10 kV電力電纜運行故障統計分析

周 越 朱啟凌 楊健擘

國網上海市電力公司市北供電公司

0 引言

近年來為適應城市的用電需要，保障供電可靠性，電力電纜在城市電網建設中得到了廣泛應用。與此同時，北京、上海等大城市也正大力開展架空線入地工程，將原來“黑色蜘蛛網”的架空線遷入地下改為電纜走線，這意味著未來大型城市中的配網線路將采用越來越多的電力電纜。這是城市發展到一定階段的必然要求，也是城市精細化管理的一個重要體現[1]。

電纜線路基本都敷設在地下，雖然相比架空線路穩定性和可靠性更高，但卻具有更大的檢查和維修難度。因此，加強電力電纜的運行故障研究分析，對維護電力系統穩定運行具有重要意義。以上海市部分城區的配網電力電纜線路運行故障統計資料為依據，研究分析故障位置、故障原因及不同因素與運行時間的關系，提出相應合理的解決方案，以期對城市配網中電力電纜的運行維護提供參考，從而進一步提高系統供電可靠性。

1 運行狀況及故障統計

上海市部分城區2014年至2019年10 kV電力電纜長度及故障情況見表1。年故障率隨時間變化見圖1，其中電纜長度為每年12月的統計數據。

表1 上海市部分城區10 kV電纜長度及故障情況

由表1 中數據表明，近六年來，隨著配網線路改造和架空線入地工程的大力開展，所統計的上海市這部分城區10 kV 電力電纜的長度仍在逐年快速增加。圖1 顯示，相應的年故障率在2015 年得到有效降低，之后又開始略微上升，達到1.75次/百公里。

圖1 上海市部分城區10 kV電纜年故障率變化

2 故障分析

2.1 故障位置

一般而言，電力電纜主要分為電纜本體、中間接頭及終端接頭三個位置。其中，電纜本體是主要組成部分，在長期運行中容易受到挖掘施工等外力因素影響而引發故障，而中間接頭受到施工質量、制造質量、運行環境等各方面因素影響較大，相對本體和終端接頭更容易出現自身絕緣缺陷引發故障。

上海市部分城區2014 年至2019 年10 kV 電力電纜不同位置故障數及所占總故障數的比例見表2。

表2 電纜不同位置故障次數及比例

上海市部分城區2014年至2019年10 kV電力電纜不同位置故障數變化曲線如圖2所示。

圖2 電纜不同位置故障數變化曲線

從表2和圖2中可以看出:

1）在2014 年，上海市部分城區10 kV 電纜中間接頭故障數達88次，占比66.2%，之后逐年降低，到2019 年后，已降至25 次，占比20.3%。經分析，這是由于近年上海地區10 kV電力電纜的預制式中間接頭逐漸減少，轉而由繞包式中間接頭取代。上海地區較為潮濕，在預制式中間接頭的制造過程中容易受潮出現缺陷，半導電層的不良處理也容易導致電纜故障[2]。隨著預制式接頭的逐年減少，中間接頭故障率也大幅降低。

2）2015 年后，電纜本體的故障數及所占比例逐年上升，于2019年已高達94次，占比76.4%。其中大多數故障原因為外力破壞，少部分為本體質量引起。

3）近六年，電纜終端接頭的故障數基本保持不變，均在10 次以內。相比于中間接頭，終端接頭數量較少，且不論是戶外終端還是戶內終端，運行環境也都較好，不易引發故障。

2.2 故障原因

基于上海市部分城區2014年至2019年10 kV電力電纜故障統計數據、搶修資料、事故分析和故障電纜樣本及照片等分析，導致電力電纜故障的原因可分為外力破壞、制造質量、施工質量、絕緣老化及其他。

1）外力破壞一般為直接破壞或間接破壞，是由于基礎設施或建筑施工（如挖掘機、鏟土機和風鎬）過程中直接損壞電纜，造成接地短路或相間短路，從而破壞電纜絕緣造成擊穿故障，或當時傷及電纜絕緣而未造成故障發生，卻留下事故隱患，在電纜運行不久后絕緣達到閾值發生擊穿故障[3]。

2）制造質量一般指電纜附件及本體的制造質量，電纜附件指中間接頭和終端接頭，為多層固體復合介質絕緣結構，其制造過程需要較高的環境條件，一旦密封性有缺陷，附件有細微受潮或開裂松脫等，界面表明電阻將急劇下降，從而激發沿面放電，導致附件內部相間短路或接地短路。本體的制造質量若不合格，其中的微孔和雜質在運行過程中易發生局部放電，隨著運行電壓升高，電場增強，局部放電將引發主絕緣樹枝狀放電，最終在短時間內造成接地短路或相間短路引發故障。

