10 kV電力電纜運(yùn)行故障統(tǒng)計分析

周 越 朱啟凌 楊健擘

國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司

0 引言

近年來為適應(yīng)城市的用電需要，保障供電可靠性，電力電纜在城市電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，北京、上海等大城市也正大力開展架空線入地工程，將原來“黑色蜘蛛網(wǎng)”的架空線遷入地下改為電纜走線，這意味著未來大型城市中的配網(wǎng)線路將采用越來越多的電力電纜。這是城市發(fā)展到一定階段的必然要求，也是城市精細(xì)化管理的一個重要體現(xiàn)[1]。

電纜線路基本都敷設(shè)在地下，雖然相比架空線路穩(wěn)定性和可靠性更高，但卻具有更大的檢查和維修難度。因此，加強(qiáng)電力電纜的運(yùn)行故障研究分析，對維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。以上海市部分城區(qū)的配網(wǎng)電力電纜線路運(yùn)行故障統(tǒng)計資料為依據(jù)，研究分析故障位置、故障原因及不同因素與運(yùn)行時間的關(guān)系，提出相應(yīng)合理的解決方案，以期對城市配網(wǎng)中電力電纜的運(yùn)行維護(hù)提供參考，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)供電可靠性。

1 運(yùn)行狀況及故障統(tǒng)計

上海市部分城區(qū)2014年至2019年10 kV電力電纜長度及故障情況見表1。年故障率隨時間變化見圖1，其中電纜長度為每年12月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表1 上海市部分城區(qū)10 kV電纜長度及故障情況

由表1 中數(shù)據(jù)表明，近六年來，隨著配網(wǎng)線路改造和架空線入地工程的大力開展，所統(tǒng)計的上海市這部分城區(qū)10 kV 電力電纜的長度仍在逐年快速增加。圖1 顯示，相應(yīng)的年故障率在2015 年得到有效降低，之后又開始略微上升，達(dá)到1.75次/百公里。

圖1 上海市部分城區(qū)10 kV電纜年故障率變化

2 故障分析

2.1 故障位置

一般而言，電力電纜主要分為電纜本體、中間接頭及終端接頭三個位置。其中，電纜本體是主要組成部分，在長期運(yùn)行中容易受到挖掘施工等外力因素影響而引發(fā)故障，而中間接頭受到施工質(zhì)量、制造質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境等各方面因素影響較大，相對本體和終端接頭更容易出現(xiàn)自身絕緣缺陷引發(fā)故障。

上海市部分城區(qū)2014 年至2019 年10 kV 電力電纜不同位置故障數(shù)及所占總故障數(shù)的比例見表2。

表2 電纜不同位置故障次數(shù)及比例

上海市部分城區(qū)2014年至2019年10 kV電力電纜不同位置故障數(shù)變化曲線如圖2所示。

圖2 電纜不同位置故障數(shù)變化曲線

從表2和圖2中可以看出:

1）在2014 年，上海市部分城區(qū)10 kV 電纜中間接頭故障數(shù)達(dá)88次，占比66.2%，之后逐年降低，到2019 年后，已降至25 次，占比20.3%。經(jīng)分析，這是由于近年上海地區(qū)10 kV電力電纜的預(yù)制式中間接頭逐漸減少，轉(zhuǎn)而由繞包式中間接頭取代。上海地區(qū)較為潮濕，在預(yù)制式中間接頭的制造過程中容易受潮出現(xiàn)缺陷，半導(dǎo)電層的不良處理也容易導(dǎo)致電纜故障[2]。隨著預(yù)制式接頭的逐年減少，中間接頭故障率也大幅降低。

2）2015 年后，電纜本體的故障數(shù)及所占比例逐年上升，于2019年已高達(dá)94次，占比76.4%。其中大多數(shù)故障原因為外力破壞，少部分為本體質(zhì)量引起。

3）近六年，電纜終端接頭的故障數(shù)基本保持不變，均在10 次以內(nèi)。相比于中間接頭，終端接頭數(shù)量較少，且不論是戶外終端還是戶內(nèi)終端，運(yùn)行環(huán)境也都較好，不易引發(fā)故障。

2.2 故障原因

基于上海市部分城區(qū)2014年至2019年10 kV電力電纜故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)、搶修資料、事故分析和故障電纜樣本及照片等分析，導(dǎo)致電力電纜故障的原因可分為外力破壞、制造質(zhì)量、施工質(zhì)量、絕緣老化及其他。

