直埋電力電纜絕緣電阻降低導致電纜線(xiàn)路故障的現象經(jīng)常發(fā)生,也是電纜用戶(hù)與電纜制造廠(chǎng)發(fā)生質(zhì)量事故糾紛多的項目。需要從電纜材料、電纜制造和電纜施工的角度,對電纜絕緣電阻下降的原因進(jìn)行全面的解釋?zhuān)娎|材料、電纜制造、使用環(huán)境、自然條以及敷設施工等方面。主要有以下幾點(diǎn):
一、電纜絕緣受潮
1、電纜原材料受潮
電纜絕緣和護層所用的原材料,主要是塑料類(lèi)和橡膠類(lèi)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(chǎng)在制造材料時(shí),經(jīng)過(guò)配合劑混合、混煉、造粒、冷卻和烘干等過(guò)程,以及在材料運輸、儲存期間,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(chǎng)在把材料擠包在電纜導體上之前,都要把材料進(jìn)行烘干處理,擠出機組上都配有材料烘干裝置,使擠出的絕緣層和護層內不會(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(chǎng)的硬性工藝規定,否則電纜成品通不過(guò)出廠(chǎng)耐電壓試驗。
2、電纜制造過(guò)程受潮
在絕緣擠包過(guò)程中,絕緣層被刮傷,造成絕緣層破洞或脫膠,絕緣線(xiàn)芯在冷卻水槽中進(jìn)水,導致絕緣電阻下降。或者在擠包護層時(shí),發(fā)生護層被損傷而進(jìn)水,使絕緣層受潮,絕緣電阻下降。當制造多芯電纜時(shí),即使絕緣層擠包完好無(wú)損,但在絕緣線(xiàn)芯絞合成纜時(shí),以及在擠包護層時(shí)也可能發(fā)生損壞而進(jìn)水受潮,于是成品電纜通不過(guò)出廠(chǎng)耐電壓試驗。
3、電纜施工過(guò)程受潮
在直埋電纜施工過(guò)程中,如果電纜溝開(kāi)挖、電纜埋設作業(yè)、電纜中間接頭和終端接頭制作不規范等,都很有可能損傷電纜護層和絕緣層。如果土壤潮濕或者電纜溝積水,一定會(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 )引起導體與絕緣層之間的電場(chǎng)畸變。絕緣內電場(chǎng)分布不均勻,會(huì )引發(fā)絕緣內部游離放電,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引起的。
二、電纜使用環(huán)境
1、環(huán)境溫度
根據介質(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式下降,而電導則隨溫度降低而按指數式增大。溫度升高導致絕緣電阻下降。這是由于絕緣溫度升高時(shí),材料內的分子熱運動(dòng)增強,使導電離子的產(chǎn)生和遷移數量都隨之增大。電纜通電運行后,在電壓的作用下,由導電離子運動(dòng)所形成的傳導電流增大,絕緣層溫度升高,勢必造成絕緣電阻下降。
實(shí)驗證明,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(shuō),電纜在導體工作溫度70℃時(shí)的絕緣電阻,只有在導體工作溫度20℃時(shí)絕緣電阻測量值的10%。如果供電線(xiàn)路發(fā)生過(guò)負荷,電纜導體溫度超過(guò)70℃,絕緣電阻下降會(huì )更嚴重。
電纜的敷設環(huán)境溫度對絕緣電阻也有很大影響。在不同氣候帶地區(熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶)測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)品標準中都規定了導體允許的長(cháng)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,直埋敷設電力電纜的絕緣電阻下降數值,比在北方溫帶和寒帶地區下降數值大得多。這就是地區氣候條件不同對電工產(chǎn)品性能要求的重要差異。
2、環(huán)境濕度
眾所周知,電纜在制造和敷設運行過(guò)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(chǎng)還是用戶(hù),都對此非常重視。
實(shí)踐經(jīng)驗證明,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(xiàn)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,形成眾多的導電點(diǎn);二是絕緣層內的金屬雜質(zhì)直接就是導電點(diǎn)。在導體運行溫度和外部環(huán)境溫度聯(lián)合作用下,這些導電點(diǎn)在絕緣層內形成導電通道,導致絕緣電阻減小和泄露電流增大,進(jìn)而導致絕緣被擊穿。
2)材料受潮
