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        南京城網(wǎng)10 kV XLPE絕緣電力電纜現(xiàn)狀試驗(yàn)研究

        2010-03-26 12:32:44費(fèi)益軍張子陽孫建生徐曉峰
        電線電纜 2010年3期
        關(guān)鍵詞:裕度絕緣電纜

        費(fèi)益軍,張子陽,孫建生,徐曉峰

        (1.江蘇省電力試驗(yàn)研究院,江蘇 南京211102;2.上海電纜研究所,上海200093)

        0 引言

        作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施,城市中低壓配電網(wǎng)直接聯(lián)系著廣大用戶,為城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活等提供電源。配電電纜是城市配電網(wǎng)的重要組成部分,配電電纜的安全可靠運(yùn)行對于城市電網(wǎng)穩(wěn)定具有重要意義。它的健全與否,直接關(guān)系到用戶安全可靠供電及負(fù)荷增長的需要。目前,國內(nèi)現(xiàn)有的配電電纜以國產(chǎn)10 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜為主,具有規(guī)模大、分布廣、敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。

        2008年,南京供電公司對城區(qū)配電電纜進(jìn)行全面調(diào)研,普查了南京地區(qū)的2930條約722 km 10 kV XLPE絕緣電纜,分別就截面參數(shù)、護(hù)套型式、接頭數(shù)量、附件類型、最高載流、運(yùn)行年限、敷設(shè)方式和故障情況等方面進(jìn)行測評。結(jié)果表明:電纜絕緣狀態(tài)良好的占總體的27.6%,狀態(tài)較好的占44.6%,狀態(tài)一般的占18%,狀態(tài)較差的占8.8%。

        本文在對取自三條在役10 kV XLPE電纜線路的樣品全面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了綜合的評估分析。

        1 試驗(yàn)簡介

        本次試驗(yàn)的目的是針對南京城網(wǎng)已運(yùn)行的10 kV XLPE電纜樣品,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面的性能試驗(yàn),得到樣本電纜的整體及其組成部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù),從而幫助評價(jià)實(shí)際電纜系統(tǒng)及其絕緣品質(zhì)的性能現(xiàn)狀。樣本具備一定的代表性,運(yùn)行時(shí)間為5~10年不等,盡可能反映實(shí)際的各種敷設(shè)情況。

        試驗(yàn)工作總體可分為絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)、電纜逐級擊穿試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)和附加特殊試驗(yàn)等。首先,通過絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn),對樣本電纜絕緣系統(tǒng)的質(zhì)量有初步的掌握。其次,進(jìn)行逐級擊穿試驗(yàn),其試驗(yàn)參數(shù)需要依據(jù)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)的部分結(jié)果來確定;最后進(jìn)行加速老化試驗(yàn),其試驗(yàn)條件(如電場強(qiáng)度、溫度、時(shí)間等)也需要依據(jù)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)和逐級擊穿試驗(yàn)的部分結(jié)果加以確定。各項(xiàng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路如下:

        (1)絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)。針對電纜絕緣系統(tǒng)中的絕緣材料、電纜及附件,進(jìn)行設(shè)定條件下的試驗(yàn)。根據(jù)該項(xiàng)試驗(yàn),得到電纜絕緣系統(tǒng)的基本信息,評價(jià)其品質(zhì)現(xiàn)狀。

        (2)電纜絕緣系統(tǒng)裕度試驗(yàn)。先確定系統(tǒng)預(yù)期壽命,按試驗(yàn)強(qiáng)度等級的不同確定試驗(yàn)型式;按實(shí)際運(yùn)行條件,確定試驗(yàn)電壓水平;對絕緣系統(tǒng)裕度進(jìn)行考核,包括正常、緊急和故障情況下的絕緣電氣強(qiáng)度、載流能力等。

        (3)加速老化試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)分為連續(xù)試驗(yàn)?zāi)J胶脱h(huán)試驗(yàn)?zāi)J健0丛囼?yàn)歷時(shí)和循環(huán)次數(shù)的不同,可分為短期、中期和長期。該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際運(yùn)行條件,在不同的強(qiáng)度水平下進(jìn)行,可考慮電、熱、機(jī)械和環(huán)境等因子的綜合作用。

        (4)附加特殊試驗(yàn)。擴(kuò)大樣本量,對老化前和老化后的絕緣系統(tǒng)的重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行比對性特殊試驗(yàn)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 絕緣系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)

        絕緣品質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:三種電纜樣品基本的電氣性能均能達(dá)到鑒定試驗(yàn)要求,并符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對于10 kV XLPE電力電纜的要求。

        通過常規(guī)鑒定試驗(yàn),樣品電纜的各項(xiàng)指標(biāo)基本符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求,但電纜樣品在長度方向的電氣性能一致性較低。若干制造缺陷(如雜質(zhì)、界面突起、絕緣平均厚度偏小等)也將對電纜長期運(yùn)行產(chǎn)生影響。

        2.2 絕緣系統(tǒng)裕度試驗(yàn)

        通過對10 kV XLPX絕緣電纜按20 kV及30 kV電壓等級有關(guān)電氣型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雷電沖擊、交流電壓試驗(yàn),檢驗(yàn)電纜的電氣絕緣性能是否滿足要求,研究其絕緣裕度大小,試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)見表1。

        表1 絕緣系統(tǒng)裕度試驗(yàn)電壓

        試驗(yàn)結(jié)果為所有被試電纜均通過了12/20 kV電壓等級的耐壓試驗(yàn),其中2個(gè)樣品能通過18/30 kV電壓等級的耐壓試驗(yàn),另1個(gè)樣品被擊穿,但擊穿部位在終端??梢姀碾姎饨^緣方面看,電纜系統(tǒng)中電纜本體能夠承受較高的試驗(yàn)電壓,絕緣裕度較高。

