基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)

費(fèi)雯麗，鄧顯波，王 格，歐陽本紅

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢430074）

0 引言

隨著電力需求正在不斷增加，高壓電纜使用量也在逐年增長(zhǎng)。然而，由于電、熱和環(huán)境條件等多重因素，電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中絕緣質(zhì)量會(huì)逐漸下降，直至絕緣失效而發(fā)生電纜故障［1-21］。一旦電纜發(fā)生擊穿，需較長(zhǎng)斷電時(shí)間進(jìn)行維護(hù)修復(fù)，給廣大居民和企業(yè)的正常生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響［22-23］。

近二十年來為了提高電纜運(yùn)行的安全可靠性，形成了多種檢測(cè)電纜的方法［24-25］。其中最主要的檢測(cè)方法之一是定期的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，但是這些檢測(cè)方法依然存在著某些局限性。首先，預(yù)防性試驗(yàn)一般是在斷電情況下進(jìn)行；其次，預(yù)防性試驗(yàn)一般是對(duì)全部電纜開展試驗(yàn)，某些原本良好的電纜由于多次在高于額定電壓情況下進(jìn)行試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣的更加快速老化。此外，人工停電檢修需要一套檢修班組，這也大大增加了檢修的人工費(fèi)用與時(shí)間進(jìn)度安排，尤其是在存量和新建電纜線路基數(shù)不斷增加的情況下，實(shí)際操作更難以實(shí)現(xiàn)。因此，尋求更為快捷有效的電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)估方法是必要的。

在我國(guó)，運(yùn)行20 年以上的110 kV 電纜數(shù)量也很多［26］。除了服役年限不同，這些電纜來自不同的生產(chǎn)廠家，敷設(shè)條件和運(yùn)行條件也不同，因此這些在役電纜的質(zhì)量和老化狀態(tài)也不盡相同［27］。如何準(zhǔn)確掌握這部分電纜的絕緣老化狀態(tài)，以便及時(shí)在電纜壽命終點(diǎn)前更換老舊電纜，對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定以及最大限度發(fā)揮電纜效益有著十分重要的意義［28-30］。

文章建立了一個(gè)基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)，用于對(duì)在役電纜進(jìn)行一個(gè)初步的老化評(píng)估，這可以避免對(duì)所有電纜都取樣檢測(cè)，可大幅度降低電纜停電檢修造成的停電損失和取樣檢測(cè)的人工費(fèi)用與時(shí)間安排。

1 電纜導(dǎo)體溫度推算

電纜電流和電纜導(dǎo)體溫度有如下計(jì)算式：

式（1）中，I 為導(dǎo)體電流（A）；θ 為導(dǎo)體溫度（℃）；θ0為電纜周圍環(huán)境溫度（℃）；Wd為絕緣介質(zhì)損耗；R為導(dǎo)體交流電阻；λ1為護(hù)套和屏蔽損耗因數(shù)；λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù)；T1為導(dǎo)體與金屬護(hù)套間絕緣熱阻（K·m/W）；T2為金屬護(hù)套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻（K·m/W）；T3為電纜外護(hù)套熱阻（K·m/W）；T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻（K·m/W）。

由于電纜絕緣介質(zhì)損耗Wd相對(duì)于導(dǎo)體損耗I2R相差3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以后者對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，因此電纜導(dǎo)體溫升與電流的關(guān)系可以近似為：

假設(shè)電纜運(yùn)行的環(huán)境溫度θ0，電纜在實(shí)際工作電流IF下的導(dǎo)體溫度為θF；電纜導(dǎo)體允許長(zhǎng)期額定工作溫度θM=90 ℃，載流量為IM。忽略溫度變化對(duì)其他參數(shù)的影響，則可以近似得到如下關(guān)系式：

