生渗漏油情况。根据长期记录显示，压力表示值随环境温度变化及运行负荷大小在0.09～0.12 MPa，运行状况良好。

结合对本次电缆终端渗漏油缺陷处理过程，可知在发生类似情况时，除通常采取的对密封性进行检查外，必须考虑电缆终端的结构，以便从根源上了解缺陷产生的原因，从而找到针对性的解决办法。

在今后的工程中如存在交联电缆终端挂压力箱的结构，在建设期就应考虑加大终端的密封性能，必要时应采用轴向密封加角向密封的双重密封结构，同时压力箱中的整定压力不宜设置过高，在理论分析值基础上结合一定的安全裕度即可；在运行维护过程中，现场运行维护人员应加强巡视，分析电缆终端头压力箱压力值及其变化特点，若发现有异常工况按缺陷定级组织消缺处理。