基于運行數(shù)據(jù)分析的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評估平臺

費雯麗，鄧顯波，王 格，歐陽本紅

（中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢430074）

0 引言

隨著電力需求正在不斷增加，高壓電纜使用量也在逐年增長。然而，由于電、熱和環(huán)境條件等多重因素，電纜在長期運行過程中絕緣質(zhì)量會逐漸下降，直至絕緣失效而發(fā)生電纜故障［1-21］。一旦電纜發(fā)生擊穿，需較長斷電時間進行維護修復(fù)，給廣大居民和企業(yè)的正常生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響［22-23］。

近二十年來為了提高電纜運行的安全可靠性，形成了多種檢測電纜的方法［24-25］。其中最主要的檢測方法之一是定期的絕緣預(yù)防性試驗，但是這些檢測方法依然存在著某些局限性。首先，預(yù)防性試驗一般是在斷電情況下進行；其次，預(yù)防性試驗一般是對全部電纜開展試驗，某些原本良好的電纜由于多次在高于額定電壓情況下進行試驗會導(dǎo)致電纜絕緣的更加快速老化。此外，人工停電檢修需要一套檢修班組，這也大大增加了檢修的人工費用與時間進度安排，尤其是在存量和新建電纜線路基數(shù)不斷增加的情況下，實際操作更難以實現(xiàn)。因此，尋求更為快捷有效的電纜絕緣老化狀態(tài)評估方法是必要的。

在我國，運行20 年以上的110 kV 電纜數(shù)量也很多［26］。除了服役年限不同，這些電纜來自不同的生產(chǎn)廠家，敷設(shè)條件和運行條件也不同，因此這些在役電纜的質(zhì)量和老化狀態(tài)也不盡相同［27］。如何準(zhǔn)確掌握這部分電纜的絕緣老化狀態(tài)，以便及時在電纜壽命終點前更換老舊電纜，對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定以及最大限度發(fā)揮電纜效益有著十分重要的意義［28-30］。

文章建立了一個基于運行數(shù)據(jù)分析的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評估平臺，用于對在役電纜進行一個初步的老化評估，這可以避免對所有電纜都取樣檢測，可大幅度降低電纜停電檢修造成的停電損失和取樣檢測的人工費用與時間安排。

1 電纜導(dǎo)體溫度推算

電纜電流和電纜導(dǎo)體溫度有如下計算式：

式（1）中，I 為導(dǎo)體電流（A）；θ 為導(dǎo)體溫度（℃）；θ0為電纜周圍環(huán)境溫度（℃）；Wd為絕緣介質(zhì)損耗；R為導(dǎo)體交流電阻；λ1為護套和屏蔽損耗因數(shù)；λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù)；T1為導(dǎo)體與金屬護套間絕緣熱阻（K·m/W）；T2為金屬護套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻（K·m/W）；T3為電纜外護套熱阻（K·m/W）；T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻（K·m/W）。

由于電纜絕緣介質(zhì)損耗Wd相對于導(dǎo)體損耗I2R相差3個數(shù)量級以上，所以后者對計算結(jié)果影響不大，因此電纜導(dǎo)體溫升與電流的關(guān)系可以近似為：

假設(shè)電纜運行的環(huán)境溫度θ0，電纜在實際工作電流IF下的導(dǎo)體溫度為θF；電纜導(dǎo)體允許長期額定工作溫度θM=90 ℃，載流量為IM。忽略溫度變化對其他參數(shù)的影響，則可以近似得到如下關(guān)系式：

則在電流IF下的導(dǎo)體溫度θF可近似表示為：

在式（4）中，θM為90 ℃，若已知環(huán)境平均溫度為θ0、電纜載流量IM和電纜實際運行電流值IF，即可以根據(jù)上式估算電纜導(dǎo)體平均溫度θF。

2 電纜老化評估模型

在90 ℃的運行條件下，XLPE 電力電纜的設(shè)計壽命為30年。假設(shè)電纜服役年限為t0年，則電纜導(dǎo)體溫度θF在t0年內(nèi)的累計效應(yīng)與電纜設(shè)計運行溫度θM=90 ℃在設(shè)計壽命30年內(nèi)的累計效應(yīng)的比值為：

結(jié)合式（5），電纜在累計溫度效應(yīng)下的等效運行年限t1就可以計算為：

電纜實際運行年限為t0年，溫度累計效應(yīng)下的等效運行年限為t1年，電纜老化運行年限t2綜合兩者的因素，取值為：

式（7）中，a0和a1是電纜實際運行年限t0和溫度累計效應(yīng)下的等效運行年限t1的權(quán)衡系數(shù)，a0+a1=1，由于本模型在進行電纜載流量取值和溫度推算時條件進行了較多簡化，因此，本模型中取a0=0.5，a1=0.5。

