电力电缆运行、故障及试验综述
姜芸，盛龙宝，上海电缆输配电公司
摘要：文章简述了电力电缆百年发展历程，对电力电缆附件进行了概述，分析和讨论了我国电力电缆运行故障类型，认为外力破坏和绝缘老化是导致电力电缆运行故障的重要原因。最
后，介绍了我国 XLPE 电力电缆试验技术的发展现状
关键词：电力电缆、附件、运行、故障、试验
1 引言
近年来，我国国民经济持续快速发展，极大地刺激了电力市场需求，突现出电力短缺的供需矛盾。人们在营造优雅宽松的生存环境和生活空间的城市文明化建设过程中，地下电力电缆输配电线路逐步取代架空线路为整洁明快的市容市貌提供了先决条件，城市电网电缆化程度将是衡量城市电网技术经济水平的重要标志。特别是 XLPE 绝缘电力电缆输送容量大、不受落差限制、运行安全可靠、使用寿命长等诸多优点已被人们普遍认识和接受。
近30 年来，国内、外电力电缆制造技术迅速发展，全球电力电缆投运回路的数量迅猛增长，铜芯电力电缆逐步取代铝芯电力电缆、中低压 XLPE 绝缘电力电缆已经取代油纸绝缘电力电缆并逐步取代 PVC 绝缘电力电缆；高压和超高压XLPE 绝缘电力电缆正逐步取代充油电力电缆，且电压等级已发展到 500 kV ，分割导体截面积达到2500mm2 。XLPE 绝缘电力电缆生产工艺包括悬链 (CCV) 、立塔 (VCV) 和长承模 (MDCV) ，电力电缆本体是由纯净的材料在净化环境里连续制造而成的。微孔、杂质的尺寸和含量以及线芯偏心度等关键技术指标得到严格的控制，其绝缘结构和尺寸的制造误差很小，通常可以简化为理想同轴电容器结构。在交变电场下，内部电场分布比较均匀，介质中任意一点的电位均满足泊松方程。理论上认为，电力电缆受外界环境因素和人为因素影响较小，安全运行的可靠性很高。但是，由于电缆的中间接头和终端通常是在电缆施工敷设现场人工制作安装，容易遗留电缆运行故障隐患。长期积累的电力电缆运行经验和试验研究结果证实：电力电缆附件是电缆线路中绝缘结构相对薄弱、容易发生运行故障的部分。其次，电力电缆在制造、敷设施工、
运行维护过程中，不可避免地会出现产品质量、过负荷运行以及外力破坏等问题，它们是导致电缆线路中电缆本体发生运行故障的直接原因。
2 电力电缆发展简史
1884 年，MacCracken 提出使用螺旋纸带绝缘的设想后，Vincent de Ferranti 于1890 年制造出著名的10 kV 的同轴电缆，首次安装在英国伦敦。1917 年，Emanueli 设计出中空的充油电缆，最终解决了高压和超高压的电力传输问题。此后，地下电力电缆的电压等级在逐渐提高，1952 年瑞典电缆的电压等级已达到 380 kV，最近几年，加拿大和美国电缆的电压等级已分别达到了525 kV 和535 kV。当今的制造技术允许地下输电电缆的电压等级高达1100 kV，并且在意大利已安装了这种电缆。
地下电力电缆输配电技术的发展经历了 120 多年的风雨历程。电缆绝缘材料有油纸绝缘、不滴流油纸绝缘、充油绝缘、充气绝缘、挤出绝缘等，电压等级由早期的几百伏低电压到今天 500 kV 以上特高压。尤其是 20 世纪 70 年代以后，材料科学、电工电子技术的发展极大地推动了电力电缆制造技术进步。
早在1897 年，上海市区首次采用低压路灯电力电缆，开创了我国应用地下电力电缆输电的先河。1951 年，国产6 kV 油纸绝缘电力电缆问世，1953 年开始生产 10 kV 油纸绝缘电力电缆，1956 年生产出 35 kV 油纸绝缘电力电缆，1969 年我国第一条220 kV 充油电缆投入运行，1970 年 330 kV 充油电缆投入运行，1982 年 500 kV 充油电缆试运行。我国 XLPE 电力电缆的制造和推广应用起步较晚，1970 年我国正式投产10~35 kV 交联电缆，1985 年广州、南京等城市首先引进110 kV XLPE 电力电缆以后，相继在发电厂、变电站和抽水蓄能电站先后引进 220、330、500 kV XLPE 电力电缆。1990 年第一条国产
110 kV XLPE 电力电缆线路在首钢投入运行，1996 年国产220 kV XLPE 电力电缆通过技术鉴定，并于2002 年5 月通过武汉高压研究所预鉴定试验和产品验收，逐步推广应用。