則在電流IF下的導(dǎo)體溫度θF可近似表示為：

在式（4）中，θM為90 ℃，若已知環(huán)境平均溫度為θ0、電纜載流量IM和電纜實(shí)際運(yùn)行電流值IF，即可以根據(jù)上式估算電纜導(dǎo)體平均溫度θF。

2 電纜老化評(píng)估模型

在90 ℃的運(yùn)行條件下，XLPE 電力電纜的設(shè)計(jì)壽命為30年。假設(shè)電纜服役年限為t0年，則電纜導(dǎo)體溫度θF在t0年內(nèi)的累計(jì)效應(yīng)與電纜設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度θM=90 ℃在設(shè)計(jì)壽命30年內(nèi)的累計(jì)效應(yīng)的比值為：

結(jié)合式（5），電纜在累計(jì)溫度效應(yīng)下的等效運(yùn)行年限t1就可以計(jì)算為：

電纜實(shí)際運(yùn)行年限為t0年，溫度累計(jì)效應(yīng)下的等效運(yùn)行年限為t1年，電纜老化運(yùn)行年限t2綜合兩者的因素，取值為：

式（7）中，a0和a1是電纜實(shí)際運(yùn)行年限t0和溫度累計(jì)效應(yīng)下的等效運(yùn)行年限t1的權(quán)衡系數(shù)，a0+a1=1，由于本模型在進(jìn)行電纜載流量取值和溫度推算時(shí)條件進(jìn)行了較多簡(jiǎn)化，因此，本模型中取a0=0.5，a1=0.5。

在實(shí)際運(yùn)行中，大多數(shù)高壓電纜都屬于輕載狀態(tài)，電纜導(dǎo)體溫度可能遠(yuǎn)低于電力電纜的設(shè)計(jì)溫度90 ℃，這批電纜可能老化不明顯，如果可延長(zhǎng)其使用壽命，則可以避免材料的浪費(fèi)，從而提高我國(guó)電力的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。但從實(shí)際情況考慮，如果這批電力電纜已經(jīng)老化到不能繼續(xù)使用的程度而繼續(xù)延長(zhǎng)服役時(shí)間，將造成大面積的停電，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來重大損失。

因此僅以導(dǎo)體溫度來衡量電纜的運(yùn)行壽命，這顯然與實(shí)際不相符，高壓電纜的老化情況不僅與其導(dǎo)體溫度有關(guān)，而且與電纜家族缺陷、歷史故障情況、服役年限、負(fù)荷情況、敷設(shè)方式及運(yùn)行環(huán)境有關(guān)。統(tǒng)稱上述因素為高壓電纜老化狀態(tài)評(píng)估模型的附屬因數(shù)。

2.1 家族缺陷影響因數(shù)

家族缺陷代表的是部分設(shè)備會(huì)出現(xiàn)的共性問題，這種共性問題可能來自于某一個(gè)電纜供應(yīng)商或者某一種生產(chǎn)工藝等。有家族缺陷的電纜老化問題相對(duì)較嚴(yán)重，反之老化問題相對(duì)較輕，根據(jù)有無家族缺陷得出表1所示的家族缺陷因數(shù)值KF。

表1 家族缺陷影響因數(shù)KFTable 1 Family defect influence factor KF

2.2 歷史故障影響因數(shù)

文中所指的歷史故障主要指該條線路發(fā)生過的非外破性原因?qū)е碌臍v史故障，歷史故障較頻繁的電纜老化問題相對(duì)較嚴(yán)重，反之電纜的老化問題相對(duì)較輕。此外，電纜每發(fā)生一次故障，也可能會(huì)對(duì)電纜絕緣造成一定沖擊，加速電纜的老化，根據(jù)歷史故障得出表2所示的歷史故障因數(shù)值KH。

表2 歷史故障影響因數(shù)KHTable 2 Historical fault influence factor KH

2.3 服役年限影響因數(shù)

高壓電纜的運(yùn)行狀態(tài)退化曲線大體符合設(shè)備老化原理，描述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)隨服役年限的變化關(guān)系符合指數(shù)表達(dá)式，如式（8）所示

