抗水樹XLPE中壓電纜的性能及其應用情況

2012-07-06 08:11:40仇斌

科技傳播 2012年8期

仇斌

深圳寶興電線電纜制造公司，廣東深圳 518104，

0 引言

美國地下敷設了15kV～35kV電力電纜320萬km，為全國85%居民供應電力。我國電網每年使用6 kV～35kV中壓XLPE電纜10萬km，全國各行業的年使用量已達25萬km[1]。中壓XLPE電纜一般沒有金屬密封護層，地下水分通過擴散進入絕緣中，在水分和電場聯合作用下，形成水樹，水樹生長緩慢，可是，當水樹生長到一定長度，水樹端的電場集中又能引發電樹，電樹生長迅速，很快引起電纜擊穿。多年來，水樹導致XLPE電纜的高事故率曾長期困擾著電纜行業，為了阻止電纜絕緣的水樹化，除采用措施防止水分從導體進入電纜，在XLPE絕緣中盡量排除雜質和缺陷，消除水樹引發點外，80年代，國外研制了多種WTR-XLPE電纜料，WTR-XLPE中壓電纜的普遍使用大大降低了電纜運行的事故率，延長了電纜的使用壽命。

近來，國內XLPE絕緣的中壓電力電纜的故障率明顯上升，運行超過5 年的中壓XLPE電纜的絕緣中會發生了水樹。尤其是安裝在南方潮濕環境中的XLPE電纜，個別嚴重的樹枝長度接近絕緣厚度的70%[2]。在城市中電力電纜主要敷設在電纜溝或管道中，與水直接的機會少，隨著農村城鎮化的進行，中壓電力電纜直埋式敷設將是主要的形式，環境差，產生水樹機會多。國內經努力成功開發了WTR-XLPE電纜料，由此料研制的10kV抗水樹電纜按我國電力行業標準，在武漢國網電力科學研究院通過了360天加速水樹老化的鑒定試驗。

本文在綜述國外中壓XLPE電纜故率的統計數據的基礎上，對比XLPE和WTR-XLPE電纜的運行中的老化性能，介紹國產10kV抗水樹交聯聚乙烯電纜加速水樹老化試驗結果、達到的水平，最后敘述國外WTR-XLPE電纜的使用情況。

1 XLPE電纜的歷年事故記錄

德國調查了歷年電纜擊穿情況，圖1示出運行中電纜擊穿率與敷設年份的關系。

從圖1可見，早期敷設電纜的擊穿率很高，那時，生產電纜的工藝落后，半導電屏蔽和絕緣料清潔度較低，容易引發水樹。電纜擊穿率的明顯降低是在80年代中期，電纜質量的改善歸功于使用了WTR-XLPE絕緣。圖1的缺點是沒有顯示每年敷設的電纜量，實際上更多的電纜是敷設在1995年而非1985年。

美國德克薩斯州敷設了各種絕緣的大量電纜，許多電纜敷設在70年代和80年代初，為了提供敷設的電纜量和敷設年份的信息，把x軸的評估累積電纜量定義為特定年敷設的電纜總長度乘電纜運行年數，為了找到不同電纜擊穿率與敷設電纜量的關系，畫出了如圖2所示的3種絕緣電纜的評估累積擊穿率與評估累積電纜量的關系。

圖1 XLPE電纜擊穿率作為敷設年份的函數

圖2 三代中壓電纜的擊穿數據

從圖2可推知，高分子量PE絕緣電纜發生30

次擊穿的電纜長度是9000km，在發生同樣擊穿次數下，典型XLPE電纜是22000km，WTR-XLPE電纜是100000km，由此可見，抗水樹交聯聚乙烯電纜的可靠性幾乎是普通交聯聚乙烯電纜的5倍。

2 運行中電纜的老化程度

國產10kV XLPE電纜運行不同年份后進行了交流擊穿試驗，擊穿電場強度與運行年數的關系示于圖3中，圖3中同時列出了美國35kV WTR-XLPE電纜的對應數據。

從圖3可見，國產10kV XLPE電纜運行7年后，交流擊穿電場強度從原始的40kV/mm下降到12kV/mm，電纜的剩余電場強度僅是新電纜的30%；而抗水樹XLPE電纜運行同樣年份后，交流擊穿電場強度從原始的32.5kV/mm下降到28kV/mm，剩余電場強度還有新電纜的86%，運行17年后仍有80%。WTR-XLPE電纜運行壽命要比XLPE電纜長得多。

為了更說明WTR-XLPE絕緣老化性能的優越性，圖4示出運行17年后，WTR-XLPE電纜絕緣和EPR電纜絕緣的詳細擊穿數據。

圖3 運行后國產XLPE電纜剩余擊穿電場強度與美國WTYR-XLPE的比較

以擊穿概率63%水平劃線，在圖4上得到WTR- XLPE 和EPR絕緣的擊穿電場強度分別25.7kV/mm和17.1kV/mm，兩者相差8.6kV/mm，差值相當EPR擊穿電場強度的一半。雷電脈沖擊穿試驗表明，運行17年后WTR-XLPE電纜絕緣的脈沖擊穿電場強度相當于新電纜的90%。

圖4 兩種電纜運行17年后絕緣交流擊穿電強度的Weibull分布

3 國產WTYR-XLPE電纜性能

國產兩條10kV WTR-XLPE電力電纜，按我國電力行業標準“中壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜抗水樹性能鑒定試驗方法和要求”，進行了抗水樹鑒定試驗，試驗結果如圖5所示。

從圖5可見，普通XLPE電纜（曲線C）隨著老化時間的增加，絕緣的擊穿電場強度單調下降，老化180 天后，擊穿電場強度只有5kV/mm；而兩條國產WTR-XLPE電纜（曲線P和O）經過360天老化后，擊穿電場強度分別還有28kV/mm和24kV/mm，比標準要求的20kV/mm，還有較多的裕度。

在加速水樹老化過程中，不同老化階段還測量了P電纜和O電纜的局部放電量和介質損耗角正切，試驗結果表明都低于標準規定值，國產抗水樹電纜料的性能已達到2004年國外報道的水平[3]。

4 WTR-XLP電纜的使用情況

投資者擁有的電氣集團公司是美國最大的供電單位，并在50州設立了175電氣分公司，供應國家85%人口的用電，Joseph H. D. 等對其中48個～60個電氣公司的地下中壓電纜作了系統的調查。60個電氣公司的地下電纜分三個電壓等級，15 kV、25 kV和35kV，敷設方式分直埋和管道兩種，不同敷設方式的電纜長度示于圖6中。

從圖6可見，15kV電纜的直埋和管道敷設量幾乎相等，25kV電纜以管道敷設為主，35kV以直埋為主。一般來說管道敷設可避免機械損壞和地下水的影響，尤其在人口稠密的城市郊區或多巖石的土壤中管道敷設具有優點，但直埋電纜的成本要低得多。圖6數據也表明敷設方式不是考慮電纜的受潮條件。