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淺談10kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化及修正

2008-08-26 17:19    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:介紹了6.0/10kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜在10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的運(yùn)行狀況,以及對(duì)電纜頻繁發(fā)生絕緣擊穿故障與絕緣水平整體劣化等問(wèn)題進(jìn)行長(zhǎng)期的追蹤觀察情況。運(yùn)行實(shí)踐表明,《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)電纜絕緣水平的條文說(shuō)明亟待修正。

  關(guān)鍵詞:交聯(lián)聚乙烯電纜 絕緣設(shè)計(jì) 絕緣 運(yùn)行 配電系統(tǒng)

  供電工程中,10kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的應(yīng)用范圍廣,且敷設(shè)量大。除電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)的輸配電網(wǎng)使用外,還涉及許多大型建筑物、高層建筑及工業(yè)、生活園區(qū)的供電工程。由于10kV供電電源有中性點(diǎn)直接接地及不接地2種系統(tǒng);10kV XLPE電纜又有6.0/10kV、8.7/10kV、8.7/15kV 3種絕緣電壓的等級(jí)供設(shè)計(jì)人員選用,故在10kV XLPE電纜的絕緣水平設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)加區(qū)分。我國(guó)應(yīng)用XLPE電纜的初期,一些設(shè)計(jì)人員僅依據(jù)電纜纜芯間的額定電壓不得低于使用回路工作電壓的技術(shù)要求進(jìn)行絕緣水平設(shè)計(jì)。忽略了XLPE電纜對(duì)纜芯與絕緣屏蔽層或護(hù)套間的額定電壓U0(相對(duì)地電壓)的特殊規(guī)定,因而所設(shè)計(jì)的XLPE電纜相對(duì)地電壓U0等于系統(tǒng)額定相電壓值,造成電纜絕緣裕度不足。電纜交付使用后,無(wú)法承受系統(tǒng)出現(xiàn)的過(guò)電壓,屢屢發(fā)生電纜絕緣被擊穿的事故。筆者正是在這一情況下,對(duì)一批在系統(tǒng)額定相電壓值條件下運(yùn)行的6.0/10kV XLPE電纜進(jìn)行了長(zhǎng)期的追蹤觀察。

  1.故障統(tǒng)計(jì)與分析

  某工程供電系統(tǒng)于1991年2月并網(wǎng)投運(yùn),10kV電源為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),所用電纜為國(guó)內(nèi)早期批量生產(chǎn)的E-T型結(jié)構(gòu)6.0/10kV XLPE電纜,長(zhǎng)約30km.該電纜長(zhǎng)期處于額定相電壓值條件下做無(wú)絕緣裕度運(yùn)行。14年來(lái),這批電纜承受系統(tǒng)單相接地故障期間非故障相電壓升高80余次;接地故障持續(xù)時(shí)間累計(jì)超過(guò)7h 15min.其中,因故障線路帶有重要負(fù)荷而不能及時(shí)撤除運(yùn)行,致使接地持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2h 15min.電纜各種類型的損壞累計(jì)達(dá)46次,其中電纜本體絕緣被擊穿30次,占故障總數(shù)的65.22%.

  在長(zhǎng)年的追蹤觀察中,發(fā)現(xiàn)這批6.0/10kV XLPE電纜因水樹現(xiàn)象被擊穿、在主絕緣層形成孔洞。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了早期生產(chǎn)的XLPE電纜因設(shè)備、工藝條件所限,致使電纜主絕緣層出現(xiàn)薄厚不均和同心度差等問(wèn)題,F(xiàn)將這批電纜在1991~2004年間損壞的次數(shù)統(tǒng)計(jì)整理列于表1.這批電纜運(yùn)行至第7年,供電系統(tǒng)便發(fā)生了罕見的非同相兩點(diǎn)接地短路故障,預(yù)示著該輸配電網(wǎng)的電纜絕緣水平整體下降。表明一旦電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地,非故障相已無(wú)法承受相對(duì)地電壓的升高。自1998年7月至2000年5月約660天內(nèi),該輸配電網(wǎng)共發(fā)生非同相兩點(diǎn)接地短路故障4次。1999年,電纜絕緣擊穿故障高達(dá)7次,已影響企業(yè)的安全生產(chǎn)。

  表1 故障發(fā)生的時(shí)段與次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

  單位:次

年 份
 
附件質(zhì)量及安裝質(zhì)量問(wèn)題
 
電纜本體絕緣被擊穿
 
電纜遭受外力破壞
 
1991
 
4
 
2
 
2
 
1992
 
0
 
0
 
0
 
1993
 
0
 
1
 
0
 
1994
 
0
 
2
 
2
 
1995
 
0
 
1
 
0
 
1996
 
0
 
1
 
0
 
1997
 
0
 
0
 
0
 
1998
 
1
 
7
 
0
 
1999
 
0
 
5
 
0
 
2000
 
0
 
2
 
1
 
2001
 
0
 
1
 
1
 
2002
 
0
 
6
 
4
 
2003
 
0
 
0
 
1
 
2004
 
0
 
2
 
0
 
合 計(jì)
 