大量采用地下电力电缆线路取代架空输电线路的输配电方式已成为国内外城市的输配电网今后发展的主要趋势：上海市政府为了迎接世博会，计划在 2010 年前将市区环线以内的架空输电线路逐步改造成为地下电力电缆输配电线路。北京市政府为了迎接奥运会，计划在 2008 年前将市区四环线以内的架空输电线路逐步改造成为地下电力电缆输配电线路。广州、大连、深圳和珠海等经济发达城市和地区的主要街道架空输电线路已改造成为地下电力电缆输配电线路。武汉、西安、重庆、天津等城市的主干道正在逐步进行地下电力电缆输配电线路改造。全国各大城市和经济发达地区的城市电网中的220 kV 变电站进出线路均已采用长距离、大截面超高压电力电缆地下输电。
3 电力电缆附件概述
电力电缆线路通常由电力电缆本体、电力电缆附件（包括电缆中间接头和电缆终端）以及相连接的输配电线路、电气设备（包括变压器、GIS 等）组成。国内外生产电力电缆附件的制造厂商很多，其产品有时以用途来划分类型和命名，导致产品分类和命名比较模糊。随着国家相关部门出台相应标准和规范，各种产品命名方法正在逐步规范。鉴于国内外基本采用 XLPE 电力电缆地下输配电，因此，这里讨论电力电缆附件重点以 XLPE 电力电缆附件为主要内容。基于电力电缆附件的绝缘结构作为电力电缆附件较为科学的划分原则，高压、超高压 XLPE 电力电缆附件类型基本可以分为绕包型、装配型和预制型三大类。同样，中低压 XLPE 电力电缆附件类型基本亦分为绕包型、热缩型、模塑型和预制型四大类。各类电力电缆附件特性比较见表1 。
表 1 各类电力电缆附件特性比较
XLPE 电力电缆附件虽然形式多样，但各类附件的技术关键是绝缘结构中的电场应力控制。附件中电场应力控制一般采用参数型电场应力控制管和几何型电场应力控制锥两种控制方式。由于参数型电场应力控制管是在高分子材料中充填高介电系数的无机材料，以调整电气参数来控制附件中电场分布，其不足之处有：① 介质损耗较大使得附件发热引起材料早期电热老化；② 各项参数受温度、电场和基材特性等因素影响较大，即稳定性较差等，其应用范围受到极大地限制，通常应用于 35 kV 及以下电压等级的电力电缆线路。与之相比，几何型电场应力控制锥采用的是经典的几何形状应力锥来控制电缆附件中电场分布，其绝缘结构设计合理，基本不受外界因素影响，稳定性较好。在实际应用过程中，只要保证应力锥的几何形状以及保证应力锥与电缆主绝缘结合界面具有足够的压强，就能够达到长期有效地控制电缆附件中电场分布的满意效果，广泛应用于10~500 kV 电力电缆线路。
几何型电场应力控制锥在工厂预先成型，其几何尺寸偏差很小。应力锥与电缆主绝缘结合界面的压强取决于附件与电缆本体的紧配合状态。由于 XLPE 电力电缆主绝缘尺寸不可避免的存在制造偏差，应力锥与电缆主绝缘结合界面的压强（通常称之为握紧力）难以得到保证，容易引发结合界面沿面放电，通常采用在界面处涂抹硅脂以防止界面沿面放电。然而，在运行温度下，随着时间推移，硅脂逐步迁移干枯，沿面放电隐患依然存在。近 10 年来全国 XLPE 电力电缆运行故障类型和数量的统计分析结果证实，电缆中间接头击穿故障的比例占电缆运行故障总数的 27% 左右。其中，由于多层固体复合介质沿面放电原因导致接头击穿故障约占电缆接头故障总数的 97% 以上。因此，电力电缆附件的研究工作重点围绕
调整和长期保持应力锥与电缆主绝缘结合界面的压强、研究替代硅脂的新材料以解决沿面放电问题；同时，电力电缆附件密封防水、抗污秽和抗老化亦是当前急待进一步研究的课题。
4 电力电缆运行故障统计
近几年全国主要城市电力电缆运行故障率见图1。
图 1 全国主要城市电力电缆运行故障率
由图1 可知，10 ~220 kV 电力电缆的平均运行故障率由1997 年度的11.3 次/（百公里·年）逐年下降至 2001 年度的 5.2 次/（百公里·年）。相比经济发达国家，故障率约高出10 倍左右。造成电缆线路故障率较高的主要原因包括3个方面：① 20 世纪70 年代至80 年代投入运行的 XLPE 绝缘电力电缆产品均采用 1+2 挤出的生产设备和湿法蒸汽交联工艺，大约有 37 000 多 km 质量不稳定的电力电缆产品投入输配电网运行，且基本进入高故障率时期。② 由于大约有 72% 的电缆线路时常处于过负荷运行状态且不能够及时进行维护。同时，由于受到投资规模限制，部分城市将过去投运的 6 kV 油纸绝缘电力电缆升压至 10 kV 电压系统中运行，造成电缆线路运行事故次数明显增加。③ 在我国城市规划工作中，自来水、煤气、通信、市政、路桥、房地产、电力以及环卫、绿化等基础建设工程造成电力电缆线路外力破坏故障大幅上升。④ 电缆专业没有受到应有的重视，电力电缆线路敷设安装质量和运行维护技术水平相对滞后。随着近年来我国电缆制造行业技术进步以及
电力电缆运行、故障及试验综述
