变电站二次电缆绝缘缺陷原因分析与治理措施研究

肖豪龙，臧欣，梁文武，欧阳帆，徐松

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙 410007)

0 引言

随着电力系统容量与自动化水平的提高，变电站内大量使用微机型保护装置与自动化设备[1-3]。这些二次设备相互之间及其与一次设备之间都需要采用控制电缆进行连接，即使是大量采用光纤通信的智能变电站仍然保留了不少重要的二次电缆，二次电缆的稳定性极大地影响二次设备动作的可靠性[4-6]。

国内已有多次因二次电缆绝缘问题导致的跳闸事故发生[7-10]:2016年南方电网汕头供电公司某220 kV变电站线路断路器端子箱内本体三相不一致回路受潮短路，致使断路器跳闸；2018年山西某1 000 kV变电站1号主变压器B相CVT二次电缆绝缘异常，主变压器紧急转热备用；2019年大唐公司某670 MW机组B套保护TA二次电缆老化绝缘异常，差动保护误动出口，机组停机。这些故障处理方式停留在更换备用芯或更换电缆进行消缺处理层面，多针对当次事故进行原因分析，未对同区域、同类型事故进行深入地统计分析。

为降低二次电缆缺陷导致的误跳闸风险，提高电力系统的稳定性，本文对某二次电缆绝缘缺陷问题进行了深入地统计调研，并对事故电缆进行采样解剖，详细分析二次电缆缺陷原因，同时提出相应的技术解决方案。

1 二次电缆绝缘问题统计和分析

1.1 二次电缆结构简介

二次电缆作为变电站的重要组成部分，承担着二次回路信号传输与控制的功能，由于变电站环境复杂，容易受电磁干扰、动物啃咬等威胁，因而二次电缆一般应具有绝缘、电磁屏蔽以及防啃咬等功能[11]。一种典型的变电站用二次电缆如图1所示，由外到内分别为阻燃护套、钢铠、外绝缘护套、铜箔屏蔽层、芯线绝缘层和芯线导体六层结构。

图1 一种二次电缆结构

变电站现场制作电缆头需要将外绝缘护套及以外的各层切开，只保留芯线部分。文献[12]明确要求避免划伤绝缘层，但外绝缘护套与芯线绝缘层之间只隔一层很薄的铜箔屏蔽层，在实际操作时仍存在割伤芯线绝缘层的可能。

1.2 二次电缆绝缘缺陷数据分析

二次电缆绝缘缺陷原因可以分为外部因素与内部因素[13-14]，内部因素如端头破损、材料缺陷、驱潮装置损坏等，外部因素如运行环境潮湿、外部管理缺陷、封堵不良等。

经统计，2019—2020年某电网范围内累计发生114起变电站二次电缆绝缘缺陷，共造成5次主设备误跳闸，缺陷原因见表1。

表1 某电网二次电缆绝缘异常原因统计

根据统计数据，二次电缆绝缘缺陷原因大致可分为三类。

1)电缆缺陷:主要指发生在二次电缆本身的绝缘异常缺陷，共计69次，占60.52%，占比最大。

2)非电缆缺陷:主要指外部元件、二次回路短路或接地等电缆以外原因导致的缺陷，共计26次，占22.81%。

3)未查明原因:主要指监测到二次回路绝缘异常但又在检查前自行恢复，暂未查明原因的缺陷，共计19次，占16.67%，分析认为其原因仍可归于前两类情况。

可见，电缆缺陷引起绝缘异常的次数最多，是其他缺陷总和的1.5倍，是最主要的原因。

2 原因分析

2.1 电缆端头破损

图2为某次误跳闸事故电缆的解剖图，可以看出，在靠端子箱侧的电缆头包扎带部位芯线绝缘层有明显割伤破损痕迹，破损口内铜芯裸露部位有明显铜绿堆积，芯线绝缘层有灼烧痕迹，且电缆绝缘摇测不合格，说明故障主要原因都是芯线破损。