1）外力破壞一般為直接破壞或間接破壞，是由于基礎(chǔ)設(shè)施或建筑施工（如挖掘機(jī)、鏟土機(jī)和風(fēng)鎬）過程中直接損壞電纜，造成接地短路或相間短路，從而破壞電纜絕緣造成擊穿故障，或當(dāng)時傷及電纜絕緣而未造成故障發(fā)生，卻留下事故隱患，在電纜運(yùn)行不久后絕緣達(dá)到閾值發(fā)生擊穿故障[3]。

2）制造質(zhì)量一般指電纜附件及本體的制造質(zhì)量，電纜附件指中間接頭和終端接頭，為多層固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)，其制造過程需要較高的環(huán)境條件，一旦密封性有缺陷，附件有細(xì)微受潮或開裂松脫等，界面表明電阻將急劇下降，從而激發(fā)沿面放電，導(dǎo)致附件內(nèi)部相間短路或接地短路。本體的制造質(zhì)量若不合格，其中的微孔和雜質(zhì)在運(yùn)行過程中易發(fā)生局部放電，隨著運(yùn)行電壓升高，電場增強(qiáng)，局部放電將引發(fā)主絕緣樹枝狀放電，最終在短時間內(nèi)造成接地短路或相間短路引發(fā)故障。

3）施工質(zhì)量一般指電纜敷設(shè)安裝時不規(guī)范，質(zhì)量不符合要求，主要體現(xiàn)在野蠻施工損傷電纜，牽引力過大磨損電纜外絕緣，電纜彎曲半徑過小留下隱患等。

4）絕緣老化是由于電纜長期工作，飽受電力和熱效應(yīng)的雙重影響，達(dá)到使用壽命而未及時更換，發(fā)生樹枝狀老化擊穿或呼吸效應(yīng)受潮放電引發(fā)電纜故障，多發(fā)生在運(yùn)行時間20年以上的電纜。

5）其他原因主要包括過電壓、偷盜、異物、自然災(zāi)害等。

將這五種故障原因分類統(tǒng)計，得到上海市部分城區(qū)2014年至2019年10 kV電力電纜不同原因的故障數(shù)及所占總故障數(shù)的比例，見表3。

表3 電纜不同原因故障數(shù)及比例

上海市部分城區(qū)2014年至2019年10 kV電力電纜不同原因的故障數(shù)變化曲線，見圖3。

圖3 電纜不同原因故障數(shù)變化曲線

從表3和圖3可以看出：

1）外力破壞引發(fā)的故障占比逐年提升，特別是2019 年已經(jīng)增至55 次，占比44.7%。一是由于近幾年所統(tǒng)計城區(qū)大力發(fā)展建設(shè)，城區(qū)改造工程大幅增多，道路開挖增多，工地上野蠻施工現(xiàn)象屢禁不止，施工單位管理混亂責(zé)任不明確，搶工期進(jìn)度，缺乏對地下線路的保護(hù)意識等。二是因為電纜敷設(shè)時工程設(shè)計缺陷，與其它地下管線交錯布置或重疊沖突，導(dǎo)致電纜敷設(shè)過淺。三是部分電纜無鎧裝或保護(hù)管，缺乏警示標(biāo)志。這些原因都會造成電纜處于危險境地，加大了外力破壞引發(fā)電纜故障的可能性，且外力破壞多發(fā)生于電纜本體，這與電纜本體故障數(shù)逐年提升的統(tǒng)計結(jié)果一致。

2）制造質(zhì)量引發(fā)的故障每年都在大幅減少，從2014年的81次，占比60.9%減少到2019年的8次，僅占比6.5%。一方面是由于近幾年繞包式接頭逐漸取代預(yù)制式接頭，提升了運(yùn)行可靠性，這與電纜中間接頭故障減少的統(tǒng)計結(jié)果一致，另一方面電力電纜制造技術(shù)快速發(fā)展，生產(chǎn)水平不斷提高，高質(zhì)量的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的應(yīng)用使電力系統(tǒng)可靠性更高，故障率也大幅降低。

