输电电缆外护层绝缘电阻偏低相关因素分析及建议

输电电缆外护层绝缘电阻偏低相关因素分析及建议
郑志豪;张煌;李茂;梁汉远;黄嘉盛;牛海清;郭然
【摘要】为提高广州地区输电电缆运行的可靠性,研究影响输电电缆外护层绝缘电阻偏低的相关因素,并据此调整输电电缆运维策略.随机抽选110 kV、220 kV的电缆外护层绝缘电阻试验数据进行统计,分析研究不同因素与外护层绝缘电阻偏低的相关性.研究结果表明,电缆的投运年限、白蚁分布、敷设方式和外护层材料与电缆外护层绝缘电阻有明显的相关性,电缆投运后这些因素将会共同影响外护层的绝缘特性.提出关于电缆外护层设计、施工、运维的建议,包括:根据运行环境选择外护层材料,提高施工监管,将运行12年以上的电缆试验周期缩短到2年,发现绝缘电阻全相降低或金属环流异常时及时进行检修.%In order to improve operation reliability of power transmission cables in Guangzhou area,the paper studies rele-vant factors for low insulating resistance of outer sheath of the transmission cable and proposes to adjust operation and main-tenance strategy for the cable.On the basis of testing data about insulating resistance of outer sheaths of 110 kV and 220 kV cables selected by random,it analyzes and studies correlation between different factors and condition of low insulating resist-ance of the outer sheath.Research results indicate operating year,termite distribution,laying mode and material of the outer sheath all have significant correlation with insulating resistance of the outer sheath and these factors will jointly affect insula-tion performance of the outer sheath of the cable in operation.The paper proposes suggestions for design,construction and operation and maintenance of the outer sheath including choosing materials of the outer
sheath according to operating envi-ronment,improving construction supervision,shortening testing period of the cable having running for twelve years to two years and performing repair as all phases of the insulating resistance decrease or metal circulation is abnormal.
【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2017(030)011
【总页数】5页(P109-113)
【关键词】输电电缆;外护层;绝缘电阻;投运年限;白蚁
【作者】郑志豪;张煌;李茂;梁汉远;黄嘉盛;牛海清;郭然
【作者单位】广州供电局有限公司,广东广州 510310;华南理工大学电力学院,广
东广州 510640;广州供电局有限公司,广东广州 510310;广州供电局有限公司,广
东广州 510310;广州供电局有限公司,广东广州 510310;华南理工大学电力学院,
广东广州 510640;华南理工大学电力学院,广东广州 510640
【正文语种】中文
【中图分类】TM855
输电电缆在城市电网中的应用十分广泛[1]，广州地区的高压电缆线路总长度目前
已超过1 000 km，未来几年将会有较多电缆进入其寿命中后期[2]。

外护层位于电缆最外层，具有一定的绝缘和保护作用，绝缘电阻是衡量其绝缘状态的重要参数[3]。

Q/CSG 114002—2011《电力设备预防性试验规程》规定，电缆外护层每千米绝缘电阻不应低于0.5 MΩkm，同时在金属屏蔽或金属套与地之间施加直流电
压5 kV，加压时间1 min，不击穿[4]。

对电缆线路外护层绝缘电阻进行试验分析，
结果表明：广州地区存在大量输电电缆外护层绝缘电阻偏低的现象[2]，其中有62.7%的外护层绝缘电阻达不到规程要求，20.7%的绝缘电阻严重降低(本文将外
护层绝缘电阻低于0.01 MΩkm定义为外护层绝缘电阻严重降低)，个别电缆的外
护层绝缘电阻只有几百欧甚至为零，无法进行耐压试验。

针对输电电缆的外护层绝缘电阻偏低的原因，文献[5-8]提出电缆本体制造及安装
工艺造成的绝缘缺陷会在运行期间受水分、外力、温度等因素的影响不断发展恶化，这是引发电缆故障的重要原因。

文献[9-10]提出埋地电缆周围温暖湿润的环境容易吸引白蚁筑巢和觅食，这是造成电缆外护层绝缘缺陷的主要原因之一。

文献[11]针对电缆外护层的材料特性进行研究，提出从外护层材料入手应对外护层缺陷。

尽管许多文献对故障原因进行了分析，但据此提出有针对性的运维建议的研究较少。

由于外护层绝缘缺陷的消缺涉及到缺陷定位、开挖、检修等流程，会耗费大量的人力、物力，且外护层缺陷在短期内不会对电缆运行造成影响，运行单位一般采取不检修的策略。

但是外护层破损后会导致金属护套接地，致使接地环流增大[12-13]，地下积水、土壤微生物等通过破损点腐蚀金属护套，进而入侵主绝缘，最终可能导致主绝缘击穿，威胁供电安全。