3）施工質量一般指電纜敷設安裝時不規范，質量不符合要求，主要體現在野蠻施工損傷電纜，牽引力過大磨損電纜外絕緣，電纜彎曲半徑過小留下隱患等。

4）絕緣老化是由于電纜長期工作，飽受電力和熱效應的雙重影響，達到使用壽命而未及時更換，發生樹枝狀老化擊穿或呼吸效應受潮放電引發電纜故障，多發生在運行時間20年以上的電纜。

5）其他原因主要包括過電壓、偷盜、異物、自然災害等。

將這五種故障原因分類統計，得到上海市部分城區2014年至2019年10 kV電力電纜不同原因的故障數及所占總故障數的比例，見表3。

表3 電纜不同原因故障數及比例

上海市部分城區2014年至2019年10 kV電力電纜不同原因的故障數變化曲線，見圖3。

圖3 電纜不同原因故障數變化曲線

從表3和圖3可以看出：

1）外力破壞引發的故障占比逐年提升，特別是2019 年已經增至55 次，占比44.7%。一是由于近幾年所統計城區大力發展建設，城區改造工程大幅增多，道路開挖增多，工地上野蠻施工現象屢禁不止，施工單位管理混亂責任不明確，搶工期進度，缺乏對地下線路的保護意識等。二是因為電纜敷設時工程設計缺陷，與其它地下管線交錯布置或重疊沖突，導致電纜敷設過淺。三是部分電纜無鎧裝或保護管，缺乏警示標志。這些原因都會造成電纜處于危險境地，加大了外力破壞引發電纜故障的可能性，且外力破壞多發生于電纜本體，這與電纜本體故障數逐年提升的統計結果一致。

2）制造質量引發的故障每年都在大幅減少，從2014年的81次，占比60.9%減少到2019年的8次，僅占比6.5%。一方面是由于近幾年繞包式接頭逐漸取代預制式接頭，提升了運行可靠性，這與電纜中間接頭故障減少的統計結果一致，另一方面電力電纜制造技術快速發展，生產水平不斷提高，高質量的交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的應用使電力系統可靠性更高，故障率也大幅降低。

3）絕緣老化引發的故障數也在逐年緩慢提升，從 2014 年的 16 次，占比 12.0%增多到 2019 年的39次，占比31.7%。這是由于上海市城區內老舊電纜較多，20 世紀90 年代敷設安裝的大批量電力電纜絕緣已經老化，而同時近年來居民用電負荷大幅提升，電纜逐漸達到使用壽命引發故障。

4）施工質量及其他原因引發的故障在2014-2019 年均保持相對穩定，故障數較小，占比較少。

2.3 運行時間

自2016 年，所統計城區電纜中間接頭已全部更換為繞包式，運行狀況趨于穩定。若不計外力破壞引發的故障，將2016-2019年其余所有故障與運行時間的關系進行分析，得到運行時間在5 年內、5至10年、10至15年、15至20年及20年以上相對應的故障數，形成柱狀圖，見圖4。

圖4 電纜不同運行時間的故障數

由圖4可知，不計外力破壞引發故障時，電力電纜運行故障情況與多數電力設備一樣，呈浴盆曲線（Bathtub curve，又稱失效率曲線）。

投運初期（運行時間5 年內）容易發生運行故障，不同原因及占比見圖5。初期主要是由于施工質量引起，占比74.5%，其次為制造質量，占比16.4%。

運行中期（運行時間5-20 年內）故障相對較少，電纜本體和附件進入穩定運行狀態。

運行后期（運行時間20年以上）故障大幅增多，電纜由于長時間運行，接近使用壽命，絕緣樹枝狀老化、電熱老化以及附件老化急速加劇，因絕緣老化成為故障最主要原因，占比86.7%，見圖6。

圖5 運行時間5年內的電纜故障原因

圖6 運行時間20年以上的電纜故障原因

4 預防電纜故障方法

4.1 防止外力破壞

外力破壞是近兩年來10 kV電纜故障中占比最高的，且一旦發生外力破壞，電纜必須更換本體或新增中間接頭，不僅耗費人力物力，而且對電力系統的穩定運行造成影響，因此做好電纜線路防外破工作是預防電纜故障的首要措施。

1）要建立準確無誤的電纜資料和圖紙，及時更新完善地理信息系統，為配網運行人員日常巡視及建設施工人員提供可靠參考。針對圖紙與實際電纜走廊不符的情況，要及時更新整改，做到每根電纜“有圖可依”，每條線路“路圖統一”。

