南京城網10 kV XLPE絕緣電力電纜現狀試驗研究

費益軍，張子陽，孫建生，徐曉峰

(1.江蘇省電力試驗研究院，江蘇 南京211102;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

作為城市的重要基礎設施，城市中低壓配電網直接聯系著廣大用戶，為城市建設、經濟發展、人民生活等提供電源。配電電纜是城市配電網的重要組成部分，配電電纜的安全可靠運行對于城市電網穩定具有重要意義。它的健全與否，直接關系到用戶安全可靠供電及負荷增長的需要。目前，國內現有的配電電纜以國產10 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜為主，具有規模大、分布廣、敷設環境復雜等特點。

2008年，南京供電公司對城區配電電纜進行全面調研，普查了南京地區的2930條約722 km 10 kV XLPE絕緣電纜，分別就截面參數、護套型式、接頭數量、附件類型、最高載流、運行年限、敷設方式和故障情況等方面進行測評。結果表明:電纜絕緣狀態良好的占總體的27.6%，狀態較好的占44.6%，狀態一般的占18%，狀態較差的占8.8%。

本文在對取自三條在役10 kV XLPE電纜線路的樣品全面試驗的基礎上，結合各項試驗結果，進行了綜合的評估分析。

1 試驗簡介

本次試驗的目的是針對南京城網已運行的10 kV XLPE電纜樣品，在實驗室進行全面的性能試驗，得到樣本電纜的整體及其組成部分的試驗數據，從而幫助評價實際電纜系統及其絕緣品質的性能現狀。樣本具備一定的代表性，運行時間為5～10年不等，盡可能反映實際的各種敷設情況。

試驗工作總體可分為絕緣系統品質試驗、電纜逐級擊穿試驗、加速老化試驗和附加特殊試驗等。首先，通過絕緣系統品質試驗，對樣本電纜絕緣系統的質量有初步的掌握。其次，進行逐級擊穿試驗，其試驗參數需要依據絕緣系統品質試驗的部分結果來確定;最后進行加速老化試驗，其試驗條件(如電場強度、溫度、時間等)也需要依據絕緣系統品質和逐級擊穿試驗的部分結果加以確定。各項試驗的設計思路如下:

(1)絕緣系統品質試驗。針對電纜絕緣系統中的絕緣材料、電纜及附件，進行設定條件下的試驗。根據該項試驗，得到電纜絕緣系統的基本信息，評價其品質現狀。

(2)電纜絕緣系統裕度試驗。先確定系統預期壽命，按試驗強度等級的不同確定試驗型式;按實際運行條件，確定試驗電壓水平;對絕緣系統裕度進行考核，包括正常、緊急和故障情況下的絕緣電氣強度、載流能力等。

(3)加速老化試驗。該項試驗分為連續試驗模式和循環試驗模式。按試驗歷時和循環次數的不同，可分為短期、中期和長期。該項試驗模擬實際運行條件，在不同的強度水平下進行，可考慮電、熱、機械和環境等因子的綜合作用。

(4)附加特殊試驗。擴大樣本量，對老化前和老化后的絕緣系統的重點指標進行比對性特殊試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 絕緣系統品質試驗

絕緣品質試驗數據表明:三種電纜樣品基本的電氣性能均能達到鑒定試驗要求，并符合現行國家標準對于10 kV XLPE電力電纜的要求。

通過常規鑒定試驗，樣品電纜的各項指標基本符合產品標準要求，但電纜樣品在長度方向的電氣性能一致性較低。若干制造缺陷(如雜質、界面突起、絕緣平均厚度偏小等)也將對電纜長期運行產生影響。

2.2 絕緣系統裕度試驗

通過對10 kV XLPX絕緣電纜按20 kV及30 kV電壓等級有關電氣型式試驗標準進行雷電沖擊、交流電壓試驗，檢驗電纜的電氣絕緣性能是否滿足要求，研究其絕緣裕度大小，試驗電壓標準見表1。