造成电缆外护层缺陷的原因多而复杂，且不同原因引起的缺陷对电缆运行的影响不同，因此，有必要研究在不同情形下，外护层绝缘电阻的变化趋势和规律，找出引起外护层绝缘电阻偏低的主要影响因素，提出有针对性的运维建议。

实际工程中一般采用500 V兆欧表测量电缆外护层绝缘电阻值，测量时被试品的
接地线应接于兆欧表接地端，测量端接于线路端。

当被试品表面因脏污和受潮等影响导致泄漏电流较大时，为避免表面泄漏电流对测量结果的影响，应将屏蔽线接于保护端。

交叉互联接地箱内部结构如图1所示。

测量外护层绝缘电阻时，首先拆
除用于交叉互联的金属片，然后将线路端接在图1中的a、b、c金属夹座或交叉
互联铁片上，得到的电缆金属护套与地之间的绝缘阻值即为外护层绝缘电阻值。

当外护层存在本体缺陷时，其绝缘性能下降，导电通路增加，流过的总泄漏电流增大，绝缘电阻减小。

当外护层破损点较多或破损程度较严重时，表现为绝缘电阻的严重降低[14-15]。

当电缆外护层受潮时，潮气和水分会在外护层表面形成一层薄薄的水层，使得泄漏电流增大，测量出的外护层绝缘电阻偏低。

当环境温度较高时，绝缘介质内部电子和离子的热运动加快，使得流过电流增大，绝缘电阻变小。

由于广州地区湿度大，不同月份温度差异大，绝缘电阻的测量值受环境因素的影响也较大，因而应选择在相对湿度低的天气进行绝缘试验。

当电缆附件进水时，由于进行绝缘电阻试验时仅断开电缆与接地网，未拆除接地箱、中间接头等电缆附件，外护层绝缘电阻会受到附件水分的影响，导致测量值降低。

因而进行绝缘试验时应确认附件无积水。

广州供电局有限公司每3年都会对110 kV、220 kV输电电缆进行一次外护层绝缘电阻试验，本文根据试验数据初步分析了电缆外护层绝缘电阻与投运年限、敷设方式、白蚁分布、外护层材料、附件进水、地下水位、施工工艺、运维方式、所处位置、电缆附件等因素的关系，发现前4种因素与电缆外护层绝缘电阻有明显的相关性，电缆投运后这些因素将会共同影响外护层的绝缘特性。

高压单芯输电电缆的设计使用寿命一般为30年，由于电缆投运年限不同，外护层绝缘状况也有所不同。

随机抽选出投运年限为4～6年的电缆共计141小段，7～12年共计349小段，13～20年共计183小段，20年以上共计86小段。

外护层绝缘电阻统计结果如图2所示。

由图2可知，外护层绝缘电阻降低的情况会随着运行年限的增长而发生变化。

投运4～12年属于输电电缆寿命的前中期，此时电缆运行稳定，但外护层绝缘电阻正常率仅31.91%，严重降低率近30%。

这段时间电缆外护层绝缘电阻偏低可能是电缆制造及安装工艺不佳导致的。

投运12年以后电缆进入其寿命中后期，其外护层绝缘电阻合格率不到15%，严重降低率超过40%。

特别是投运年限超过20
年的电缆，外护层绝缘电阻严重降低率超过50%。

可见投运年限超过12年的电缆外护层老化问题严重。

广州地区地下水位较高，且土壤呈弱酸性，土壤微生物丰富，部分电缆长期浸泡在积水中，积水不断入侵电缆的绝缘层，加速电缆老化。

电缆投运时间越长，绝缘问题就会越严重，建议将投运12年以上电缆的试验周期缩短到2年，并密切关注绝缘和金属护套环流的变化。

2001年，广州供电局有限公司与广东省昆虫研究所合作调查并编制了《广州市高压电缆蚁害分布图》(如图3所示)。

在蚁害程度不同的地区随机选出754条电缆，其中处于蚁害重度、中度、轻度地区电缆分别为475、210、69小段，所选电缆
投运年限均为10年左右。

电缆段绝缘电阻状态统计分析结果如图4所示。

由图4可知，轻度蚁害地区的电缆外护层绝缘电阻合格率高于50%，处于蚁害中
度和重度蚁害地区的电缆外护层绝缘电阻合格率仅为30%多，其中重度蚁害地区
严重降低率高达37%。

可见重度和中度蚁害区域的电缆外护层绝缘电阻不合格率
明显高于蚁害轻度地区。

运行经验表明，白蚁破坏电缆初期很难被发现，发现时往往外护层已严重破损，造成电缆寿命大大缩短。

如果因白蚁破坏故障跳闸时才对电缆进行修复或更换，将造成巨大的经济损失[16-18]。

因此，对于蚁害重度区的电缆，应选用防蚁电缆，蚁
害发生时及时检修。

不同敷设方式下电缆所处的环境不同，引起电缆外护层缺陷的原因也不同，按敷设方式对预防性试验所测外护层绝缘电阻历史数据进行统计分析。

随机选出投运年限相近的非金属支架敷设方式下的电缆线路共计605小段，金属支架敷设方式共计154小段进行统计，统计结果如图5所示。

由图5可知，投运一定的年限后，采用非金属支架敷设方式的电缆外护层绝缘电
阻严重下降率达25.95%，远远高于金属支架敷设方式12.99%，可见非金属支架
敷设方式的外护层老化问题更为严重。