式（8）中，KY為服役年限因數(shù)值；A1為幅值系數(shù)；A2為老化系數(shù)；t0為電纜的服役年限。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)可得，A1=0.953 1，A2=0.019 17。

2.4 負(fù)荷情況影響因數(shù)

高壓電纜不同負(fù)荷情況對(duì)電纜的老化有較為明顯的影響。負(fù)載率低的電纜，線路老化情況不明顯，負(fù)載率高的線路老化情況較嚴(yán)重，根據(jù)歷史負(fù)荷得出表3所示的負(fù)荷因數(shù)值KL。線路的平均負(fù)載率計(jì)算如下：

表3 負(fù)荷情況影響因數(shù)KLTable 3 Load rate influence factor KL

2.5 敷設(shè)方式影響因數(shù)

電纜的敷設(shè)方式對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)也有重要影響。高壓電纜主要敷設(shè)方式為隧道、電纜溝、直埋、排管。通常，在這幾種敷設(shè)方式下，散熱性能是“隧道＞電纜溝＞直埋＞排管”的，散熱性能差的電纜老化快。敷設(shè)方式影響因數(shù)值KM如表4所示。

表4 敷設(shè)方式影響因數(shù)KMTable 4 Laying manners influence factor KM

2.6 運(yùn)行環(huán)境影響因數(shù)

電纜的運(yùn)行環(huán)境對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)也有重要影響，如果電纜長(zhǎng)期同土壤、水分、潮氣接觸，絕緣材料易受到腐蝕滲透導(dǎo)致絕緣老化，反之則不易老化。根據(jù)敷設(shè)環(huán)境得出如表5所示的敷設(shè)環(huán)境因數(shù)值KE。

表5 運(yùn)行環(huán)境影響因數(shù)KETable 5 Operating environment influence factor KE

綜合了家族缺陷、歷史故障次數(shù)、高壓電纜絕緣狀態(tài)隨服役年限的退化曲線、負(fù)荷情況、敷設(shè)方式及電纜運(yùn)行環(huán)境影響因數(shù)后，電纜等效運(yùn)行時(shí)間t用如式（10）所示。

3 電纜老化程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式（10）可以計(jì)算出在考慮各種影響因數(shù)情況下的電纜等效運(yùn)行時(shí)間t，根據(jù)這個(gè)運(yùn)行時(shí)間，將電纜的運(yùn)行狀態(tài)和老化程度劃分為4個(gè)等級(jí)。

電纜等效運(yùn)行時(shí)間與電纜老化的關(guān)系用表6來表示，采用正常、注意、異常和危險(xiǎn)4 個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)描述，每個(gè)等級(jí)的取值范圍及評(píng)價(jià)結(jié)論、建議措施如表6所示。

表6 電纜老化程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Evaluation standard of cable aging degree

4 高壓電纜絕緣老化評(píng)估平臺(tái)

根據(jù)以上評(píng)估模型及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文建立了一個(gè)高壓電纜絕緣老化評(píng)估平臺(tái)。該平臺(tái)的輸入?yún)?shù)包含高壓電纜的電壓等級(jí)、敷設(shè)方式、導(dǎo)體截面積、服役年限、負(fù)荷電流、運(yùn)行環(huán)境溫度、非外破原因?qū)е碌臍v史故障次數(shù)、是否長(zhǎng)期同土壤/水分/潮氣接觸、電纜型號(hào)、廠家信息、有無家族缺陷、電纜所屬網(wǎng)省及電纜投運(yùn)日期等。

該平臺(tái)的輸出參數(shù)主要包括電纜的運(yùn)行狀態(tài)、老化程度、評(píng)價(jià)結(jié)論及建議措施等。根據(jù)平臺(tái)的評(píng)估結(jié)果，可合理地安排針對(duì)中度老化和嚴(yán)重老化的電纜進(jìn)行取樣試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證電纜的老化狀態(tài)。