5
 
30
 
11
 
累積比例/%
 
10.87
 
65.22
 
23.19
 

  2000年5月,電網(wǎng)發(fā)生的一起非同相兩點(diǎn)接地短路故障,其后果最為嚴(yán)重。故障電纜線路約2.30km.搶修后,對(duì)電纜進(jìn)行直流耐壓泄漏電流值測(cè)試,當(dāng)試驗(yàn)電壓升至0.50kV時(shí),試驗(yàn)裝置保護(hù)動(dòng)作,試驗(yàn)被迫中斷。該電纜絕緣又出現(xiàn)新的擊穿點(diǎn),如此反復(fù)數(shù)次,新的擊穿點(diǎn)不斷地向電源和負(fù)荷兩側(cè)延伸發(fā)展。種種跡象表明,該電纜線路絕緣已全線劣化,無(wú)修復(fù)價(jià)值。在重新敷設(shè)新電纜線路的同時(shí),對(duì)報(bào)廢的電纜線路進(jìn)行了分段拆除,在距電源締結(jié)點(diǎn)164m處的一開斷口竟流淌出積水約300ml.這揭示出該電纜外護(hù)套破損是導(dǎo)致絕緣劣化的主要原因之一。

  GB 50217-1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》頒布于1994年11月,于1995年7月實(shí)施。規(guī)范條文說(shuō)明中,對(duì)工程已發(fā)生錯(cuò)用了額定相電壓值的10kV XLPE電纜的處理意見是有所保留的,即“但對(duì)有的行業(yè)系統(tǒng)采用額定相電壓值后運(yùn)行實(shí)踐尚無(wú)問(wèn)題的情況,可允許區(qū)別對(duì)待”。這種語(yǔ)法值得商榷。對(duì)這部分電纜是繼續(xù)使用還是更換,便成為工程技術(shù)人員和企業(yè)投資爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,在上述條件下運(yùn)行的電纜,絕緣擊穿故障的發(fā)生是離散、隨機(jī)的,并受多種因素的影響。其絕緣受損經(jīng)一定年限的累積,最終導(dǎo)致輸配電網(wǎng)絕緣水平整體劣化,電纜絕緣故障將會(huì)集中突發(fā)于一個(gè)時(shí)段,往往使企業(yè)的管理與維修部門措手不及。從圖1可以看出,這批電纜正是隨著運(yùn)行年的推移,絕緣擊穿故障年發(fā)生次數(shù)急劇上升。如若按電纜半導(dǎo)電構(gòu)造特征分類統(tǒng)計(jì)年事故率,則遠(yuǎn)高于國(guó)外同類產(chǎn)品。然而為維持這批6.0/10kV XLPE電纜的使用,其電氣預(yù)防性試驗(yàn)工作卻一直未能正常開展。

  2004年9月,為調(diào)研這批電纜的絕緣狀況,對(duì)其中1條長(zhǎng)約1.30km的電纜線路進(jìn)行了直流耐壓泄漏電流值測(cè)定。當(dāng)直流電壓升至2.5U0(即15kV)時(shí),該電纜A相泄漏電流值達(dá)326μA、B相為60μA、C相為13μA.隨著試驗(yàn)電壓緩慢升高和試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),電纜泄漏電流值仍有攀升的趨勢(shì),在此情況便終止了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該電纜的絕緣存在著重大缺陷。又改做施加系統(tǒng)的正常運(yùn)行電壓24h通電試驗(yàn),雖無(wú)異常,但當(dāng)投運(yùn)到39h20min時(shí),該線路過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作,斷路器跳閘原因不明。電纜再次運(yùn)行117h后絕緣被擊穿。試驗(yàn)結(jié)論:這批6.0/10kV XLPE電纜不應(yīng)繼續(xù)使用。

  2、絕緣設(shè)計(jì)與使用壽命

  我國(guó)10kV供電系統(tǒng)應(yīng)用XLPE電纜已近20年,但對(duì)XLPE電纜使用年限的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一,有待進(jìn)一步實(shí)踐和總結(jié)。但對(duì)國(guó)內(nèi)早期批量生產(chǎn)的E-T型結(jié)構(gòu)XLPE電纜,且在額定相電壓值運(yùn)行條件下,其使用年限未能超過(guò)7年,已是不爭(zhēng)的事實(shí)。

  對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用10kV XLPE電纜輸電的工程設(shè)計(jì),除保證建設(shè)項(xiàng)目供電網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行外,不能不考慮電纜使用年限的問(wèn)題。正常情況下,電纜密封構(gòu)造良好、絕緣水平裕度寬泛適度,則電纜使用的年限就長(zhǎng)。筆者走訪了本地區(qū)一些6kV供電的大、中型企業(yè),發(fā)現(xiàn)有部分敷設(shè)于20世紀(jì)50年代中期的油浸紙絕緣鉛包鋼帶鎧裝瀝青麻被外護(hù)套銅芯電纜仍在使用,其根本原因是采用這種6.0/10kV絕緣電纜并締結(jié)于6kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),其相對(duì)地電壓絕緣設(shè)計(jì)為1.73U0,電纜的絕緣裕度寬泛;且依賴于電纜鉛包具有良好的密封、絕緣油的外溢封堵防潮性能和自愈作用。反觀國(guó)內(nèi)早期批量生產(chǎn)的E-T型10kV XLPE電纜,其防水、阻水性能較差,加上采用的是“2+1”擠包、水蒸汽交聯(lián)生產(chǎn)工藝,極易在電纜主絕緣層生成水樹、氣泡和夾雜等問(wèn)題,嚴(yán)重地影響了電纜絕緣性能與其使用壽命。