表1 絕緣系統裕度試驗電壓

試驗結果為所有被試電纜均通過了12/20 kV電壓等級的耐壓試驗，其中2個樣品能通過18/30 kV電壓等級的耐壓試驗，另1個樣品被擊穿，但擊穿部位在終端。可見從電氣絕緣方面看，電纜系統中電纜本體能夠承受較高的試驗電壓，絕緣裕度較高。

2.3 加速老化試驗

在電纜施加1.7U0電壓的條件下，對電纜導體進行通電熱循環試驗，經過一段時間的熱循環加速老化后，對所有樣品進行逐級擊穿試驗。依據逐級擊穿試驗的結果統計可知，通過耐壓篩查的三種樣品的特征擊穿場強均有較高的期望值，說明經耐壓篩查后的電纜具有較高的可靠性水平(見圖1)。圖1為三種電纜樣品的特征擊穿電壓的統計，圖中1#樣品的標準截面為300mm2，2#樣品為400mm2，3#樣品為70mm2。

圖1 三種電纜樣品的特征擊穿電壓

對于逐級擊穿試驗的結果，借助Weibull概率分布的統計分析，三種樣品在不同試樣組中的特征擊穿電壓均超過運行相電壓的6倍以上，最高的樣品組超過9倍。

2.4 附加特殊試驗

檢測發現，電纜絕緣內水樹的發展處于成長后期，因受雜質的影響，其形態多為領結狀(見圖2)，且在擊穿點附近發現了少量發射狀水樹。此外，擴展至3種9根不同線芯的樣品上進行的附加特殊試驗也反映出較好的水平。

圖2 樣品中典型的領結狀樹枝

三種樣品的絕緣線芯存在不同程度進水的情況，這與其敷設方法及運行環境關系密切。不同樣品的比對發現，水樹與敷設環境有較大的相關性，因而外護套的防水性能和完好程度對水樹的生長影響較大。特殊性能試驗表明，樣品的擊穿場強與水樹的密度、長度和形態存在較強的相關度。

3 若干問題探討

3.1 評估模型

實際的電力電纜線路如同空間上連續的復雜開放系統，內外部的影響帶來諸多不確定因素。為了避免簡化壽命模型外推帶來的不確定性，需要制定完善的老化評價體系，并結合線路的運行情況，制定多維評價指標，依據強化條件試驗的結果分析，對線路狀態進行評級，對劃分入不同等級的線路及其典型問題采取不同的應對策略。

評估模型需要通過電纜絕緣系統的裕度試驗和多因子老化試驗，得到電纜絕緣系統的裕度信息和老化信息。結合實際運行狀況，根據相關標準和判據，給出定性或定量的系統性能和可靠性指標。

3.2 壽命管理

案例中的綜合試驗說明了10 kV XLPE電纜絕緣中“弱點”的不連續性和隨機性。它與所取樣品段的完好狀態及其運行環境密切相關。因此，對電纜線路的壽命管理應以故障率為主要考核指標，而狀態評估中涉及的電纜“壽命”應是實際的可運行壽命，需要依此制定合理的相對終止標準和失效判據。

根據加速壽命試驗，案例中樣品的壽命推算以2～3年為界，呈兩極化分布的趨勢，反映出電纜樣品的可靠性基本符合浴盤曲線(bathtub curve)的規律，即在其運行歷程中存在早期故障期、偶然故障期(中期)和損耗故障期(晚期)三個階段。

4 結束語

在實際操作層面，提供以下幾點建議:

(1)依據此次樣品的檢查中發現的問題(如電纜外護套損傷、絕緣典型缺陷等)，采取應對措施，延長電纜的使用壽命。

(2)運行電纜的絕緣系統處于多因子老化的動態過程中，各種缺陷不斷發展和暴露。因此，在運行決策時，需要充分考慮狀態評估中反映出的本征/非本征缺陷對線路運行可靠性的影響程度。

(3)研究敷設運行方式對電纜溫升的影響，分析電纜絕緣運行溫度與電氣絕緣強度的關系，對溫升較大的部位，研究如何控制其溫升。

(4)應綜合評估外部因素的影響，如電纜線路的敷設條件、線路負載、運行年限等因素，甄別各線路的具體情況，予以區別對待。按照要求進行預防性試驗，并以此為手段找出線路的薄弱點，及時加以修復。