南京城網(wǎng)10 kV XLPE絕緣電力電纜現(xiàn)狀試驗(yàn)研究

費(fèi)益軍，張子陽(yáng)，孫建生，徐曉峰

(1.江蘇省電力試驗(yàn)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(chǔ)設(shè)施，城市中低壓配電網(wǎng)直接聯(lián)系著廣大用戶，為城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活等提供電源。配電電纜是城市配電網(wǎng)的重要組成部分，配電電纜的安全可靠運(yùn)行對(duì)于城市電網(wǎng)穩(wěn)定具有重要意義。它的健全與否，直接關(guān)系到用戶安全可靠供電及負(fù)荷增長(zhǎng)的需要。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的配電電纜以國(guó)產(chǎn)10 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜為主，具有規(guī)模大、分布廣、敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。

2008年，南京供電公司對(duì)城區(qū)配電電纜進(jìn)行全面調(diào)研，普查了南京地區(qū)的2930條約722 km 10 kV XLPE絕緣電纜，分別就截面參數(shù)、護(hù)套型式、接頭數(shù)量、附件類型、最高載流、運(yùn)行年限、敷設(shè)方式和故障情況等方面進(jìn)行測(cè)評(píng)。結(jié)果表明:電纜絕緣狀態(tài)良好的占總體的27.6%，狀態(tài)較好的占44.6%，狀態(tài)一般的占18%，狀態(tài)較差的占8.8%。

本文在對(duì)取自三條在役10 kV XLPE電纜線路的樣品全面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了綜合的評(píng)估分析。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)的目的是針對(duì)南京城網(wǎng)已運(yùn)行的10 kV XLPE電纜樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)，得到樣本電纜的整體及其組成部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而幫助評(píng)價(jià)實(shí)際電纜系統(tǒng)及其絕緣品質(zhì)的性能現(xiàn)狀。樣本具備一定的代表性，運(yùn)行時(shí)間為5～10年不等，盡可能反映實(shí)際的各種敷設(shè)情況。

試驗(yàn)工作總體可分為絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)、電纜逐級(jí)擊穿試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)和附加特殊試驗(yàn)等。首先，通過(guò)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)，對(duì)樣本電纜絕緣系統(tǒng)的質(zhì)量有初步的掌握。其次，進(jìn)行逐級(jí)擊穿試驗(yàn)，其試驗(yàn)參數(shù)需要依據(jù)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)的部分結(jié)果來(lái)確定;最后進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件(如電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、時(shí)間等)也需要依據(jù)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)和逐級(jí)擊穿試驗(yàn)的部分結(jié)果加以確定。各項(xiàng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路如下:

(1)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)。針對(duì)電纜絕緣系統(tǒng)中的絕緣材料、電纜及附件，進(jìn)行設(shè)定條件下的試驗(yàn)。根據(jù)該項(xiàng)試驗(yàn)，得到電纜絕緣系統(tǒng)的基本信息，評(píng)價(jià)其品質(zhì)現(xiàn)狀。

(2)電纜絕緣系統(tǒng)裕度試驗(yàn)。先確定系統(tǒng)預(yù)期壽命，按試驗(yàn)強(qiáng)度等級(jí)的不同確定試驗(yàn)型式;按實(shí)際運(yùn)行條件，確定試驗(yàn)電壓水平;對(duì)絕緣系統(tǒng)裕度進(jìn)行考核，包括正常、緊急和故障情況下的絕緣電氣強(qiáng)度、載流能力等。

(3)加速老化試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)分為連續(xù)試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶脱h(huán)試驗(yàn)?zāi)Ｊ健０丛囼?yàn)歷時(shí)和循環(huán)次數(shù)的不同，可分為短期、中期和長(zhǎng)期。該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際運(yùn)行條件，在不同的強(qiáng)度水平下進(jìn)行，可考慮電、熱、機(jī)械和環(huán)境等因子的綜合作用。

(4)附加特殊試驗(yàn)。擴(kuò)大樣本量，對(duì)老化前和老化后的絕緣系統(tǒng)的重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)性特殊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)

絕緣品質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:三種電纜樣品基本的電氣性能均能達(dá)到鑒定試驗(yàn)要求，并符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于10 kV XLPE電力電纜的要求。

通過(guò)常規(guī)鑒定試驗(yàn)，樣品電纜的各項(xiàng)指標(biāo)基本符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，但電纜樣品在長(zhǎng)度方向的電氣性能一致性較低。若干制造缺陷(如雜質(zhì)、界面突起、絕緣平均厚度偏小等)也將對(duì)電纜長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生影響。

2.2 絕緣系統(tǒng)裕度試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)10 kV XLPX絕緣電纜按20 kV及30 kV電壓等級(jí)有關(guān)電氣型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雷電沖擊、交流電壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)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(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 絕緣系統(tǒng)裕度試驗(yàn)電壓

試驗(yàn)結(jié)果為所有被試電纜均通過(guò)了12/20 kV電壓等級(jí)的耐壓試驗(yàn)，其中2個(gè)樣品能通過(guò)18/30 kV電壓等級(jí)的耐壓試驗(yàn)，另1個(gè)樣品被擊穿，但擊穿部位在終端。可見(jiàn)從電氣絕緣方面看，電纜系統(tǒng)中電纜本體能夠承受較高的試驗(yàn)電壓，絕緣裕度較高。