如果電纜絕緣材料已受潮,在擠包在導體上之前又沒(méi)有烘干,將會(huì )出現絕緣層內有大量氣孔、擠出表面不光滑以及機械強度降低、甚至開(kāi)裂等質(zhì)量缺陷。因此,電纜廠(chǎng)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(wú)鹵料時(shí),更要注意烘干。這些已是電纜廠(chǎng)家的基本工藝常識。
3、線(xiàn)路過(guò)負荷
實(shí)驗證明,在供電線(xiàn)路不發(fā)生過(guò)負荷,電絕緣介質(zhì)處于工作電場(chǎng)強度比較低的情況下,介質(zhì)材料內的導電離子遷移率與電場(chǎng)強度大小成正比,即介質(zhì)內的導電離子遷移率隨電場(chǎng)強度的增強而增大。當電場(chǎng)強度比較高時(shí),介質(zhì)內的導電離子遷移率隨電場(chǎng)強度的增強而增大的趨勢,逐漸由線(xiàn)性關(guān)系變?yōu)橹笖店P(guān)系。介質(zhì)內的導電離子遷移率增大到一定程度時(shí),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。當電纜長(cháng)期超負荷運行時(shí),通常會(huì )發(fā)生這種故障。電纜制造廠(chǎng)在產(chǎn)品出廠(chǎng)前,都要按產(chǎn)品標準進(jìn)行成品耐電壓試驗。電纜用戶(hù)應根據線(xiàn)路額定電壓,正確選擇電纜型號,盡量避免電纜線(xiàn)路長(cháng)期超負荷運行。
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,經(jīng)常發(fā)生白蟻侵蝕電纜塑料護層的事故。白蟻遇到電纜時(shí),除了啃咬之外,還會(huì )分泌出蟻酸,嚴重腐蝕電纜絕緣和護層,導致電纜絕緣性能下降甚至短路。因此,在電纜使用部門(mén)制定的敷設規程中,都有關(guān)于電纜線(xiàn)路防蟻措施的明文規定。
電纜的防蟻性能試驗方法有三種,即*標準GB2951.38和機械行業(yè)標準JB/T10696.9-2011規定的擊倒法、群體發(fā)和蟻巢法防蟻試驗。以往多年來(lái),采用多的是群體法。但經(jīng)過(guò)多年來(lái)電纜蟻害防治經(jīng)驗教訓,擊倒法和群體法試驗,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中,規定防蟻電纜通過(guò)蟻巢法試驗,電纜試樣的被蛀蝕狀況要達到I級水平。
2、鼠類(lèi)損傷
鼠類(lèi)對地下電纜的損害主要是啃咬造成的機械損傷,當電纜護層材料的硬度低于老鼠門(mén)齒的硬度時(shí),電纜就很有可能被老鼠啃咬。世界上還沒(méi)有統一的電纜防鼠試驗標準,但各國都有自己制定的試驗方法。我國JB/T10696.10-2011規定了大鼠啃咬試驗方法。另外,由山東華能線(xiàn)纜有限公司牽頭制定的*標準《防鼠和防蟻電線(xiàn)電纜通則》,已于2016年3月19日召開(kāi)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)品標準。
3、霉菌損傷
早在上個(gè)世紀50年代末,有些*就已經(jīng)規定濕熱帶地區使用的電器產(chǎn)品應具有防霉性能。我國針對出口到這些地區的電線(xiàn)電纜,制定了相關(guān)的濕熱帶用電線(xiàn)電纜防霉性標準。在我國南方部分地區,由于各年份中氣候的濕熱程度、延續時(shí)間不同、地域以及電線(xiàn)電纜使用環(huán)境的差異,直埋電纜霉害程度也不等。
根據有關(guān)微生物霉菌繁殖*報告,霉菌生長(cháng)的主要條件是溫度和濕度。適合霉菌生長(cháng)的一般溫度是15℃~35℃,而適宜的溫度是25℃~30℃,當溫度低于0℃或高于40℃時(shí),霉菌實(shí)際上停止生長(cháng)。適合霉菌生長(cháng)的相對濕度為80%~90%,而當相對濕度超過(guò)95%時(shí),是霉菌生長(cháng)為旺盛的條件。因此環(huán)境溫度為30℃±2℃和相對濕度大于95%時(shí),適合于霉菌大量繁殖。海南島的濕熱氣候正好適合于霉菌大量繁殖生長(cháng)。
如果電纜表面大量生長(cháng)霉菌,對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、介電強度下降,引起漏電,甚至絕緣擊穿;絕緣和護套材料分子發(fā)生化學(xué)降解,材料機械性能明顯降低,喪失其保護作用;潮氣水分進(jìn)入電纜內部,引起嚴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(xiàn)路上使用的避雷器等品質(zhì)不良或接地保護不妥,落雷會(huì )擊中避雷器,使線(xiàn)路負荷突然增大產(chǎn)生過(guò)電壓,導致電纜中產(chǎn)生過(guò)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,電纜線(xiàn)路遭受雷擊事故屢見(jiàn)不鮮。
四、化學(xué)腐蝕
1、敷設環(huán)境化學(xué)腐蝕