图2 事故电缆芯线解剖图

此外，据电缆缺陷统计，已查明故障点的15处缺陷中有13处为电缆头芯线绝缘层破损，占比86.7%，说明电缆头是二次电缆绝缘破损的最主要部位。

电缆头绝缘受损原因，一是电缆安装作业不规范甚至暴力施工，敷设电缆时强拉硬拽，伤及芯线绝缘层；二是电缆头制作工艺不好，端部未采用热缩套包扎，芯线与箱体刮擦造成绝缘层损伤。

2.2 潮气入侵

近几次二次绝缘异常现象发生在凌晨和雨后，此时地面空气湿度最大，查找历年事故案例后也能找到这个规律。由此可知，环境潮气入侵致导线表面凝露能在破损口之间以及破损口与地之间构成导电通道，造成短路和接地，若是重要回路，极易引起二次装置的误动作。

端子箱运行环境潮湿是潮气入侵主要原因，端子箱易密封不严，部分端子箱密封材料老化脱落，发生渗水、积水，事故电缆端头部分材料出现了锈蚀现象，如图3所示。

图3 某事故电缆端头部分与中间部分解剖对比

电缆孔洞封堵不严和加热驱潮装置损坏是导致潮气入侵的重要原因。潮气从电缆沟顺着进线孔洞向端子箱侵入电缆头内，封堵泥本身吸潮，电缆头埋在泥内更易受潮气入侵。端子箱驱潮效果不好，自动投退型驱潮装置运行中易损坏，失去驱潮效果，同时在某些湖区、山区，为避免夏季端子箱内长期处于高温状态，加热驱潮装置一般会退出运行，端子箱内潮气难以驱除，导致端子箱长期处于潮湿环境。

2.3 材料与结构缺陷

对某变电站二次电缆抽检，依据GB/T 9330-2020进行检测[15]，取样12根，仅有5根合格，合格率仅为41.7%，抽检结果见表2。

表2 某变电站二次电缆抽检结果

从表2可以看出，抽检电缆各结构都存在不合格现象，甚至一根电缆同时存在2～3个缺陷，为今后二次电缆绝缘迅速失效埋下隐患。电缆本身材料或结构不合格，将极大缩短潮气入侵后的二次电缆绝缘寿命。

其次，目前使用的二次电缆外绝缘护套和芯线绝缘层材料均为聚氯乙烯，聚氯乙烯材料中的高极性氯元素对水具有亲和性，受潮老化易分解产生氯离子。

对析出液离子进行色谱分析，发现电缆芯线绝缘层破损处的氯离子含量是非破损处的18倍，说明在电缆绝缘层没有破损的部位，分解出来的氯离子没有驻留。如果电缆绝缘层存在破损，则氯离子会在破损处与铜芯导线发生化学反应，堆积成铜绿(主要成分是铜的氯化物)，时间越长累积越多，铜绿在潮湿环境下呈现较强导电性。

因此，电缆结构材料缺陷导致二次电缆预期寿命缩减，而环境潮气凝露能构成导电通道，导电性更好的铜绿在绝缘破损处堆积，更快地缩短二次电缆使用寿命。

2.4 运检管理缺陷

超周期检修现象普遍，不按时开展检修导致未能及时发现电缆绝缘下降隐患。例如某跳闸事故变电站最近一次开展C类检修是在2012年，按6年检修周期计算，已超过应检时间3年。

部分单位检修试验记录不规范，较难发现二次电缆绝缘劣化情况。部分单位在新站验收和例行检修时记录不规范，带着外部回路进行绝缘摇测。

直流绝缘监测功能不完整导致二次绝缘故障处置能力下降，也容易延误绝缘缺陷的发现时机。统计2019年以来该电网直流绝缘监测装置设备故障率为4.66%，故障率较高。

二次电缆绝缘缺陷原因分析如图4所示。二次电缆绝缘异常是多种因素综合作用导致，电缆绝缘异常大多数发生在电缆头包扎处，端头破损为直接原因；运行环境潮湿、密封不严以及驱潮装置损坏导致的潮气入侵是电缆绝缘异常的主要原因；铜绿生成并在破损处堆积可加速潮湿环境下绝缘降低的过程。在运检管理上，未按时开展检修作业、绝缘摇测不规范和绝缘监测装置故障率偏高，增加了二次电缆绝缘异常引发事故的概率。