2.3 加速老化試驗(yàn)

在電纜施加1.7U0電壓的條件下，對(duì)電纜導(dǎo)體進(jìn)行通電熱循環(huán)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱循環(huán)加速老化后，對(duì)所有樣品進(jìn)行逐級(jí)擊穿試驗(yàn)。依據(jù)逐級(jí)擊穿試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知，通過(guò)耐壓篩查的三種樣品的特征擊穿場(chǎng)強(qiáng)均有較高的期望值，說(shuō)明經(jīng)耐壓篩查后的電纜具有較高的可靠性水平(見(jiàn)圖1)。圖1為三種電纜樣品的特征擊穿電壓的統(tǒng)計(jì)，圖中1#樣品的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于逐級(jí)擊穿試驗(yàn)的結(jié)果，借助Weibull概率分布的統(tǒng)計(jì)分析，三種樣品在不同試樣組中的特征擊穿電壓均超過(guò)運(yùn)行相電壓的6倍以上，最高的樣品組超過(guò)9倍。

2.4 附加特殊試驗(yàn)

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，電纜絕緣內(nèi)水樹(shù)的發(fā)展處于成長(zhǎng)后期，因受雜質(zhì)的影響，其形態(tài)多為領(lǐng)結(jié)狀(見(jiàn)圖2)，且在擊穿點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了少量發(fā)射狀水樹(shù)。此外，擴(kuò)展至3種9根不同線芯的樣品上進(jìn)行的附加特殊試驗(yàn)也反映出較好的水平。

圖2 樣品中典型的領(lǐng)結(jié)狀樹(shù)枝

三種樣品的絕緣線芯存在不同程度進(jìn)水的情況，這與其敷設(shè)方法及運(yùn)行環(huán)境關(guān)系密切。不同樣品的比對(duì)發(fā)現(xiàn)，水樹(shù)與敷設(shè)環(huán)境有較大的相關(guān)性，因而外護(hù)套的防水性能和完好程度對(duì)水樹(shù)的生長(zhǎng)影響較大。特殊性能試驗(yàn)表明，樣品的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與水樹(shù)的密度、長(zhǎng)度和形態(tài)存在較強(qiáng)的相關(guān)度。

3 若干問(wèn)題探討

3.1 評(píng)估模型

實(shí)際的電力電纜線路如同空間上連續(xù)的復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng)，內(nèi)外部的影響帶來(lái)諸多不確定因素。為了避免簡(jiǎn)化壽命模型外推帶來(lái)的不確定性，需要制定完善的老化評(píng)價(jià)體系，并結(jié)合線路的運(yùn)行情況，制定多維評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)強(qiáng)化條件試驗(yàn)的結(jié)果分析，對(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行評(píng)級(jí)，對(duì)劃分入不同等級(jí)的線路及其典型問(wèn)題采取不同的應(yīng)對(duì)策略。

評(píng)估模型需要通過(guò)電纜絕緣系統(tǒng)的裕度試驗(yàn)和多因子老化試驗(yàn)，得到電纜絕緣系統(tǒng)的裕度信息和老化信息。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和判據(jù)，給出定性或定量的系統(tǒng)性能和可靠性指標(biāo)。

3.2 壽命管理

案例中的綜合試驗(yàn)說(shuō)明了10 kV XLPE電纜絕緣中“弱點(diǎn)”的不連續(xù)性和隨機(jī)性。它與所取樣品段的完好狀態(tài)及其運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)。因此，對(duì)電纜線路的壽命管理應(yīng)以故障率為主要考核指標(biāo)，而狀態(tài)評(píng)估中涉及的電纜“壽命”應(yīng)是實(shí)際的可運(yùn)行壽命，需要依此制定合理的相對(duì)終止標(biāo)準(zhǔn)和失效判據(jù)。

根據(jù)加速壽命試驗(yàn)，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(shì)，反映出電纜樣品的可靠性基本符合浴盤(pán)曲線(bathtub curve)的規(guī)律，即在其運(yùn)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(gè)階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際操作層面，提供以下幾點(diǎn)建議:

(1)依據(jù)此次樣品的檢查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題(如電纜外護(hù)套損傷、絕緣典型缺陷等)，采取應(yīng)對(duì)措施，延長(zhǎng)電纜的使用壽命。

(2)運(yùn)行電纜的絕緣系統(tǒng)處于多因子老化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，各種缺陷不斷發(fā)展和暴露。因此，在運(yùn)行決策時(shí)，需要充分考慮狀態(tài)評(píng)估中反映出的本征/非本征缺陷對(duì)線路運(yùn)行可靠性的影響程度。

(3)研究敷設(shè)運(yùn)行方式對(duì)電纜溫升的影響，分析電纜絕緣運(yùn)行溫度與電氣絕緣強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)溫升較大的部位，研究如何控制其溫升。

(4)應(yīng)綜合評(píng)估外部因素的影響，如電纜線路的敷設(shè)條件、線路負(fù)載、運(yùn)行年限等因素，甄別各線路的具體情況，予以區(qū)別對(duì)待。按照要求進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，并以此為手段找出線路的薄弱點(diǎn)，及時(shí)加以修復(fù)。