淺談kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化及修正

淺談10kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化及修正摘要：介紹了6.0/10kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜在10kV中性點不接地系統(tǒng)中的運行狀況，以及對電纜頻繁發(fā)生絕緣擊穿故障與絕緣水平整體劣化等問題進(jìn)行長期的追蹤觀察情況。運行實踐表明，《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》中的有關(guān)電纜絕緣水平的條文說明亟待修正。

關(guān)鍵字：交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣設(shè)計絕緣運行配電系統(tǒng)供電工程中，10kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的應(yīng)用范圍廣，且敷設(shè)量大。除電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)的輸配電網(wǎng)使用外，還涉及許多大型建筑物、高層建筑及工業(yè)、生活園區(qū)的供電工程。由于10kV供電電源有中性點直接接地及不接地2種系統(tǒng)；10kVXLPE電纜又有6.0/10kV、8.7/10kV、8.7/15kV3種絕緣電壓的等級供設(shè)計人員選用，故在10kVXLPE電纜的絕緣水平設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)加區(qū)分。我國應(yīng)用XLPE電纜的初期，一些設(shè)計人員僅依據(jù)電纜纜芯間的額定電壓不得低于使用回路工作電壓的技術(shù)要求進(jìn)行絕緣水平設(shè)計。忽略了XLPE電纜對纜芯與絕緣屏蔽層或護(hù)套間的額定電壓U0(相對地電壓)的特殊規(guī)定，因而所設(shè)計的XLPE電纜相對地電壓U0等于系統(tǒng)額定相電壓值，造成電纜絕緣裕度不足。電纜交付使用后，無法承受系統(tǒng)出現(xiàn)的過電壓，屢屢發(fā)生電纜絕緣被擊穿的事故。筆者正是在這一情況下，對一批在系統(tǒng)額定相電壓值條件下運行的6.0/10kVXLPE電纜進(jìn)行了長期的追蹤觀察。1.故障統(tǒng)計與分析某工程供電系統(tǒng)于1991年2月并網(wǎng)投運，10kV電源為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，所用電纜為國內(nèi)早期批量生產(chǎn)的E-T型結(jié)構(gòu)6.0/10kVXLPE電纜，長約30km。該電纜長期處于額定相電壓值條件下做無絕緣裕度運行。14年來，這批電纜承受系統(tǒng)單相接地故障期間非故障相電壓升高80余次；接地故障持續(xù)時間累計超過7h15min。其中，因故障線路帶有重要負(fù)荷而不能及時撤除運行，致使接地持續(xù)時間長達(dá)2h15min。電纜各種類型的損壞累計達(dá)46次，其中電纜本體絕緣被擊穿30次，占故障總數(shù)的65.22%。在長年的追蹤觀察中，發(fā)現(xiàn)這批6.0/10kVXLPE電纜因水樹現(xiàn)象被擊穿、在主絕緣層形成孔洞。同時還發(fā)現(xiàn)了早期生產(chǎn)的XLPE電纜因設(shè)備、工藝條件所限，致使電纜主絕緣層出現(xiàn)薄厚不均和同心度差等問題?，F(xiàn)將這批電纜在1991～2004年間損壞的次數(shù)統(tǒng)計整理列于表1。這批電纜運行至第7年，供電系統(tǒng)便發(fā)生了罕見的非同相兩點接地短路故障，預(yù)示著該輸配電網(wǎng)的電纜絕緣水平整體下降。表明一旦電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地，非故障相已無法承受相對地電壓的升高。自1998年7月至2000年5月約660天內(nèi)，該輸配電網(wǎng)共發(fā)生非同相兩點接地短路故障4次。1999年，電纜絕緣擊穿故障高達(dá)7次，已影響企業(yè)的安全生產(chǎn)。表1故障發(fā)生的時段與次數(shù)統(tǒng)計表單位：次年份附件質(zhì)量及安裝質(zhì)質(zhì)量問題電纜本體絕緣被擊擊穿電纜遭受外力破壞壞19914221992000199301019940221995010199601019970001998170199905020000212001011200206420030012004020合計53011累積比例/%10.8765.2223.192000年5月，電網(wǎng)發(fā)生的一起非同相兩點接地短路故障，其后果最為嚴(yán)重。