2）加強與市政、規劃、城建、交通和園林等部門的配合，與各管線部門保持緊密聯系，準確及時掌握城市施工的規劃和進度，提前做好防護準備工作，與施工單位進行交底，提供地下管線信息并增設明顯警示標志，在施工過程中增派相應負責人駐點監督。

3）實施危險點控制方案。加強危險點巡視工作，密切關注電纜線路上是否有挖掘施工，一旦發現違章施工危及電纜安全，及時與施工單位負責人進行交涉，如有不聽勸阻或發現損壞，應及時向上級部門匯報。

4）加強電纜保護和規劃，提高自身防外破能力。一方面針對敷設過淺且無法搬遷深埋的電纜加設保護管或蓋板，增設地下電纜標識，另一方面在制定地下管線密集區域的電纜路徑走向時，應收集管線信息，綜合考慮合理布置，防止出現敷設安裝過程中難以實施而致使電纜過淺或路徑不一致的情況。

5）積極推進“大數據、云計算、物聯網、移動互聯網、人工智能”等“大云物移智”新技術深度融入電纜運行維護管理中，如：施工現場智能監控系統，將電纜線路的一舉一動經互聯網實時傳到運行維護人員手中，經大數據與計算機人工智能，分析得出故障發生可能性，從而及時做出應對措施。

4.2 嚴把施工質量

把好施工質量關，抓好電纜施工過程中敷設和安裝環節。一方面制定相應制度和考核方案，對敷設電纜的隊伍和人員進行必要的業務素質與技術培訓，另一方面加強現場敷設施工的監督管理，減少和杜絕野蠻施工，確保電纜彎曲半徑和牽引力在合理范圍，保障電纜敷設安裝質量合格。

4.3 排除絕緣老化

絕緣老化引發的電纜故障雖占比不大，但仍是不可小視的部分，由于其故障時間和位置難以預測，因此在日常運行維護中，運行人員需要更加有針對性地開展運行監測工作，及時做好電纜更新。一是要關注電纜負荷水平，預測負荷變化，在夏季冬季用電高峰期時提前對重過載電纜線路進行增容更換。二是加強對電纜溫度、附件狀態、局部放電的監控，定期開展試驗工作，特別是針對運行時間較長，接近平均使用壽命的電纜。

4.4 保障制造質量

為保障電力電纜制造質量，必須做好電纜驗收與交接。一是電纜附件的制作過程要嚴格監督和驗收，把握天氣條件和現場環境是否適宜，對于重要工藝更要格外關注。二是在交接試驗環節，嚴格按照有關標準，對各項技術指標進行核對。針對目前應用最為廣泛的XLPE 電纜，不得使用直流耐壓試驗，容易造成XLPE 絕緣損傷，縮短電纜使用壽命。推薦采用工頻電壓試驗、0.1 Hz超低頻電壓試驗、kHz 振蕩波電壓試驗、串聯諧振或變頻諧振交流電壓試驗等[4]。

5 結論

1）上海市部分城區10 kV 電力電纜年故障率在2015 年有所降低，但在近三年又有所上升，于2019年達到1.75次/百公里。

2）統計數據顯示，2014年至2019年上海市部分城區10 kV電力電纜中間接頭故障次數及占比均大幅降低，從2014 年的88 次，占比66.2%，降低到2019年的25次，占比20.3%，而本體故障次數及占比均呈逐漸上升趨勢，于2019 年達到94 次，占比76.4%。

3）分析故障原因發現，制造質量引發的故障呈逐年減少的趨勢，從2014年的81次，占比60.9%減少到2019年的8次，占比6.5%，而外力破壞引發的故障逐年提升，于2019 年已經增加至55 次，占比44.7%，這一結果與故障部位統計數據所得結論一致。另外，絕緣老化引發的故障數也在逐年緩慢上升，從 2014 年的16 次，占比12.0%增多到2019 年的39次，占比31.7%。

4）不計外力破壞因素，運行時間5年以內的電纜較容易發生故障，主要原因為施工質量，占比74.5%；運行時間5-20 年內的電纜較為穩定，故障相對較少；運行時間20 年以上的電纜故障大幅增多，主要原因為絕緣老化，占比86.7%。

5）針對故障原因，提出相應合理措施以預防電纜故障，一是要加強運維管理能力，防止外力破壞；二是要抓好電纜敷設和安裝，嚴把施工質量；三是要做好監測及時更新，排除絕緣老化電纜；四是要做好電纜驗收與交接，保障電纜制造質量。