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直埋電力電纜絕緣電阻降低故障的原因
2016/9/27 13:24:05
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)量事故糾紛最多的項(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)行全面的解釋，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)：
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(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(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(guò)出廠耐電壓試驗(yàn)。
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，絕緣線芯在冷卻水槽中進(jìn)水，導(dǎo)致絕緣電阻下降?；蛘咴跀D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(wú)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(guò)出廠耐電壓試驗(yàn)。
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(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，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(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(shuō)，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(guò)負(fù)荷，電纜導(dǎo)體溫度超過(guò)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(guó)，雖然電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了導(dǎo)體允許的長(zhǎng)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(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(guó)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(méi)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(kāi)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(wú)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(guò)負(fù)荷
實(shí)驗(yàn)證明，在供電線路不發(fā)生過(guò)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(dāng)電纜長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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，即國(guó)家標(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(lái)，采用最多的是群體法。但經(jīng)過(guò)多年來(lái)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)定防蟻電纜必須通過(guò)蟻巢法試驗(yàn)，電纜試樣的被蛀蝕狀況必須要達(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(méi)有統(tǒng)一的電纜防鼠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但各國(guó)都有自己制定的試驗(yàn)方法。我國(guó)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國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《防鼠和防蟻電線電纜通則》，已于2016年3月19日召開(kāi)了編制工作啟動(dòng)會(huì)，不久我國(guó)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，有些國(guó)家就已經(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(guó)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(guó)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(zhǎng)的主要條件是溫度和濕度。適合霉菌生長(zhǎng)的一般溫度是15℃～35℃，而最適宜的溫度是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(zhǎng)。適合霉菌生長(zhǎng)的相對(duì)濕度為80%～90%，而當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)95%時(shí)，是霉菌生長(zhǎng)最為旺盛的條件。因此環(huán)境溫度為30℃±2℃和相對(duì)濕度大于95%時(shí)，最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(zhǎng)。
如果電纜表面大量生長(zhǎng)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(guò)電壓，導(dǎo)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(guó)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(jiàn)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(zhǎng)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(guò)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(guó)已有20多個(gè)省市發(fā)生酸雨災(zāi)害，主要分布在長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(lái)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(jiàn)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(guò)于濕熱、氣溫過(guò)高、濕度過(guò)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?？量痰沫h(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(guò)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。