故障電纜線路約2.30km。搶修后，對電纜進(jìn)行直流耐壓泄漏電流值測試，當(dāng)試驗電壓升至0.50kV時，試驗裝置保護(hù)動作，試驗被迫中斷。該電纜絕緣又出現(xiàn)新的擊穿點，如此反復(fù)數(shù)次，新的擊穿點不斷地向電源和負(fù)荷兩側(cè)延伸發(fā)展。種種跡象表明，該電纜線路絕緣已全線劣化，無修復(fù)價值。在重新敷設(shè)新電纜線路的同時，對報廢的電纜線路進(jìn)行了分段拆除，在距電源締結(jié)點164m處的一開斷口竟流淌出積水約300ml。這揭示出該電纜外護(hù)套破損是導(dǎo)致絕緣劣化的主要原因之一。GB50217—1994《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》頒布于1994年11月，于1995年7月實施。規(guī)范條文說明中，對工程已發(fā)生錯用了額定相電壓值的10kVXLPE電纜的處理意見是有所保留的，即“但對有的行業(yè)系統(tǒng)采用額定相電壓值后運行實踐尚無問題的情況，可允許區(qū)別對待”。這種語法值得商榷。對這部分電纜是繼續(xù)使用還是更換，便成為工程技術(shù)人員和企業(yè)投資爭議的焦點。運行經(jīng)驗表明，在上述條件下運行的電纜，絕緣擊穿故障的發(fā)生是離散、隨機(jī)的，并受多種因素的影響。其絕緣受損經(jīng)一定年限的累積，最終導(dǎo)致輸配電網(wǎng)絕緣水平整體劣化，電纜絕緣故障將會集中突發(fā)于一個時段，往往使企業(yè)的管理與維修部門措手不及。從圖1可以看出，這批電纜正是隨著運行年的推移，絕緣擊穿故障年發(fā)生次數(shù)急劇上升。如若按電纜半導(dǎo)電構(gòu)造特征分類統(tǒng)計年事故率，則遠(yuǎn)高于國外同類產(chǎn)品。然而為維持這批6.0/10kVXLPE電纜的使用，其電氣預(yù)防性試驗工作卻一直未能正常開展。2004年9月，為調(diào)研這批電纜的絕緣狀況，對其中1條長約1．30km的電纜線路進(jìn)行了直流耐壓泄漏電流值測定。當(dāng)直流電壓升至2.5U0（即15kV）時，該電纜A相泄漏電流值達(dá)326μA、B相為60μA、C相為13μA。隨著試驗電壓緩慢升高和試驗時間的延長，電纜泄漏電流值仍有攀升的趨勢，在此情況便終止了試驗。試驗結(jié)果表明，該電纜的絕緣存在著重大缺陷。又改做施加系統(tǒng)的正常運行電壓24h通電試驗，雖無異常，但當(dāng)投運到39h20min時，該線路過電流保護(hù)動作，斷路器跳閘原因不明。電纜再次運行117h后絕緣被擊穿。試驗結(jié)論：這批6.0/10kVXLPE電纜不應(yīng)繼續(xù)使用。2絕緣設(shè)計與使用壽命我國10kV供電系統(tǒng)應(yīng)用XLPE電纜已近20年，但對XLPE電纜使用年限的認(rèn)識尚未統(tǒng)一，有待進(jìn)一步實踐和總結(jié)。但對國內(nèi)早期批量生產(chǎn)的E-T型結(jié)構(gòu)XLPE電纜，且在額定相電壓值運行條件下，其使用年限未能超過7年，已是不爭的事實。對于大規(guī)模應(yīng)用10kVXLPE電纜輸電的工程設(shè)計，除保證建設(shè)項目供電網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)的安全運行外，不能不考慮電纜使用年限的問題。正常情況下，電纜密封構(gòu)造良好、絕緣水平裕度寬泛適度，則電纜使用的年限就長。筆者走訪了本地區(qū)一些6kV供電的大、中型企業(yè)，發(fā)現(xiàn)有部分敷設(shè)于20世紀(jì)50年代中期的油浸紙絕緣鉛包鋼帶鎧裝瀝青麻被外護(hù)套銅芯電纜仍在使用，其根本原因是采用這種6.0/10kV絕緣電纜并締結(jié)于6kV中性點不接地系統(tǒng)，其相對地電壓絕緣設(shè)計為1.73U0，電纜的絕緣裕度寬泛；且依賴于電纜鉛包具有良好的密封、絕緣油的外溢封堵防潮性能和自愈作用。反觀國內(nèi)早期批量生產(chǎn)的E-T型10kVXLPE電纜，其防水、阻水性能較差，加上采用的是“2+1”擠包、水蒸汽交聯(lián)生產(chǎn)工藝，極易在電纜主絕緣層生成水樹、氣泡和夾雜等問題，嚴(yán)重地影響了電纜絕緣性能與其使用壽命。我國擬訂用的8.7/10kVXLPE電纜等同于國外8.7/15kV絕緣電壓等級的電纜，8.7/10kVXLPE電纜相電壓的設(shè)計按1.5U0確定，其絕緣等級雖已高于國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.33U0，但仍低于IEC183：1987標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.73U0。