南京城网10 kV XLPE绝缘电力电缆现状试验研究

费益军，张子阳，孙建生，徐晓峰

(1.江苏省电力试验研究院，江苏 南京211102;2.上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

作为城市的重要基础设施，城市中低压配电网直接联系着广大用户，为城市建设、经济发展、人民生活等提供电源。配电电缆是城市配电网的重要组成部分，配电电缆的安全可靠运行对于城市电网稳定具有重要意义。它的健全与否，直接关系到用户安全可靠供电及负荷增长的需要。目前，国内现有的配电电缆以国产10 kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为主，具有规模大、分布广、敷设环境复杂等特点。

2008年，南京供电公司对城区配电电缆进行全面调研，普查了南京地区的2930条约722 km 10 kV XLPE绝缘电缆，分别就截面参数、护套型式、接头数量、附件类型、最高载流、运行年限、敷设方式和故障情况等方面进行测评。结果表明:电缆绝缘状态良好的占总体的27.6%，状态较好的占44.6%，状态一般的占18%，状态较差的占8.8%。

本文在对取自三条在役10 kV XLPE电缆线路的样品全面试验的基础上，结合各项试验结果，进行了综合的评估分析。

1 试验简介

本次试验的目的是针对南京城网已运行的10 kV XLPE电缆样品，在实验室进行全面的性能试验，得到样本电缆的整体及其组成部分的试验数据，从而帮助评价实际电缆系统及其绝缘品质的性能现状。样本具备一定的代表性，运行时间为5～10年不等，尽可能反映实际的各种敷设情况。

试验工作总体可分为绝缘系统品质试验、电缆逐级击穿试验、加速老化试验和附加特殊试验等。首先，通过绝缘系统品质试验，对样本电缆绝缘系统的质量有初步的掌握。其次，进行逐级击穿试验，其试验参数需要依据绝缘系统品质试验的部分结果来确定;最后进行加速老化试验，其试验条件(如电场强度、温度、时间等)也需要依据绝缘系统品质和逐级击穿试验的部分结果加以确定。各项试验的设计思路如下:

(1)绝缘系统品质试验。针对电缆绝缘系统中的绝缘材料、电缆及附件，进行设定条件下的试验。根据该项试验，得到电缆绝缘系统的基本信息，评价其品质现状。

(2)电缆绝缘系统裕度试验。先确定系统预期寿命，按试验强度等级的不同确定试验型式;按实际运行条件，确定试验电压水平;对绝缘系统裕度进行考核，包括正常、紧急和故障情况下的绝缘电气强度、载流能力等。

(3)加速老化试验。该项试验分为连续试验模式和循环试验模式。按试验历时和循环次数的不同，可分为短期、中期和长期。该项试验模拟实际运行条件，在不同的强度水平下进行，可考虑电、热、机械和环境等因子的综合作用。

(4)附加特殊试验。扩大样本量，对老化前和老化后的绝缘系统的重点指标进行比对性特殊试验。

2 试验结果及分析

2.1 绝缘系统品质试验

绝缘品质试验数据表明:三种电缆样品基本的电气性能均能达到鉴定试验要求，并符合现行国家标准对于10 kV XLPE电力电缆的要求。

通过常规鉴定试验，样品电缆的各项指标基本符合产品标准要求，但电缆样品在长度方向的电气性能一致性较低。若干制造缺陷(如杂质、界面突起、绝缘平均厚度偏小等)也将对电缆长期运行产生影响。

2.2 绝缘系统裕度试验

通过对10 kV XLPX绝缘电缆按20 kV及30 kV电压等级有关电气型式试验标准进行雷电冲击、交流电压试验，检验电缆的电气绝缘性能是否满足要求，研究其绝缘裕度大小，试验电压标准见表1。