3）絕緣老化引發(fā)的故障數(shù)也在逐年緩慢提升，從 2014 年的 16 次，占比 12.0%增多到 2019 年的39次，占比31.7%。這是由于上海市城區(qū)內(nèi)老舊電纜較多，20 世紀(jì)90 年代敷設(shè)安裝的大批量電力電纜絕緣已經(jīng)老化，而同時近年來居民用電負(fù)荷大幅提升，電纜逐漸達(dá)到使用壽命引發(fā)故障。

4）施工質(zhì)量及其他原因引發(fā)的故障在2014-2019 年均保持相對穩(wěn)定，故障數(shù)較小，占比較少。

2.3 運(yùn)行時間

自2016 年，所統(tǒng)計城區(qū)電纜中間接頭已全部更換為繞包式，運(yùn)行狀況趨于穩(wěn)定。若不計外力破壞引發(fā)的故障，將2016-2019年其余所有故障與運(yùn)行時間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到運(yùn)行時間在5 年內(nèi)、5至10年、10至15年、15至20年及20年以上相對應(yīng)的故障數(shù)，形成柱狀圖，見圖4。

圖4 電纜不同運(yùn)行時間的故障數(shù)

由圖4可知，不計外力破壞引發(fā)故障時，電力電纜運(yùn)行故障情況與多數(shù)電力設(shè)備一樣，呈浴盆曲線（Bathtub curve，又稱失效率曲線）。

投運(yùn)初期（運(yùn)行時間5 年內(nèi)）容易發(fā)生運(yùn)行故障，不同原因及占比見圖5。初期主要是由于施工質(zhì)量引起，占比74.5%，其次為制造質(zhì)量，占比16.4%。

運(yùn)行中期（運(yùn)行時間5-20 年內(nèi)）故障相對較少，電纜本體和附件進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

運(yùn)行后期（運(yùn)行時間20年以上）故障大幅增多，電纜由于長時間運(yùn)行，接近使用壽命，絕緣樹枝狀老化、電熱老化以及附件老化急速加劇，因絕緣老化成為故障最主要原因，占比86.7%，見圖6。

圖5 運(yùn)行時間5年內(nèi)的電纜故障原因

圖6 運(yùn)行時間20年以上的電纜故障原因

4 預(yù)防電纜故障方法

4.1 防止外力破壞

外力破壞是近兩年來10 kV電纜故障中占比最高的，且一旦發(fā)生外力破壞，電纜必須更換本體或新增中間接頭，不僅耗費(fèi)人力物力，而且對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，因此做好電纜線路防外破工作是預(yù)防電纜故障的首要措施。

1）要建立準(zhǔn)確無誤的電纜資料和圖紙，及時更新完善地理信息系統(tǒng)，為配網(wǎng)運(yùn)行人員日常巡視及建設(shè)施工人員提供可靠參考。針對圖紙與實際電纜走廊不符的情況，要及時更新整改，做到每根電纜“有圖可依”，每條線路“路圖統(tǒng)一”。

2）加強(qiáng)與市政、規(guī)劃、城建、交通和園林等部門的配合，與各管線部門保持緊密聯(lián)系，準(zhǔn)確及時掌握城市施工的規(guī)劃和進(jìn)度，提前做好防護(hù)準(zhǔn)備工作，與施工單位進(jìn)行交底，提供地下管線信息并增設(shè)明顯警示標(biāo)志，在施工過程中增派相應(yīng)負(fù)責(zé)人駐點(diǎn)監(jiān)督。

3）實施危險點(diǎn)控制方案。加強(qiáng)危險點(diǎn)巡視工作，密切關(guān)注電纜線路上是否有挖掘施工，一旦發(fā)現(xiàn)違章施工危及電纜安全，及時與施工單位負(fù)責(zé)人進(jìn)行交涉，如有不聽勸阻或發(fā)現(xiàn)損壞，應(yīng)及時向上級部門匯報。

4）加強(qiáng)電纜保護(hù)和規(guī)劃，提高自身防外破能力。一方面針對敷設(shè)過淺且無法搬遷深埋的電纜加設(shè)保護(hù)管或蓋板，增設(shè)地下電纜標(biāo)識，另一方面在制定地下管線密集區(qū)域的電纜路徑走向時，應(yīng)收集管線信息，綜合考慮合理布置，防止出現(xiàn)敷設(shè)安裝過程中難以實施而致使電纜過淺或路徑不一致的情況。

