抗水樹XLPE中壓電纜的性能及其應(yīng)用情況

仇 斌

深圳寶興電線電纜制造公司，廣東深圳 518104，

0 引言

美國地下敷設(shè)了15kV～35kV電力電纜320萬km，為全國85%居民供應(yīng)電力。我國電網(wǎng)每年使用6 kV～35kV中壓XLPE電纜10萬km，全國各行業(yè)的年使用量已達(dá)25萬km[1]。中壓XLPE電纜一般沒有金屬密封護(hù)層，地下水分通過擴(kuò)散進(jìn)入絕緣中，在水分和電場(chǎng)聯(lián)合作用下，形成水樹，水樹生長緩慢，可是，當(dāng)水樹生長到一定長度，水樹端的電場(chǎng)集中又能引發(fā)電樹，電樹生長迅速，很快引起電纜擊穿。多年來，水樹導(dǎo)致XLPE電纜的高事故率曾長期困擾著電纜行業(yè)，為了阻止電纜絕緣的水樹化，除采用措施防止水分從導(dǎo)體進(jìn)入電纜，在XLPE絕緣中盡量排除雜質(zhì)和缺陷，消除水樹引發(fā)點(diǎn)外，80年代，國外研制了多種WTR-XLPE電纜料，WTR-XLPE中壓電纜的普遍使用大大降低了電纜運(yùn)行的事故率，延長了電纜的使用壽命。

近來，國內(nèi)XLPE絕緣的中壓電力電纜的故障率明顯上升，運(yùn)行超過5 年的中壓XLPE電纜的絕緣中會(huì)發(fā)生了水樹。尤其是安裝在南方潮濕環(huán)境中的XLPE電纜，個(gè)別嚴(yán)重的樹枝長度接近絕緣厚度的70%[2]。在城市中電力電纜主要敷設(shè)在電纜溝或管道中，與水直接的機(jī)會(huì)少，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化的進(jìn)行，中壓電力電纜直埋式敷設(shè)將是主要的形式，環(huán)境差，產(chǎn)生水樹機(jī)會(huì)多。國內(nèi)經(jīng)努力成功開發(fā)了WTR-XLPE電纜料，由此料研制的10kV抗水樹電纜按我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在武漢國網(wǎng)電力科學(xué)研究院通過了360天加速水樹老化的鑒定試驗(yàn)。

本文在綜述國外中壓XLPE電纜故率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)比XLPE和WTR-XLPE電纜的運(yùn)行中的老化性能，介紹國產(chǎn)10kV抗水樹交聯(lián)聚乙烯電纜加速水樹老化試驗(yàn)結(jié)果、達(dá)到的水平，最后敘述國外WTR-XLPE電纜的使用情況。

1 XLPE電纜的歷年事故記錄

德國調(diào)查了歷年電纜擊穿情況，圖1示出運(yùn)行中電纜擊穿率與敷設(shè)年份的關(guān)系。

從圖1可見，早期敷設(shè)電纜的擊穿率很高，那時(shí)，生產(chǎn)電纜的工藝落后，半導(dǎo)電屏蔽和絕緣料清潔度較低，容易引發(fā)水樹。電纜擊穿率的明顯降低是在80年代中期，電纜質(zhì)量的改善歸功于使用了WTR-XLPE絕緣。圖1的缺點(diǎn)是沒有顯示每年敷設(shè)的電纜量，實(shí)際上更多的電纜是敷設(shè)在1995年而非1985年。

美國德克薩斯州敷設(shè)了各種絕緣的大量電纜，許多電纜敷設(shè)在70年代和80年代初，為了提供敷設(shè)的電纜量和敷設(shè)年份的信息，把x軸的評(píng)估累積電纜量定義為特定年敷設(shè)的電纜總長度乘電纜運(yùn)行年數(shù)，為了找到不同電纜擊穿率與敷設(shè)電纜量的關(guān)系，畫出了如圖2所示的3種絕緣電纜的評(píng)估累積擊穿率與評(píng)估累積電纜量的關(guān)系。

圖1 XLPE電纜擊穿率作為敷設(shè)年份的函數(shù)

圖2 三代中壓電纜的擊穿數(shù)據(jù)

從圖2可推知，高分子量PE絕緣電纜發(fā)生30

次擊穿的電纜長度是9000km，在發(fā)生同樣擊穿次數(shù)下，典型XLPE電纜是22000km，WTR-XLPE電纜是100000km，由此可見，抗水樹交聯(lián)聚乙烯電纜的可靠性幾乎是普通交聯(lián)聚乙烯電纜的5倍。

2 運(yùn)行中電纜的老化程度

國產(chǎn)10kV XLPE電纜運(yùn)行不同年份后進(jìn)行了交流擊穿試驗(yàn)，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度與運(yùn)行年數(shù)的關(guān)系示于圖3中，圖3中同時(shí)列出了美國35kV WTR-XLPE電纜的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

從圖3可見，國產(chǎn)10kV XLPE電纜運(yùn)行7年后，交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度從原始的40kV/mm下降到12kV/mm，電纜的剩余電場(chǎng)強(qiáng)度僅是新電纜的30%；而抗水樹XLPE電纜運(yùn)行同樣年份后，交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度從原始的32.5kV/mm下降到28kV/mm，剩余電場(chǎng)強(qiáng)度還有新電纜的86%，運(yùn)行17年后仍有80%。WTR-XLPE電纜運(yùn)行壽命要比XLPE電纜長得多。

