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直埋電力電纜絕緣電阻降低故障的原因

2022-07-28  來自: 華中線纜有限公司 瀏覽次數(shù):694

直埋電力電纜絕緣電阻降低導(dǎo)致電纜線路故障的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,也是電纜用戶與電纜制造廠發(fā)生質(zhì)量事故糾紛的項(xiàng)目。需要從電纜材料、電纜制造和電纜施工的角度,對(duì)電纜絕緣電阻下降的原因進(jìn)行解釋,包括電纜材料、電纜制造、使用環(huán)境、自然條以及敷設(shè)施工等方面。主要有以下幾點(diǎn):

國標(biāo)電纜


  一、電纜絕緣受潮


  1、電纜原材料受潮

  電纜絕緣和護(hù)層所用的原材料,主要是塑料類和橡膠類材料,并由此改性衍生出許多種具有特殊功能的材料。材料制造廠在制造材料時(shí),經(jīng)過配合劑混合、混煉、造粒、冷卻和烘干等過程,以及在材料運(yùn)輸、儲(chǔ)存期間,往往會(huì)發(fā)生程度不等的受潮,使材料含有程度不等的潮氣。因此,電纜制造廠在把材料擠包在電纜導(dǎo)體上之前,都要把材料進(jìn)行烘干處理,擠出機(jī)組上都配有材料烘干裝置,使擠出的絕緣層和護(hù)層內(nèi)不會(huì)發(fā)生氣泡和砂眼、表面不會(huì)起泡等缺陷。這是電纜制造廠的硬性工藝規(guī)定,否則電纜成品通不過出廠耐電壓試驗(yàn)。


  2、電纜制造過程受潮

  在絕緣擠中,絕緣層被刮傷,造成絕緣層破洞或脫膠,絕緣線芯在冷卻水槽中進(jìn)水,導(dǎo)致絕緣電阻下降。或者在擠包護(hù)層時(shí),發(fā)生護(hù)層被損傷而進(jìn)水,使絕緣層受潮,絕緣電阻下降。當(dāng)制造多芯電纜時(shí),即使絕緣層擠包完好無損,但在絕緣線芯絞合成纜時(shí),以及在擠包護(hù)層時(shí)也可能發(fā)生損壞而進(jìn)水受潮,于是成品電纜通不過出廠耐電壓試驗(yàn)。


  3、電纜施工過程受潮

  在直埋電纜施工過程中,如果電纜溝開挖、電纜埋設(shè)作業(yè)、電纜中間接頭和終端接頭制作不規(guī)范等,都很有可能損傷電纜護(hù)層和絕緣層。如果土壤潮濕或者電纜溝積水,會(huì)發(fā)生電纜進(jìn)水。絕緣受潮后,使電纜絕緣表面電阻降低而表面泄漏電流增加,絕緣電阻下降,還會(huì)引起導(dǎo)體與絕緣層之間的電場(chǎng)畸變。絕緣內(nèi)電場(chǎng)分布不均勻,會(huì)引發(fā)絕緣內(nèi)部游離放電,甚至引起電纜擊穿。售后服務(wù)實(shí)踐證明,有95%以上的直埋電纜絕緣電阻下降事故是由施工不當(dāng)引起的。


  二、電纜使用環(huán)境


  1、環(huán)境溫度


  根據(jù)介質(zhì)物理學(xué)理論和工程實(shí)踐,絕緣材料的電阻隨溫度升高而呈指數(shù)式下降,而電導(dǎo)則隨溫度降低而按指數(shù)式增大。溫度升高導(dǎo)致絕緣電阻下降。這是由于絕緣溫度升高時(shí),材料內(nèi)的分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),使導(dǎo)電離子的產(chǎn)生和遷移數(shù)量都隨之增大。電纜通電運(yùn)行后,在電壓的作用下,由導(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)所形成的傳導(dǎo)電流增大,絕緣層溫度升高,勢(shì)必造成絕緣電阻下降。