5）積極推進(jìn)“大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能”等“大云物移智”新技術(shù)深度融入電纜運(yùn)行維護(hù)管理中，如：施工現(xiàn)場智能監(jiān)控系統(tǒng)，將電纜線路的一舉一動經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)實時傳到運(yùn)行維護(hù)人員手中，經(jīng)大數(shù)據(jù)與計算機(jī)人工智能，分析得出故障發(fā)生可能性，從而及時做出應(yīng)對措施。

4.2 嚴(yán)把施工質(zhì)量

把好施工質(zhì)量關(guān)，抓好電纜施工過程中敷設(shè)和安裝環(huán)節(jié)。一方面制定相應(yīng)制度和考核方案，對敷設(shè)電纜的隊伍和人員進(jìn)行必要的業(yè)務(wù)素質(zhì)與技術(shù)培訓(xùn)，另一方面加強(qiáng)現(xiàn)場敷設(shè)施工的監(jiān)督管理，減少和杜絕野蠻施工，確保電纜彎曲半徑和牽引力在合理范圍，保障電纜敷設(shè)安裝質(zhì)量合格。

4.3 排除絕緣老化

絕緣老化引發(fā)的電纜故障雖占比不大，但仍是不可小視的部分，由于其故障時間和位置難以預(yù)測，因此在日常運(yùn)行維護(hù)中，運(yùn)行人員需要更加有針對性地開展運(yùn)行監(jiān)測工作，及時做好電纜更新。一是要關(guān)注電纜負(fù)荷水平，預(yù)測負(fù)荷變化，在夏季冬季用電高峰期時提前對重過載電纜線路進(jìn)行增容更換。二是加強(qiáng)對電纜溫度、附件狀態(tài)、局部放電的監(jiān)控，定期開展試驗工作，特別是針對運(yùn)行時間較長，接近平均使用壽命的電纜。

4.4 保障制造質(zhì)量

為保障電力電纜制造質(zhì)量，必須做好電纜驗收與交接。一是電纜附件的制作過程要嚴(yán)格監(jiān)督和驗收，把握天氣條件和現(xiàn)場環(huán)境是否適宜，對于重要工藝更要格外關(guān)注。二是在交接試驗環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對各項技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行核對。針對目前應(yīng)用最為廣泛的XLPE 電纜，不得使用直流耐壓試驗，容易造成XLPE 絕緣損傷，縮短電纜使用壽命。推薦采用工頻電壓試驗、0.1 Hz超低頻電壓試驗、kHz 振蕩波電壓試驗、串聯(lián)諧振或變頻諧振交流電壓試驗等[4]。

5 結(jié)論

1）上海市部分城區(qū)10 kV 電力電纜年故障率在2015 年有所降低，但在近三年又有所上升，于2019年達(dá)到1.75次/百公里。

2）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年至2019年上海市部分城區(qū)10 kV電力電纜中間接頭故障次數(shù)及占比均大幅降低，從2014 年的88 次，占比66.2%，降低到2019年的25次，占比20.3%，而本體故障次數(shù)及占比均呈逐漸上升趨勢，于2019 年達(dá)到94 次，占比76.4%。

3）分析故障原因發(fā)現(xiàn)，制造質(zhì)量引發(fā)的故障呈逐年減少的趨勢，從2014年的81次，占比60.9%減少到2019年的8次，占比6.5%，而外力破壞引發(fā)的故障逐年提升，于2019 年已經(jīng)增加至55 次，占比44.7%，這一結(jié)果與故障部位統(tǒng)計數(shù)據(jù)所得結(jié)論一致。另外，絕緣老化引發(fā)的故障數(shù)也在逐年緩慢上升，從 2014 年的16 次，占比12.0%增多到2019 年的39次，占比31.7%。

4）不計外力破壞因素，運(yùn)行時間5年以內(nèi)的電纜較容易發(fā)生故障，主要原因為施工質(zhì)量，占比74.5%；運(yùn)行時間5-20 年內(nèi)的電纜較為穩(wěn)定，故障相對較少；運(yùn)行時間20 年以上的電纜故障大幅增多，主要原因為絕緣老化，占比86.7%。

5）針對故障原因，提出相應(yīng)合理措施以預(yù)防電纜故障，一是要加強(qiáng)運(yùn)維管理能力，防止外力破壞；二是要抓好電纜敷設(shè)和安裝，嚴(yán)把施工質(zhì)量；三是要做好監(jiān)測及時更新，排除絕緣老化電纜；四是要做好電纜驗收與交接，保障電纜制造質(zhì)量。