為了更說明WTR-XLPE絕緣老化性能的優(yōu)越性，圖4示出運(yùn)行17年后，WTR-XLPE電纜絕緣和EPR電纜絕緣的詳細(xì)擊穿數(shù)據(jù)。

圖3 運(yùn)行后國產(chǎn)XLPE電纜剩余擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度與美國WTYR-XLPE的比較

以擊穿概率63%水平劃線，在圖4上得到WTR- XLPE 和EPR絕緣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度分別25.7kV/mm和17.1kV/mm，兩者相差8.6kV/mm，差值相當(dāng)EPR擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的一半。雷電脈沖擊穿試驗(yàn)表明，運(yùn)行17年后WTR-XLPE電纜絕緣的脈沖擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于新電纜的90%。

圖4 兩種電纜運(yùn)行17年后絕緣交流擊穿電強(qiáng)度的Weibull分布

3 國產(chǎn)WTYR-XLPE電纜性能

國產(chǎn)兩條10kV WTR-XLPE電力電纜，按我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜抗水樹性能鑒定試驗(yàn)方法和要求”，進(jìn)行了抗水樹鑒定試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可見，普通XLPE電纜（曲線C）隨著老化時(shí)間的增加，絕緣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度單調(diào)下降，老化180 天后，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度只有5kV/mm；而兩條國產(chǎn)WTR-XLPE電纜（曲線P和O）經(jīng)過360天老化后，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度分別還有28kV/mm和24kV/mm，比標(biāo)準(zhǔn)要求的20kV/mm，還有較多的裕度。

在加速水樹老化過程中，不同老化階段還測(cè)量了P電纜和O電纜的局部放電量和介質(zhì)損耗角正切，試驗(yàn)結(jié)果表明都低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，國產(chǎn)抗水樹電纜料的性能已達(dá)到2004年國外報(bào)道的水平[3]。

4 WTR-XLP電纜的使用情況

投資者擁有的電氣集團(tuán)公司是美國最大的供電單位，并在50州設(shè)立了175電氣分公司，供應(yīng)國家85%人口的用電，Joseph H. D. 等對(duì)其中48個(gè)～60個(gè)電氣公司的地下中壓電纜作了系統(tǒng)的調(diào)查。60個(gè)電氣公司的地下電纜分三個(gè)電壓等級(jí)，15 kV、25 kV和35kV，敷設(shè)方式分直埋和管道兩種，不同敷設(shè)方式的電纜長度示于圖6中。

從圖6可見，15kV電纜的直埋和管道敷設(shè)量幾乎相等，25kV電纜以管道敷設(shè)為主，35kV以直埋為主。一般來說管道敷設(shè)可避免機(jī)械損壞和地下水的影響，尤其在人口稠密的城市郊區(qū)或多巖石的土壤中管道敷設(shè)具有優(yōu)點(diǎn)，但直埋電纜的成本要低得多。圖6數(shù)據(jù)也表明敷設(shè)方式不是考慮電纜的受潮條件。

圖5 加速水樹老化對(duì)不同電纜工頻擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

圖6 美國60個(gè)電氣公司地下電纜的敷設(shè)方式

圖6中電纜采用WTR-XLPE和EPR兩種絕緣，兩種絕緣在不同電壓等級(jí)電纜中所占的比例如圖7所示。

圖7 不同電壓電纜中WTR-XLPE和EPR絕緣的使用情況

從圖7可見，在15kV電纜中WTR-XLPE絕緣占95%，在25kV電纜中占75%，在35kV電纜占94%，在地下電纜中抗水樹交聯(lián)聚乙烯絕緣占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

調(diào)查了美國48個(gè)電氣公司過去十年中電纜絕緣的使用趨勢(shì)，得到如圖8所示的曲線。

圖8 美國48個(gè)電氣公司電纜使用絕緣趨勢(shì)

5 結(jié)論

美國中壓電纜使用情況表明，1998年之后不再使用XLPE絕緣電纜，不同電壓等級(jí)電纜中抗水樹XLPE絕緣占統(tǒng)治地位。在長度相等的情況下，抗水樹XLPE電纜的擊穿率幾乎是普通XLPE電纜的1/5。

國產(chǎn)10kV抗水樹XLPE電纜已通過我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的360天抗水樹性能的鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)后電纜擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的裕度較高。用抗水樹XLPE絕緣代替普通XLPE絕緣制造10kV電纜，電纜使用的期望壽命將成倍增加。

[1]楊黎明.電纜及附件電網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].國家電網(wǎng)報(bào)，2008，1，24.

[2]楊揚(yáng)，黃志林，鄧長勝，孫建生，郭漢洋.抗水樹中壓電力電纜及材料的研究[J].電線電纜，2006(2)：14-16.

[3]何軍，屠德民.10kV抗水樹交聯(lián)聚乙烯電纜性能鑒定試驗(yàn)的結(jié)果.電線電纜，2009(5)：17-20.