  實(shí)驗(yàn)證明,電纜絕緣材料在70℃時(shí)的絕緣電阻值只有20℃時(shí)的10%。也就是說,電纜在導(dǎo)體工作溫度70℃時(shí)的絕緣電阻,只有在導(dǎo)體工作溫度20℃時(shí)絕緣電阻測(cè)量值的10%。如果供電線路發(fā)生過負(fù)荷,電纜導(dǎo)體溫度超過70℃,絕緣電阻下降會(huì)更嚴(yán)重。

  電纜的敷設(shè)環(huán)境溫度對(duì)絕緣電阻也有很大影響。在不同氣候帶地區(qū)(熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶)測(cè)量的直埋電力電纜的絕緣電阻是不同的。在中國,雖然電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了導(dǎo)體允許的長期工作溫度,以確保電纜的絕緣水平,但在南方亞熱帶和熱帶地區(qū),直埋敷設(shè)電力電纜的絕緣電阻下降數(shù)值,比在北方溫帶和寒帶地區(qū)下降數(shù)值大得多。這就是地區(qū)氣候條件不同對(duì)電工產(chǎn)品性能要求的重要差異。


  2、環(huán)境濕度

  眾所周知,電纜在制造和敷設(shè)運(yùn)行過程中進(jìn)水受潮,是危及電纜電氣性能和使用壽命的主要因素。不論電纜制造廠還是用戶,都對(duì)此非常重視。

  實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,造成電纜進(jìn)水受潮的主要原因如下。

  1)材料純度

  如果電纜絕緣料中混入雜質(zhì),特別是金屬雜質(zhì),中國電線電纜網(wǎng)www.xianlan315.com甚至所使用的不同顏色的顏料,都會(huì)直接影響絕緣的電氣性能,使絕緣電阻下降。其原因,一是絕緣層內(nèi)非金屬雜質(zhì)在電纜受潮時(shí),會(huì)吸收水分,形成眾多的導(dǎo)電點(diǎn);二是絕緣層內(nèi)的金屬雜質(zhì)直接就是導(dǎo)電點(diǎn)。在導(dǎo)體運(yùn)行溫度和外部環(huán)境溫度聯(lián)合作用下,這些導(dǎo)電點(diǎn)在絕緣層內(nèi)形成導(dǎo)電通道,導(dǎo)致絕緣電阻減小和泄露電流增大,進(jìn)而導(dǎo)致絕緣被擊穿。 

  2)材料受潮

  如果電纜絕緣材料已受潮,在擠包在導(dǎo)體上之前又沒有烘干,將會(huì)出現(xiàn)絕緣層內(nèi)有大量氣孔、擠出表面不光滑以及機(jī)械強(qiáng)度降低、甚至開裂等質(zhì)量缺陷。因此,電纜廠家在擠出電纜絕緣層時(shí),都要進(jìn)行材料烘干。擠出低煙無鹵料時(shí),更要注意烘干。這些已是電纜廠家的基本工藝常識(shí)。


  3、線路過負(fù)荷

  實(shí)驗(yàn)證明,在供電線路不發(fā)生過負(fù)荷,電絕緣介質(zhì)處于工作電場(chǎng)強(qiáng)度比較低的情況下,介質(zhì)材料內(nèi)的導(dǎo)電離子遷移率與電場(chǎng)強(qiáng)度大小成正比,即介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)電離子遷移率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度比較高時(shí),介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)電離子遷移率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大的趨勢(shì),逐漸由線性關(guān)系變?yōu)橹笖?shù)關(guān)系。介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)電離子遷移率增大,絕緣電阻突然大幅度降低,進(jìn)而發(fā) "離子雪崩",使絕緣層發(fā)生瞬間擊穿。當(dāng)電纜長期超負(fù)荷運(yùn)行時(shí),通常會(huì)發(fā)生這種故障。電纜制造廠在產(chǎn)品出廠前,都要按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成品耐電壓試驗(yàn)。電纜用戶應(yīng)根據(jù)線路額定電壓,正確選擇電纜型號(hào),盡量避免電纜線路長期超負(fù)荷運(yùn)行。