在實際運行中，大多數(shù)高壓電纜都屬于輕載狀態(tài)，電纜導(dǎo)體溫度可能遠低于電力電纜的設(shè)計溫度90 ℃，這批電纜可能老化不明顯，如果可延長其使用壽命，則可以避免材料的浪費，從而提高我國電力的經(jīng)濟效應(yīng)。但從實際情況考慮，如果這批電力電纜已經(jīng)老化到不能繼續(xù)使用的程度而繼續(xù)延長服役時間，將造成大面積的停電，給國民經(jīng)濟帶來重大損失。

因此僅以導(dǎo)體溫度來衡量電纜的運行壽命，這顯然與實際不相符，高壓電纜的老化情況不僅與其導(dǎo)體溫度有關(guān)，而且與電纜家族缺陷、歷史故障情況、服役年限、負(fù)荷情況、敷設(shè)方式及運行環(huán)境有關(guān)。統(tǒng)稱上述因素為高壓電纜老化狀態(tài)評估模型的附屬因數(shù)。

2.1 家族缺陷影響因數(shù)

家族缺陷代表的是部分設(shè)備會出現(xiàn)的共性問題，這種共性問題可能來自于某一個電纜供應(yīng)商或者某一種生產(chǎn)工藝等。有家族缺陷的電纜老化問題相對較嚴(yán)重，反之老化問題相對較輕，根據(jù)有無家族缺陷得出表1所示的家族缺陷因數(shù)值KF。

表1 家族缺陷影響因數(shù)KFTable 1 Family defect influence factor KF

2.2 歷史故障影響因數(shù)

文中所指的歷史故障主要指該條線路發(fā)生過的非外破性原因?qū)е碌臍v史故障，歷史故障較頻繁的電纜老化問題相對較嚴(yán)重，反之電纜的老化問題相對較輕。此外，電纜每發(fā)生一次故障，也可能會對電纜絕緣造成一定沖擊，加速電纜的老化，根據(jù)歷史故障得出表2所示的歷史故障因數(shù)值KH。

表2 歷史故障影響因數(shù)KHTable 2 Historical fault influence factor KH

2.3 服役年限影響因數(shù)

高壓電纜的運行狀態(tài)退化曲線大體符合設(shè)備老化原理，描述設(shè)備運行狀態(tài)隨服役年限的變化關(guān)系符合指數(shù)表達式，如式（8）所示

式（8）中，KY為服役年限因數(shù)值；A1為幅值系數(shù)；A2為老化系數(shù)；t0為電纜的服役年限。根據(jù)專家經(jīng)驗可得，A1=0.953 1，A2=0.019 17。

2.4 負(fù)荷情況影響因數(shù)

高壓電纜不同負(fù)荷情況對電纜的老化有較為明顯的影響。負(fù)載率低的電纜，線路老化情況不明顯，負(fù)載率高的線路老化情況較嚴(yán)重，根據(jù)歷史負(fù)荷得出表3所示的負(fù)荷因數(shù)值KL。線路的平均負(fù)載率計算如下：

表3 負(fù)荷情況影響因數(shù)KLTable 3 Load rate influence factor KL

2.5 敷設(shè)方式影響因數(shù)

電纜的敷設(shè)方式對電纜的運行狀態(tài)也有重要影響。高壓電纜主要敷設(shè)方式為隧道、電纜溝、直埋、排管。通常，在這幾種敷設(shè)方式下，散熱性能是“隧道＞電纜溝＞直埋＞排管”的，散熱性能差的電纜老化快。敷設(shè)方式影響因數(shù)值KM如表4所示。

表4 敷設(shè)方式影響因數(shù)KMTable 4 Laying manners influence factor KM

2.6 運行環(huán)境影響因數(shù)

電纜的運行環(huán)境對電纜的運行狀態(tài)也有重要影響，如果電纜長期同土壤、水分、潮氣接觸，絕緣材料易受到腐蝕滲透導(dǎo)致絕緣老化，反之則不易老化。根據(jù)敷設(shè)環(huán)境得出如表5所示的敷設(shè)環(huán)境因數(shù)值KE。

表5 運行環(huán)境影響因數(shù)KETable 5 Operating environment influence factor KE

綜合了家族缺陷、歷史故障次數(shù)、高壓電纜絕緣狀態(tài)隨服役年限的退化曲線、負(fù)荷情況、敷設(shè)方式及電纜運行環(huán)境影響因數(shù)后，電纜等效運行時間t用如式（10）所示。