表1 绝缘系统裕度试验电压

试验结果为所有被试电缆均通过了12/20 kV电压等级的耐压试验，其中2个样品能通过18/30 kV电压等级的耐压试验，另1个样品被击穿，但击穿部位在终端。可见从电气绝缘方面看，电缆系统中电缆本体能够承受较高的试验电压，绝缘裕度较高。

2.3 加速老化试验

在电缆施加1.7U0电压的条件下，对电缆导体进行通电热循环试验，经过一段时间的热循环加速老化后，对所有样品进行逐级击穿试验。依据逐级击穿试验的结果统计可知，通过耐压筛查的三种样品的特征击穿场强均有较高的期望值，说明经耐压筛查后的电缆具有较高的可靠性水平(见图1)。图1为三种电缆样品的特征击穿电压的统计，图中1#样品的标准截面为300mm2，2#样品为400mm2，3#样品为70mm2。

图1 三种电缆样品的特征击穿电压

对于逐级击穿试验的结果，借助Weibull概率分布的统计分析，三种样品在不同试样组中的特征击穿电压均超过运行相电压的6倍以上，最高的样品组超过9倍。

2.4 附加特殊试验

检测发现，电缆绝缘内水树的发展处于成长后期，因受杂质的影响，其形态多为领结状(见图2)，且在击穿点附近发现了少量发射状水树。此外，扩展至3种9根不同线芯的样品上进行的附加特殊试验也反映出较好的水平。

图2 样品中典型的领结状树枝

三种样品的绝缘线芯存在不同程度进水的情况，这与其敷设方法及运行环境关系密切。不同样品的比对发现，水树与敷设环境有较大的相关性，因而外护套的防水性能和完好程度对水树的生长影响较大。特殊性能试验表明，样品的击穿场强与水树的密度、长度和形态存在较强的相关度。

3 若干问题探讨

3.1 评估模型

实际的电力电缆线路如同空间上连续的复杂开放系统，内外部的影响带来诸多不确定因素。为了避免简化寿命模型外推带来的不确定性，需要制定完善的老化评价体系，并结合线路的运行情况，制定多维评价指标，依据强化条件试验的结果分析，对线路状态进行评级，对划分入不同等级的线路及其典型问题采取不同的应对策略。

评估模型需要通过电缆绝缘系统的裕度试验和多因子老化试验，得到电缆绝缘系统的裕度信息和老化信息。结合实际运行状况，根据相关标准和判据，给出定性或定量的系统性能和可靠性指标。

3.2 寿命管理

案例中的综合试验说明了10 kV XLPE电缆绝缘中“弱点”的不连续性和随机性。它与所取样品段的完好状态及其运行环境密切相关。因此，对电缆线路的寿命管理应以故障率为主要考核指标，而状态评估中涉及的电缆“寿命”应是实际的可运行寿命，需要依此制定合理的相对终止标准和失效判据。

根据加速寿命试验，案例中样品的寿命推算以2～3年为界，呈两极化分布的趋势，反映出电缆样品的可靠性基本符合浴盘曲线(bathtub curve)的规律，即在其运行历程中存在早期故障期、偶然故障期(中期)和损耗故障期(晚期)三个阶段。

4 结束语

在实际操作层面，提供以下几点建议:

(1)依据此次样品的检查中发现的问题(如电缆外护套损伤、绝缘典型缺陷等)，采取应对措施，延长电缆的使用寿命。

(2)运行电缆的绝缘系统处于多因子老化的动态过程中，各种缺陷不断发展和暴露。因此，在运行决策时，需要充分考虑状态评估中反映出的本征/非本征缺陷对线路运行可靠性的影响程度。

(3)研究敷设运行方式对电缆温升的影响，分析电缆绝缘运行温度与电气绝缘强度的关系，对温升较大的部位，研究如何控制其温升。

(4)应综合评估外部因素的影响，如电缆线路的敷设条件、线路负载、运行年限等因素，甄别各线路的具体情况，予以区别对待。按照要求进行预防性试验，并以此为手段找出线路的薄弱点，及时加以修复。