  三、自然條件


  1、白蟻損傷


  白蟻是地下電力電纜的大敵,特別是東南亞和我國南方濕熱地區(qū),經(jīng)常發(fā)生白蟻侵蝕電纜塑料護(hù)層的事故。白蟻遇到電纜時(shí),除了啃咬之外,還會(huì)分泌出蟻酸,嚴(yán)重腐蝕電纜絕緣和護(hù)層,導(dǎo)致電纜絕緣性能下降甚至短路。因此,在電纜使用部門制定的敷設(shè)規(guī)程中,都有關(guān)于電纜線路防蟻措施的明文規(guī)定。

  電纜的防蟻性能試驗(yàn)方法有三種,即標(biāo)準(zhǔn)GB2951.38和機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10696.9-2011規(guī)定的擊倒法、群體發(fā)和蟻巢法防蟻試驗(yàn)。以往多年來,采用群體法。但經(jīng)過多年來電纜蟻害防治經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),擊倒法和群體法試驗(yàn),并不能真實(shí)地反映電纜在不同環(huán)境中的防蟻性能。于是,廣東電網(wǎng)公司從2009年起的電力電纜招標(biāo)中,規(guī)定防蟻電纜通過蟻巢法試驗(yàn),電纜試樣的被蛀蝕狀況要達(dá)到I級(jí)水平。


  2、鼠類損傷


  鼠類對(duì)地下電纜的損害主要是啃咬造成的機(jī)械損傷,當(dāng)電纜護(hù)層材料的硬度低于老鼠門齒的硬度時(shí),電纜就很有可能被老鼠啃咬。世界上還沒有統(tǒng)一的電纜防鼠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),但各國都有自己制定的試驗(yàn)方法。我國JB/T10696.10-2011規(guī)定了大鼠啃咬試驗(yàn)方法。另外,由山東華能線纜有限公司牽頭制定的標(biāo)準(zhǔn)《防鼠和防蟻電線電纜通則》,已于2016年3月19日召開了編制工作啟動(dòng)會(huì),不久我國即可擁有正式的防鼠防蟻電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。


  3、霉菌損傷

  早在上個(gè)世紀(jì)50年代末,有些就已經(jīng)規(guī)定濕熱帶地區(qū)使用的電器產(chǎn)品應(yīng)具有防霉性能。我國針對(duì)出口到這些地區(qū)的電線電纜,制定了相關(guān)的濕熱帶用電線電纜防霉性標(biāo)準(zhǔn)。在我國南方部分地區(qū),由于各年份中氣候的濕熱程度、延續(xù)時(shí)間不同、地域以及電線電纜使用環(huán)境的差異,直埋電纜霉害程度也不等。


  根據(jù)有關(guān)微生物霉菌繁殖研究報(bào)告,霉菌生長的主要條件是溫度和濕度。適合霉菌生長的一般溫度是15℃~35℃,溫度是25℃~30℃,當(dāng)溫度低于0℃或高于40℃時(shí),霉菌實(shí)際上停止生長。適合霉菌生長的相對(duì)濕度為80%~90%,而當(dāng)相對(duì)濕度超過95%時(shí),是霉菌生長旺盛的條件。因此環(huán)境溫度為30℃±2℃和相對(duì)濕度大于95%時(shí),合于霉菌大量繁殖。海南島的濕熱氣候正好適合于霉菌大量繁殖生長。


  如果電纜表面大量生長霉菌,對(duì)電纜的性能有較大影響,會(huì)引起:電纜表面變色、起麻點(diǎn)、腐爛;絕緣電阻、體積電阻率、介電強(qiáng)度下降,引起漏電,甚至絕緣擊穿;絕緣和護(hù)套材料分子發(fā)生化學(xué)降解,材料機(jī)械性能明顯降低,喪失其保護(hù)作用;潮氣水分進(jìn)入電纜內(nèi)部,引起嚴(yán)重的電氣性能故障等。