        2.3 加速老化試驗(yàn)

        在電纜施加1.7U0電壓的條件下,對電纜導(dǎo)體進(jìn)行通電熱循環(huán)試驗(yàn),經(jīng)過一段時(shí)間的熱循環(huán)加速老化后,對所有樣品進(jìn)行逐級擊穿試驗(yàn)。依據(jù)逐級擊穿試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知,通過耐壓篩查的三種樣品的特征擊穿場強(qiáng)均有較高的期望值,說明經(jīng)耐壓篩查后的電纜具有較高的可靠性水平(見圖1)。圖1為三種電纜樣品的特征擊穿電壓的統(tǒng)計(jì),圖中1#樣品的標(biāo)準(zhǔn)截面為300mm2,2#樣品為400mm2,3#樣品為70mm2。

        圖1 三種電纜樣品的特征擊穿電壓

        對于逐級擊穿試驗(yàn)的結(jié)果,借助Weibull概率分布的統(tǒng)計(jì)分析,三種樣品在不同試樣組中的特征擊穿電壓均超過運(yùn)行相電壓的6倍以上,最高的樣品組超過9倍。

        2.4 附加特殊試驗(yàn)

        檢測發(fā)現(xiàn),電纜絕緣內(nèi)水樹的發(fā)展處于成長后期,因受雜質(zhì)的影響,其形態(tài)多為領(lǐng)結(jié)狀(見圖2),且在擊穿點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了少量發(fā)射狀水樹。此外,擴(kuò)展至3種9根不同線芯的樣品上進(jìn)行的附加特殊試驗(yàn)也反映出較好的水平。

        圖2 樣品中典型的領(lǐng)結(jié)狀樹枝

        三種樣品的絕緣線芯存在不同程度進(jìn)水的情況,這與其敷設(shè)方法及運(yùn)行環(huán)境關(guān)系密切。不同樣品的比對發(fā)現(xiàn),水樹與敷設(shè)環(huán)境有較大的相關(guān)性,因而外護(hù)套的防水性能和完好程度對水樹的生長影響較大。特殊性能試驗(yàn)表明,樣品的擊穿場強(qiáng)與水樹的密度、長度和形態(tài)存在較強(qiáng)的相關(guān)度。

        3 若干問題探討

        3.1 評估模型

        實(shí)際的電力電纜線路如同空間上連續(xù)的復(fù)雜開放系統(tǒng),內(nèi)外部的影響帶來諸多不確定因素。為了避免簡化壽命模型外推帶來的不確定性,需要制定完善的老化評價(jià)體系,并結(jié)合線路的運(yùn)行情況,制定多維評價(jià)指標(biāo),依據(jù)強(qiáng)化條件試驗(yàn)的結(jié)果分析,對線路狀態(tài)進(jìn)行評級,對劃分入不同等級的線路及其典型問題采取不同的應(yīng)對策略。

        評估模型需要通過電纜絕緣系統(tǒng)的裕度試驗(yàn)和多因子老化試驗(yàn),得到電纜絕緣系統(tǒng)的裕度信息和老化信息。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和判據(jù),給出定性或定量的系統(tǒng)性能和可靠性指標(biāo)。

        3.2 壽命管理

        案例中的綜合試驗(yàn)說明了10 kV XLPE電纜絕緣中“弱點(diǎn)”的不連續(xù)性和隨機(jī)性。它與所取樣品段的完好狀態(tài)及其運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)。因此,對電纜線路的壽命管理應(yīng)以故障率為主要考核指標(biāo),而狀態(tài)評估中涉及的電纜“壽命”應(yīng)是實(shí)際的可運(yùn)行壽命,需要依此制定合理的相對終止標(biāo)準(zhǔn)和失效判據(jù)。

        根據(jù)加速壽命試驗(yàn),案例中樣品的壽命推算以2~3年為界,呈兩極化分布的趨勢,反映出電纜樣品的可靠性基本符合浴盤曲線(bathtub curve)的規(guī)律,即在其運(yùn)行歷程中存在早期故障期、偶然故障期(中期)和損耗故障期(晚期)三個(gè)階段。

        4 結(jié)束語

        在實(shí)際操作層面,提供以下幾點(diǎn)建議:

        (1)依據(jù)此次樣品的檢查中發(fā)現(xiàn)的問題(如電纜外護(hù)套損傷、絕緣典型缺陷等),采取應(yīng)對措施,延長電纜的使用壽命。

        (2)運(yùn)行電纜的絕緣系統(tǒng)處于多因子老化的動態(tài)過程中,各種缺陷不斷發(fā)展和暴露。因此,在運(yùn)行決策時(shí),需要充分考慮狀態(tài)評估中反映出的本征/非本征缺陷對線路運(yùn)行可靠性的影響程度。

        (3)研究敷設(shè)運(yùn)行方式對電纜溫升的影響,分析電纜絕緣運(yùn)行溫度與電氣絕緣強(qiáng)度的關(guān)系,對溫升較大的部位,研究如何控制其溫升。

        (4)應(yīng)綜合評估外部因素的影響,如電纜線路的敷設(shè)條件、線路負(fù)載、運(yùn)行年限等因素,甄別各線路的具體情況,予以區(qū)別對待。按照要求進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn),并以此為手段找出線路的薄弱點(diǎn),及時(shí)加以修復(fù)。

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