如果電纜溝內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(cháng)期與這些腐蝕性物質(zhì)接觸,會(huì )發(fā)生嚴重的化學(xué)腐蝕。如果電纜護層被損壞,水分進(jìn)入電纜后會(huì )左右縱向擴散。在某些地區的地下水質(zhì)和土壤嚴重受化學(xué)污染的情況下,如果電纜路徑選擇不當,電纜溝構筑不良,回填物腐蝕性太大,都會(huì )使電纜絕緣和護套有機材料的分子發(fā)生化學(xué)降解而導致電纜被腐蝕現象,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
對電纜危害嚴重的化學(xué)腐蝕因素,除了敷設環(huán)境的水質(zhì)和土壤狀況以外,還有現代酸雨的嚴重影響。
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)的現象。酸雨的主要成分是二氧化硫。一般認為,如果雨水的PH值小于5.6,可被認為是酸雨。形成酸雨的主要原因是工廠(chǎng)二氧化硫排放過(guò)量造成的。現在,世界上正在實(shí)施的"節能減碳"和"節能減排",其目的主要是減少硫化物和碳化物的排放量,以保護清潔的大氣環(huán)境。
我國已有20多個(gè)省市發(fā)生酸雨災害,主要分布在長(cháng)江以南地區。酸雨不但對農作物、森林、草原、魚(yú)類(lèi)等造成非常嚴重的滅絕性危害,而且對金屬物品的腐蝕也相當嚴重,對電線(xiàn)電纜、鐵路軌道、船舶車(chē)輛、輸電線(xiàn)路、橋梁、房屋、機電設備等均會(huì )造成嚴重損害。
四川大學(xué)學(xué)報曾發(fā)表一份*報告《酸雨作用下酸性土壤酸化過(guò)程中銅的腐蝕行為》。實(shí)驗證明,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)。
酸雨對直埋電纜的危害途徑是:空氣中的二氧化硫與雨水反應生成亞硫酸,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,從電纜護層破損點(diǎn)或電纜接頭處進(jìn)入電纜,對絕緣層、護層和銅導體都會(huì )發(fā)生腐蝕作用。硫酸腐蝕電纜護層和絕緣層,使其分子結構發(fā)生降解而損壞,使絕緣電阻嚴重下降,甚至失去絕緣和保護作用。硫酸與銅反應生成藍色的硫酸銅(CUSO4)結晶體,遇水成為藍色硫酸銅溶液。。
CU + 2H2SO4 = CUSO4 + SO2↑+ 2H2O
前幾年,土壤腐蝕性大、酸雨重災區的重慶市某供電部門(mén),就在電纜端部發(fā)現了藍色液體和絕緣層損壞的現象。如果電纜外皮損壞嚴重,特別是在高溫、高濕、強日光的季節,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,這種藍色硫酸銅溶液會(huì )迅速沿著(zhù)電纜長(cháng)度上擴散,直到從電纜破損處和電纜端部溢出。硫酸銅溶液可以導電,滲入絕緣層內后,更曾強了絕緣層的導電性,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、機械損傷
多年來(lái)的電纜產(chǎn)品售后服務(wù)經(jīng)驗證明,在用戶(hù)投訴的電纜機械事故案例中,有95%以上是由電纜安裝敷設不當或線(xiàn)路維護不善引起的。某供電部門(mén)曾經(jīng)總結出以下幾個(gè)方面。
1) 安裝損傷:安裝時(shí)違反操作規程;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 )導致發(fā)生電纜機械損傷。
2) 外力損傷:在電纜敷設路徑上或附近,有其他工程施工作業(yè),而造成電纜損傷,此現象屢見(jiàn)不鮮。
3) 車(chē)輛損傷:若電纜埋設深度不夠,敷設后電纜溝覆蓋保護不良,在車(chē)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),導致電纜結構變形和損傷。
4) 自然損傷:由氣候過(guò)于濕熱、氣溫過(guò)高、濕度過(guò)大、臺風(fēng)、地震等自然現象引起的電纜損傷,即所謂的不可抗拒力損傷。
發(fā)生機械損傷對電纜的使用壽命影響很大,尤其是在熱帶亞熱帶地區。在這些地區"高溫、高濕、強光"的季節里,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"。如果直埋電纜護層破損,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?chē)乐兀笤O后通電檢驗正常,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(guò)程,根據敷設環(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)生運行故障。
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