4、雷電影響

在雷暴發(fā)生時(shí),如果線路上使用的避雷器等品質(zhì)不良或接地保護(hù)不妥,落雷會(huì)擊中避雷器,使線路負(fù)荷突然增大產(chǎn)生過電壓,導(dǎo)致電纜中產(chǎn)生過電壓沖擊浪涌,造成電纜絕緣擊穿。在我國南方包括海南島雷雨頻繁的地區(qū),電纜線路遭受雷擊事故屢見不鮮。


  四、化學(xué)腐蝕


  1、敷設(shè)環(huán)境化學(xué)腐蝕

  如果電纜溝內(nèi)的積水或直埋土壤中含有腐蝕性成分,例如硫酸或硝酸等,電纜表面長期與這些腐蝕性物質(zhì)接觸,會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕。如果電纜護(hù)層被損壞,水分進(jìn)入電纜后會(huì)左右縱向擴(kuò)散。在某些地區(qū)的地下水質(zhì)和土壤嚴(yán)重受化學(xué)污染的情況下,如果電纜路徑選擇不當(dāng),電纜溝構(gòu)筑不良,回填物腐蝕性太大,都會(huì)使電纜絕緣和護(hù)套有機(jī)材料的分子發(fā)生化學(xué)降解而導(dǎo)致電纜被腐蝕現(xiàn)象,使電纜絕緣電阻下降,甚至喪失絕緣電阻。


  2、酸雨化學(xué)腐蝕

  對(duì)電纜危害嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕因素,除了敷設(shè)環(huán)境的水質(zhì)和土壤狀況以外,還有現(xiàn)代酸雨的嚴(yán)重影響。

  所謂酸雨,是由于大量燃燒化石燃料(煤炭、石油、天然氣)或生物物質(zhì)燃料,將酸性化合物 (如二氧化硫,、二氧化碳和二氧化氮,主要是二氧化硫) 排放至空氣中,造成降雨中含硫酸、硝酸等酸性物質(zhì)的現(xiàn)象。酸雨的主要成分是二氧化硫。一般認(rèn)為,如果雨水的PH值小于5.6,可被認(rèn)為是酸雨。形成酸雨的主要原因是工廠二氧化硫排放過量造成的。現(xiàn)在,世界上正在實(shí)施的"節(jié)能減碳"和"節(jié)能減排",其目的主要是減少硫化物和碳化物的排放量,以保護(hù)清潔的大氣環(huán)境。 

  我國已有20多個(gè)省市發(fā)生酸雨災(zāi)害,主要分布在長江以南地區(qū)。酸雨不但對(duì)農(nóng)作物、森林、草原、魚類等造成非常嚴(yán)重的滅絕性危害,而且對(duì)金屬物品的腐蝕也相當(dāng)嚴(yán)重,對(duì)電線電纜、鐵路軌道、船舶車輛、輸電線路、橋梁、房屋、機(jī)電設(shè)備等均會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害。

四川大學(xué)學(xué)報(bào)曾發(fā)表一份研究報(bào)告《酸雨作用下酸性土壤酸化過程中銅的腐蝕行為》。實(shí)驗(yàn)證明,酸雨會(huì)增大銅的腐蝕速率。銅的受腐蝕表面主要是氧化亞銅(Cu2O)和氧化銅 (CuO)。

  酸雨對(duì)直埋電纜的危害途徑是:空氣中的二氧化硫與雨水反應(yīng)生成亞硫酸,亞硫酸被氧化成硫酸:

SO2 + H2O = H2SO3

2H2SO3 + O2 = 2H2SO4

  含有硫酸的雨水,在高氣溫環(huán)境中,從電纜護(hù)層破損點(diǎn)或電纜接頭處進(jìn)入電纜,對(duì)絕緣層、護(hù)層和銅導(dǎo)體都會(huì)發(fā)生腐蝕作用。硫酸腐蝕電纜護(hù)層和絕緣層,使其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生降解而損壞,使絕緣電阻嚴(yán)重下降,甚至失去絕緣和保護(hù)作用。硫酸與銅反應(yīng)生成藍(lán)色的硫酸銅(CUSO4)結(jié)晶體,遇水成為藍(lán)色硫酸銅溶液。。

