淺談kV交聯聚乙烯電纜絕緣劣化及修正

淺談10kV交聯聚乙烯電纜絕緣劣化及修正摘要：介紹了6.0/10kV交聯聚乙烯(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行長期的追蹤觀察情況。運行實踐表明，《電力工程電纜設計規(guī)范》中的有關電纜絕緣水平的條文說明亟待修正。

關鍵字：交聯聚乙烯電纜絕緣設計絕緣運行配電系統(tǒng)供電工程中，10kV交聯聚乙烯(XLPE)電纜的應用范圍廣，且敷設量大。除電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)的輸配電網使用外，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計人員選用，故在10kVXLPE電纜的絕緣水平設計時應嚴加區(qū)分。我國應用XLPE電纜的初期，一些設計人員僅依據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要求進行絕緣水平設計。忽略了XLPE電纜對纜芯與絕緣屏蔽層或護套間的額定電壓U0(相對地電壓)的特殊規(guī)定，因而所設計的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月并網投運，10kV電源為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)，所用電纜為國內早期批量生產的E-T型結構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荷而不能及時撤除運行，致使接地持續(xù)時間長達2h15min。電纜各種類型的損壞累計達46次，其中電纜本體絕緣被擊穿30次，占故障總數的65.22%。在長年的追蹤觀察中，發(fā)現這批6.0/10kVXLPE電纜因水樹現象被擊穿、在主絕緣層形成孔洞。同時還發(fā)現了早期生產的XLPE電纜因設備、工藝條件所限，致使電纜主絕緣層出現薄厚不均和同心度差等問題。現將這批電纜在1991～2004年間損壞的次數統(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，預示著該輸配電網的電纜絕緣水平整體下降。表明一旦電網出現單相接地，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，該輸配電網共發(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7次，已影響企業(yè)的安全生產。表1故障發(fā)生的時段與次數統(tǒng)計表單位：次年份附件質量及安裝質質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，電網發(fā)生的一起非同相兩點接地短路故障，其后果最為嚴重。故障電纜線路約2.30km。搶修后，對電纜進行直流耐壓泄漏電流值測試，當試驗電壓升至0.50kV時，試驗裝置保護動作，試驗被迫中斷。該電纜絕緣又出現新的擊穿點，如此反復數次，新的擊穿點不斷地向電源和負荷兩側延伸發(fā)展。種種跡象表明，該電纜線路絕緣已全線劣化，無修復價值。在重新敷設新電纜線路的同時，對報廢的電纜線路進行了分段拆除，在距電源締結點164m處的一開斷口竟流淌出積水約300ml。這揭示出該電纜外護套破損是導致絕緣劣化的主要原因之一。GB50217—1994《電力工程電纜設計規(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，便成為工程技術人員和企業(yè)投資爭議的焦點。運行經驗表明，在上述條件下運行的電纜，絕緣擊穿故障的發(fā)生是離散、隨機的，并受多種因素的影響。其絕緣受損經一定年限的累積，最終導致輸配電網絕緣水平整體劣化，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)生次數急劇上升。如若按電纜半導電構造特征分類統(tǒng)計年事故率，則遠高于國外同類產品。然而為維持這批6.0/10kVXLPE電纜的使用，其電氣預防性試驗工作卻一直未能正常開展。2004年9月，為調研這批電纜的絕緣狀況，對其中1條長約1．30km的電纜線路進行了直流耐壓泄漏電流值測定。當直流電壓升至2.5U0（即15kV）時，該電纜A相泄漏電流值達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，但當投運到39h20min時，該線路過電流保護動作，斷路器跳閘原因不明。電纜再次運行117h后絕緣被擊穿。試驗結論：這批6.0/10kVXLPE電纜不應繼續(xù)使用。2絕緣設計與使用壽命我國10kV供電系統(tǒng)應用XLPE電纜已近20年，但對XLPE電纜使用年限的認識尚未統(tǒng)一，有待進一步實踐和總結。但對國內早期批量生產的E-T型結構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)模應用10kVXLPE電纜輸電的工程設計，除保證建設項目供電網絡和電力系統(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)現有部分敷設于20世紀50年代中期的油浸紙絕緣鉛包鋼帶鎧裝瀝青麻被外護套銅芯電纜仍在使用，其根本原因是采用這種6.0/10kV絕緣電纜并締結于6kV中性點不接地系統(tǒng)，其相對地電壓絕緣設計為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。反觀國內早期批量生產的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、水蒸汽交聯生產工藝，極易在電纜主絕緣層生成水樹、氣泡和夾雜等問題，嚴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電纜相電壓的設計按1.5U0確定，其絕緣等級雖已高于國內行業(yè)標準規(guī)定的1.33U0，但仍低于IEC183：1987標準規(guī)定的1.73U0。GB50217—1994《電力工程電纜設計規(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)標準一致，且與美國ASTM470—1981、IEC183標準相似，但沒有AEICCSS—1982保守。因此，設計人員應當認真閱讀設計規(guī)范的若干規(guī)定和要求，掌握XLPE電纜絕緣設計的要點；了解所要締結電力系統(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節(jié)，也應引起工程設計人員的關注。眾所周知，電纜屬于分布參數元件，運行中一些過電壓波進入電纜后將會產生疊加現象，各種過電壓對其絕緣的破壞程度要比對其他電器設備嚴重得多，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、相關設備絕緣的配合問題。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計中采用了約16.0km的8.7/15kVE-E型結構的10kVXLPE電纜，投運7年來，未發(fā)生過一起絕緣擊穿故障，電網安全運行情況截然不同。3結論鑒于我國電線電纜標準技術委員會重新修訂的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》已與國際標準IEC60502—1997接軌，10kVXLPE電纜的出廠例行試驗的質量技術指標也已全面提升，對質量控制更加嚴格。這使《電力工程電纜設計規(guī)范》中有關絕緣水平設計所參照的行業(yè)標準已顯滯后。另外該規(guī)范中有關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標準）不僅與國內電氣運行所執(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標準中規(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JB/T8996規(guī)定，接地故障時間不得超過1h，對于本標準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《電力工程電纜設計規(guī)范》中有關電纜絕緣水平規(guī)定的條款進行調整或修正，盡快與國際標準和相關的國家標準