  我國(guó)擬訂用的8.7/10kV XLPE電纜等同于國(guó)外8.7/15kV絕緣電壓等級(jí)的電纜,8.7/10kV XLPE電纜相電壓的設(shè)計(jì)按1.5U0確定,其絕緣等級(jí)雖已高于國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.33U0,但仍低于IEC 183:1987標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.73U0.GB 50217-1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中第3.3.2條:交流系統(tǒng)中電力電纜纜芯與絕緣屏蔽或金屬套之間額定電壓的選擇第(2)項(xiàng)指出:“對(duì)于(1)項(xiàng)外的供電系統(tǒng),不宜低于133%的使用回路工作相電壓;在單相接地故障可能持續(xù)8h以上,或發(fā)電機(jī)回路等安全性要求較高的情況,宜采取173%的使用回路工作相電壓”。規(guī)定了選擇使用133%相電壓和173%相電壓絕緣的界限,并說(shuō)明此規(guī)定與我國(guó)頒發(fā)的SOJ

  26-1989、DL 401-1991、SD 289-1988行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致,且與美國(guó)ASTM 470-1981、IEC183標(biāo)準(zhǔn)相似,但沒有AEICCSS-1982保守。因此,設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)規(guī)范的若干規(guī)定和要求,掌握XLPE電纜絕緣設(shè)計(jì)的要點(diǎn);了解所要締結(jié)電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地制式。除此而外,對(duì)規(guī)程條文說(shuō)明的一些細(xì)節(jié),也應(yīng)引起工程設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

  眾所周知,電纜屬于分布參數(shù)元件,運(yùn)行中一些過(guò)電壓波進(jìn)入電纜后將會(huì)產(chǎn)生疊加現(xiàn)象,各種過(guò)電壓對(duì)其絕緣的破壞程度要比對(duì)其他電器設(shè)備嚴(yán)重得多,故必須考慮電纜絕緣耐受系統(tǒng)大氣過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的能力,及其附件、相關(guān)設(shè)備絕緣的配合問(wèn)題。如選6.0/10kV、8.7/10kV絕緣電壓等級(jí)電纜的最高工作電壓Um為12kV;選8.7/15kV的Um為18kV.可以說(shuō)選定了電纜型號(hào)規(guī)格便確定了擬建電網(wǎng)的絕緣水平與電纜使用的年限。該企業(yè)自1997年在續(xù)建的電纜線路工程設(shè)計(jì)中采用了約16.0km的8.7/15kV E-E型結(jié)構(gòu)的10kV XLPE電纜,投運(yùn)7年來(lái),未發(fā)生過(guò)一起絕緣擊穿故障,電網(wǎng)安全運(yùn)行情況截然不同。

  3、結(jié)論

  鑒于我國(guó)電線電纜標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)重新修訂的GB/T 12706.1~4-2002《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件》已與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60502-1997接軌,10kVXLPE電纜的出廠例行試驗(yàn)的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)也已全面提升,對(duì)質(zhì)量控制更加嚴(yán)格。這使《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)絕緣水平設(shè)計(jì)所參照的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已顯滯后。另外該規(guī)范中有關(guān)高壓電纜絕緣選擇的分類及故障電纜持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間(引于IEC 183-1984和IEC 183-1965標(biāo)準(zhǔn))不僅與國(guó)內(nèi)電氣運(yùn)行所執(zhí)行的原水電部電氣事故處理規(guī)程中對(duì)不接地系統(tǒng)允許單相故障接地時(shí)間為2h的規(guī)定不一致,而且與新頒布的GB/T 12706.1~4-2002標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求也不一致。該規(guī)定對(duì)絕緣等級(jí)B類的描述如下:“可在單相接地故障時(shí)作短時(shí)運(yùn)行,根據(jù)JB/T 8996規(guī)定,接地故障時(shí)間不得超過(guò)1h,對(duì)于本標(biāo)準(zhǔn)包括的電纜允許更長(zhǎng)時(shí)間的帶故障運(yùn)行時(shí)間,但在任何情況下,不得超過(guò)8h,每年接地故障不超過(guò)125h”。

  筆者建議:對(duì)GB 50217—1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)電纜絕緣水平規(guī)定的條款進(jìn)行調(diào)整或修正,盡快與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)接軌;對(duì)條文說(shuō)明中的一些不確定提法應(yīng)予刪除,避免在概念上引起混淆。

  參考文獻(xiàn)

 。1] 王偉等。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜技術(shù)基礎(chǔ)。西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

  [2] GB 50217—1994電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范。北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1995.

 。3] GB/T 12706.1~4—2002額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件。北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

延伸閱讀:10kV 交聯(lián) 聚乙烯
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