GB50217—1994《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》中第條：交流系統(tǒng)中電力電纜纜芯與絕緣屏蔽或金屬套之間額定電壓的選擇第（2）項指出：“對于（1）項外的供電系統(tǒng)，不宜低于133%的使用回路工作相電壓；在單相接地故障可能持續(xù)8h以上，或發(fā)電機(jī)回路等安全性要求較高的情況，宜采取173%的使用回路工作相電壓”。規(guī)定了選擇使用133%相電壓和173%相電壓絕緣的界限，并說明此規(guī)定與我國頒發(fā)的SOJ26—1989、DL401—1991、SD289—1988行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致，且與美國ASTM470—1981、IEC183標(biāo)準(zhǔn)相似，但沒有AEICCSS—1982保守。因此，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀設(shè)計規(guī)范的若干規(guī)定和要求，掌握XLPE電纜絕緣設(shè)計的要點；了解所要締結(jié)電力系統(tǒng)的中性點接地制式。除此而外，對規(guī)程條文說明的一些細(xì)節(jié)，也應(yīng)引起工程設(shè)計人員的關(guān)注。眾所周知，電纜屬于分布參數(shù)元件，運行中一些過電壓波進(jìn)入電纜后將會產(chǎn)生疊加現(xiàn)象，各種過電壓對其絕緣的破壞程度要比對其他電器設(shè)備嚴(yán)重得多，故必須考慮電纜絕緣耐受系統(tǒng)大氣過電壓和操作過電壓的能力，及其附件、相關(guān)設(shè)備絕緣的配合問題。如選6.0/10kV、8.7/10kV絕緣電壓等級電纜的最高工作電壓Um為12kV；選8.7/15kV的Um為18kV?？梢哉f選定了電纜型號規(guī)格便確定了擬建電網(wǎng)的絕緣水平與電纜使用的年限。該企業(yè)自1997年在續(xù)建的電纜線路工程設(shè)計中采用了約16.0km的8.7/15kVE-E型結(jié)構(gòu)的10kVXLPE電纜，投運7年來，未發(fā)生過一起絕緣擊穿故障，電網(wǎng)安全運行情況截然不同。3結(jié)論鑒于我國電線電纜標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會重新修訂的GB/T12706.1～4—2002《額定電壓1kV（Um=1.2kV)到35kV（Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件》已與國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60502—1997接軌，10kVXLPE電纜的出廠例行試驗的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)也已全面提升，對質(zhì)量控制更加嚴(yán)格。這使《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)絕緣水平設(shè)計所參照的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已顯滯后。另外該規(guī)范中有關(guān)高壓電纜絕緣選擇的分類及故障電纜持續(xù)運行的時間（引于IEC183—1984和IEC183—1965標(biāo)準(zhǔn)）不僅與國內(nèi)電氣運行所執(zhí)行的原水電部電氣事故處理規(guī)程中對不接地系統(tǒng)允許單相故障接地時間為2h的規(guī)定不一致，而且與新頒布的GB/T12706.1～4—2002標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求也不一致。該規(guī)定對絕緣等級B類的描述如下：“可在單相接地故障時作短時運行，根據(jù)JB/T8996規(guī)定，接地故障時間不得超過1h，對于本標(biāo)準(zhǔn)包括的電纜允許更長時間的帶故障運行時間，但在任何情況下，不得超過8h，每年接地故障不超過125h”。筆者建議：對GB50217—1994《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)電纜絕緣水平規(guī)定的條款進(jìn)行調(diào)整或修正，盡快與國際標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)