3 電纜老化程度評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式（10）可以計算出在考慮各種影響因數(shù)情況下的電纜等效運行時間t，根據(jù)這個運行時間，將電纜的運行狀態(tài)和老化程度劃分為4個等級。

電纜等效運行時間與電纜老化的關(guān)系用表6來表示，采用正常、注意、異常和危險4 個等級進行評價描述，每個等級的取值范圍及評價結(jié)論、建議措施如表6所示。

表6 電纜老化程度評價標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Evaluation standard of cable aging degree

4 高壓電纜絕緣老化評估平臺

根據(jù)以上評估模型及評價標(biāo)準(zhǔn)，本文建立了一個高壓電纜絕緣老化評估平臺。該平臺的輸入?yún)?shù)包含高壓電纜的電壓等級、敷設(shè)方式、導(dǎo)體截面積、服役年限、負(fù)荷電流、運行環(huán)境溫度、非外破原因?qū)е碌臍v史故障次數(shù)、是否長期同土壤/水分/潮氣接觸、電纜型號、廠家信息、有無家族缺陷、電纜所屬網(wǎng)省及電纜投運日期等。

該平臺的輸出參數(shù)主要包括電纜的運行狀態(tài)、老化程度、評價結(jié)論及建議措施等。根據(jù)平臺的評估結(jié)果，可合理地安排針對中度老化和嚴(yán)重老化的電纜進行取樣試驗，進一步驗證電纜的老化狀態(tài)。

在對各電纜進行老化評估的基礎(chǔ)上，高壓電纜絕緣老化評估平臺也可對各網(wǎng)省公司的電纜老化情況進行統(tǒng)計，圖1所示是電纜老化評估總覽頁面。

圖1 電纜老化評估平臺總覽頁面Fig.1 Overview page of cable aging analysis platform

目前，通過從各網(wǎng)省公司收集信息，在該平臺錄入了134 條電纜的數(shù)據(jù)，并得到了相應(yīng)的電纜老化評估結(jié)論。后期將該平臺布入到電網(wǎng)系統(tǒng)后，可以全面地了解到各網(wǎng)省公司電纜的絕緣老化情況，以便更合理地安排檢修和試驗檢測。在該平臺的輔助判斷下，可以在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時，減少不必要的停電和人力物力資源浪費。

5 老化評估平臺有效性驗證

在這134 條電纜分析數(shù)據(jù)中，本文針對22 條電纜進行了電氣性能和理化性能試驗，分別測試了其斷裂伸長率（表征力學(xué)性能老化程度）、擊穿場強（表征介電性能老化程度）、熱分解溫度（表征熱裂解程度）、羰基指數(shù)（表征熱氧老化程度）及熔融溫度（表征熱氧老化程度）5個參數(shù)，采用模糊聚類法對電纜進行了老化評估，將試驗結(jié)果評估的電纜老化狀態(tài)與本系統(tǒng)初步判斷的電纜老化狀態(tài)進行了對比，結(jié)果如表7所示。

編號為9/19/21的電纜，運行數(shù)據(jù)評估模型分別將該電纜老化程度評估為輕度、嚴(yán)重、輕度，而通過對電纜取樣進行的試驗研究表明，這3 條電纜的實際老化程度為輕微、中度、輕微，這是因為在基于運行數(shù)據(jù)的老化評估中，對實際運行年限所考慮的權(quán)重較大，而這幾條電纜雖然實際運行年限較長，但由于負(fù)載率極低等原因老化并沒有十分明顯。

表7 電纜老化評估結(jié)果對比Table 7 Comparison of aging assessment results

通過對22條電纜的老化評估結(jié)果的對比可知，基于運行數(shù)據(jù)的老化評估模型準(zhǔn)確率高達86.3%。且評估結(jié)果有差異的3 條電纜，基于運行數(shù)據(jù)評估的電纜老化程度均大于基于試驗數(shù)據(jù)評估的電纜老化程度，這是滿足電纜的安全生產(chǎn)運行要求的。

6 結(jié)語

文章建立了一個基于運行數(shù)據(jù)分析的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評估平臺，該平臺綜合考慮了電纜導(dǎo)體溫度、家族缺陷、歷史故障次數(shù)、高壓電纜服役年限、負(fù)荷情況、敷設(shè)方式及電纜運行環(huán)境等對電纜老化程度的影響，可用于對服役電纜進行一個初步的老化評價。

該平臺對于電纜運營管理者初步快速了解所有服役電纜的運行狀態(tài)具有重要意義，可避免對所有電纜都停電檢測，可大幅度降低電纜停電檢修、取樣檢測的人工費用與時間安排。通過在平臺上測試22 條電纜的絕緣老化狀態(tài)，并與試驗檢測結(jié)果對比，也證實了該平臺的有效性。

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