图4 二次电缆绝缘缺陷原因分析

3 治理措施和建议

3.1 应用新材料新设备

1)交联聚乙烯绝缘材质不含氯离子，潮湿环境下不会加速电化学腐蚀效果，用其作为绝缘材质的二次电缆具有更长的使用寿命和更好的防潮性能，出现绝缘问题概率更低。

2)采用具有高质量的温湿度控制器和集中采样功能的集中控制式加热驱潮控制器，对变电站区域内各端子箱驱潮加热器进行集中控制，可减少运行人员操作工作量，提升投退效率，同时减少控制器运行中损坏的可能。

3.2 全面治理端子箱

1)对防雨设计不合理的机构箱体，改造并加装防雨檐。针对下雨天无防雨檐机构箱体门缝容易进水的情况，根据不同机构(端子)箱体设计防雨檐。对容易渗水的端子箱顶盖帽沿沿端子箱顶盖帽沿下部，考虑敷设一圈足够厚度的密封圈并涂抹防水胶。

2)每年春季检修，应检查端子箱加热驱潮装置运行状况，重点是温湿度控制器治理，以确保夏季加热驱潮装置能投入自动运行方式。

3.3 加强二次电缆运维管理

1)规范机构箱、汇控箱、端子箱日常运维管理，结合运维巡视、专业巡视，对机构箱、汇控箱、端子箱进行检查维护。

2)检修工作按要求开展二次电缆线芯对地、线芯间绝缘检测，并在试验报告记录绝缘电阻数值，对其进行绝缘趋势分析，对绝缘值存在明显差异的应采取绝缘复核、解头检查等措施进行处理，发现绝缘下降缺陷及时进行分析处置。

3)加强绝缘监测装置专项排查，开展二次电缆绝缘缺陷管理。清查质量差、运行状况差的绝缘监测装置，对于厂家不能提供备品备件或者运行不稳定的设备，逐步进行更换。

3.4 规范化二次电缆验收

变电站验收要重点关注电缆头制作、端子箱防潮的施工工艺，做好验收检查，检查结论作为是否具备投运条件的必选项。

1)关注施工单位按照基建施工工艺要求进行电缆头制作和敷设，减少施工质量问题的发生概率。

2)加强对电缆端头施工工艺验收，如电缆端头应采用热缩护套保护，端子箱封堵应无明显缺陷，电缆防火材料应四周涂抹均匀等。

3)检查施工单位的二次电缆绝缘测试报告。报告应详实记录二次电缆绝缘摇测仪器、方法和具体数值，验收单位应结合验收报告要求施工单位抽取部分重要二次电缆开展绝缘复测，复测结果应与试验报告相吻合。

4 结语

本文研究分析近几年某电网二次电缆缺陷原因，给出技术解决方案，得出以下结论:

1)电缆头破损是二次电缆绝缘缺陷的直接原因，运行环境潮湿、密封不严和驱潮装置损坏等导致的潮气入侵是主要原因，材料和管理缺陷加速了绝缘降低过程。

2)可以从新材料新设备应用、端子箱改造升级治理等技术方面，以及加强二次电缆运维管理与验收、驱潮装置和绝缘监测装置治理等管理方面，共同降低二次电缆绝缘缺陷导致严重事故的概率。

文中部分二次电缆绝缘缺陷原因未调查清楚，主要原因为电缆绝缘未完全损坏，偶发性接地后很快复归，对数据造成干扰。文中二次电缆绝缘问题的分析对象仅为某南方省份电网，下一步可以考虑研究不同地域的二次电缆绝缘问题产生原因，比较异同后进行深入研究。