在對(duì)各電纜進(jìn)行老化評(píng)估的基礎(chǔ)上，高壓電纜絕緣老化評(píng)估平臺(tái)也可對(duì)各網(wǎng)省公司的電纜老化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖1所示是電纜老化評(píng)估總覽頁面。

圖1 電纜老化評(píng)估平臺(tái)總覽頁面Fig.1 Overview page of cable aging analysis platform

目前，通過從各網(wǎng)省公司收集信息，在該平臺(tái)錄入了134 條電纜的數(shù)據(jù)，并得到了相應(yīng)的電纜老化評(píng)估結(jié)論。后期將該平臺(tái)布入到電網(wǎng)系統(tǒng)后，可以全面地了解到各網(wǎng)省公司電纜的絕緣老化情況，以便更合理地安排檢修和試驗(yàn)檢測(cè)。在該平臺(tái)的輔助判斷下，可以在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，減少不必要的停電和人力物力資源浪費(fèi)。

5 老化評(píng)估平臺(tái)有效性驗(yàn)證

在這134 條電纜分析數(shù)據(jù)中，本文針對(duì)22 條電纜進(jìn)行了電氣性能和理化性能試驗(yàn)，分別測(cè)試了其斷裂伸長(zhǎng)率（表征力學(xué)性能老化程度）、擊穿場(chǎng)強(qiáng)（表征介電性能老化程度）、熱分解溫度（表征熱裂解程度）、羰基指數(shù)（表征熱氧老化程度）及熔融溫度（表征熱氧老化程度）5個(gè)參數(shù)，采用模糊聚類法對(duì)電纜進(jìn)行了老化評(píng)估，將試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估的電纜老化狀態(tài)與本系統(tǒng)初步判斷的電纜老化狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表7所示。

編號(hào)為9/19/21的電纜，運(yùn)行數(shù)據(jù)評(píng)估模型分別將該電纜老化程度評(píng)估為輕度、嚴(yán)重、輕度，而通過對(duì)電纜取樣進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明，這3 條電纜的實(shí)際老化程度為輕微、中度、輕微，這是因?yàn)樵诨谶\(yùn)行數(shù)據(jù)的老化評(píng)估中，對(duì)實(shí)際運(yùn)行年限所考慮的權(quán)重較大，而這幾條電纜雖然實(shí)際運(yùn)行年限較長(zhǎng)，但由于負(fù)載率極低等原因老化并沒有十分明顯。

表7 電纜老化評(píng)估結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparison of aging assessment results

通過對(duì)22條電纜的老化評(píng)估結(jié)果的對(duì)比可知，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的老化評(píng)估模型準(zhǔn)確率高達(dá)86.3%。且評(píng)估結(jié)果有差異的3 條電纜，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)評(píng)估的電纜老化程度均大于基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估的電纜老化程度，這是滿足電纜的安全生產(chǎn)運(yùn)行要求的。

6 結(jié)語

文章建立了一個(gè)基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的高壓電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)，該平臺(tái)綜合考慮了電纜導(dǎo)體溫度、家族缺陷、歷史故障次數(shù)、高壓電纜服役年限、負(fù)荷情況、敷設(shè)方式及電纜運(yùn)行環(huán)境等對(duì)電纜老化程度的影響，可用于對(duì)服役電纜進(jìn)行一個(gè)初步的老化評(píng)價(jià)。

該平臺(tái)對(duì)于電纜運(yùn)營(yíng)管理者初步快速了解所有服役電纜的運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義，可避免對(duì)所有電纜都停電檢測(cè)，可大幅度降低電纜停電檢修、取樣檢測(cè)的人工費(fèi)用與時(shí)間安排。通過在平臺(tái)上測(cè)試22 條電纜的絕緣老化狀態(tài)，并與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，也證實(shí)了該平臺(tái)的有效性。

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