CU + 2H2SO4 = CUSO4 + SO2↑+ 2H2O


  前幾年,土壤腐蝕性大、酸雨重災(zāi)區(qū)的重慶市某供電部門,就在電纜端部發(fā)現(xiàn)了藍(lán)色液體和絕緣層損壞的現(xiàn)象。如果電纜外皮損壞嚴(yán)重,特別是在高溫、高濕、強(qiáng)日光的季節(jié),如果發(fā)生酸雨,或者土壤中的硫酸含量較大,電纜進(jìn)水很多,這種藍(lán)色硫酸銅溶液會(huì)迅速沿著電纜長度上擴(kuò)散,直到從電纜破損處和電纜端部溢出。硫酸銅溶液可以導(dǎo)電,滲入絕緣層內(nèi)后,更曾強(qiáng)了絕緣層的導(dǎo)電性,進(jìn)而使絕緣層的電阻急劇下降,失去絕緣作用,發(fā)生電纜短路事故。


  五、機(jī)械損傷


  多年來的電纜產(chǎn)品售后服務(wù)經(jīng)驗(yàn)證明,在用戶投訴的電纜機(jī)械事故案例中,有95%以上是由電纜安裝敷設(shè)不當(dāng)或線路維護(hù)不善引起的。某供電部門曾經(jīng)總結(jié)出以下幾個(gè)方面。

  1) 安裝損傷:安裝時(shí)違反操作規(guī)程;施工人員技術(shù)不熟練;制作電纜中間接頭和終端接頭時(shí)不遵守施工工藝;電纜溝不符合要求;任意野蠻牽拉;電纜彎曲半徑太小等等。這些都會(huì)導(dǎo)致發(fā)生電纜機(jī)械損傷。 

  2) 外力損傷:在電纜敷設(shè)路徑上或附近,有其他工程施工作業(yè),而造成電纜損傷,此現(xiàn)象屢見不鮮。

  3) 車輛損傷:若電纜埋設(shè)深度不夠,敷設(shè)后電纜溝覆蓋保護(hù)不良,在車輛頻繁行駛振動(dòng)情況下,電纜頻繁遭受很大壓力和振動(dòng),導(dǎo)致電纜結(jié)構(gòu)變形和損傷。

  4) 自然損傷:由氣候過于濕熱、氣溫過高、濕度過大、臺(tái)風(fēng)、地震等自然現(xiàn)象引起的電纜損傷,即所謂的不可抗拒力損傷。

  發(fā)生機(jī)械損傷對(duì)電纜的使用壽命影響很大,尤其是在熱帶亞熱帶地區(qū)。在這些地區(qū)"高溫、高濕、強(qiáng)光"的季節(jié)里,直埋電纜在非常苛刻的環(huán)境中工作,每時(shí)每刻都處于濕熱環(huán)境中,就像在經(jīng)受"濕熱老化試驗(yàn)"。如果直埋電纜護(hù)層破損,水分潮氣進(jìn)入電纜,會(huì)引起絕緣電阻急劇下降。即使損傷不很嚴(yán)重,敷設(shè)后通電檢驗(yàn)正常,但時(shí)間久了,也會(huì)有水分潮氣進(jìn)入電纜,使絕緣電阻下降。這一過程,根據(jù)敷設(shè)環(huán)境、自然條件和破壞程度不同,一般為2~12個(gè)月,就很可能發(fā)生運(yùn)行故障。 

  以上,從電纜絕緣受潮、電纜使用環(huán)境、自然條件、化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷五個(gè)方面,分析介紹了直埋電力電纜絕緣電阻下降、導(dǎo)致發(fā)生線路運(yùn)行故障的原因,并提出了一些相應(yīng)的糾正措施。只有電纜材料制造廠、電纜制造廠和電纜施工既用戶單位密切配合,各司其責(zé),才能不斷提高電纜質(zhì)量,保證供電線路安全。

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