非金属支架敷设方式多为直埋、穿管敷设，其电缆运行环境恶劣，部分电缆段很可能长期受积水侵蚀。

直埋电缆多使用防水性能较强的聚乙烯(polyethlene, PE)外护层，其耐磨性较差，容易在施工过程中产
生划痕；投运后，在白蚁、积水以及腐蚀性物质的共同作用下，电缆外护层绝缘电阻值偏低会更为严重。

因此，应提高施工工艺，减少对电缆的磨损。

隧道、桥梁和部分电缆沟敷设一般采用金属支架敷设，即将电缆置于金属支架上。

虽然支架上有绝缘垫保护，绝缘垫及电缆外护层仍可能在电动力的长期作用下破损，引起电缆线路金属护套多点接地，导致环流增加，最终引起电缆局部烧融[19-20]。

这个过程发展的时间相对较短，若发现电缆外护层绝缘电阻严重降低及金属护套环流增加，应及时检修。

电力电缆的外护层的材料主要有聚氯乙烯(polyvingl chloride, PVC)或PE两种。

外护层材料决定外护层的性能，防蚁电缆通常在电缆外护层外再挤压一层退敌虫层或退灭虫层来满足防蚁性能要求，而隧道电缆一般采用无卤低烟阻燃聚烯烃护套材料来满足防火要求[21]。

随机选出投运年限相近的外护层材料为PE的电缆共计195小段，PVC电缆共计114小段，防蚁电缆共计51小段，阻燃电缆共计306小段。

所选电缆段绝缘电阻状态统计分析结果如图6所示。

对比图6数据可知，投运时间相近，PE的绝缘性能明显优于PVC，这说明作为外护层材料来说，PE的化学及物理性能优于PVC。

防蚁外护层及阻燃外护层是功能型护套材料，防蚁外护层的硬度、表面光洁度以及电性能均优于PE、PVC，因而
投运相同时间后，护层绝缘性能将优于PE、PVC；阻燃外护层的绝缘性能与PE
材料相当，阻燃外护层既可以满足阻燃需求又可以满足绝缘要求。

因此，应根据实际运行环境来选择外护层材料，综合考虑运行区域蚁害程度、地下水位及敷设方式进行选择，以满足外护层绝缘要求。

输电电缆外护层绝缘电阻偏低是由多方面因素共同作用引起的，综上分析得出以下结论：附件进水、绝缘受潮会引起外护层绝缘电阻测量值降低，外护层试验不合格并不一定说明外护层存在绝缘缺陷；投运年限超过12年的电缆外护层老化问题严重，合格率低于12%；电缆外护层绝缘状况与白蚁分布有明显关系，中重度蚁害地区合格率仅30%左右；若投运后发现外护层绝缘电阻全相或相连区段均有严重降低的情况，很可能为白蚁侵害；金属支架敷设电缆合格率较非金属支架敷设高，但是金属支架敷设电缆外护层绝缘缺陷发展为故障的时间相对较短；外护层因其材料材质不同，对外护层老化有不同程度的影响。

针对以上结论，提出建议：进行外护层试验时应选择在相对湿度低的天气测量，并确认附件无积水；应综合考虑蚁害程度、地下水位及敷设方式来选择电缆外护层材料；在蚁害重度和中度地区应选用防蚁外护层的电缆；加强监管，提高电缆施工工艺，如减少电缆通道里的木块、树根、小石头、螺丝钉等杂物；对于投运12年以内的电缆，若绝缘电阻不是全相降低，可以不进行检修；对于投运超过12年、绝缘电阻降低的电缆，可将绝缘试验周期从3年缩短到2年，并密切关注绝缘电阻和接地环流的变化；对于外护层绝缘电阻全相或相连区段严重降低，应及时诱蚁找到破损位置，对电缆段进行修补，有必要时更换相应电缆段；对于接地环流异常的金属支架电缆，应定位外护层破损点，及时修补。

郑志豪(1988)，男，广东揭阳人，工程师，工学学士，主要从事电力电缆运维技术研究工作。

张煌(1994)，男，广东潮州人，硕士研究生，主要研究方向为高电压及其绝缘技术。

李茂(1991)，男，湖北荆州人，助理工程师，工学学士，主要从事电力电缆运维技术研究工作。

【相关文献】
[1] ORTON H.电力电缆技术综述[J]. 高电压技术，2015，41(4)：1057-1067.
ORTON H.Power Cable Technology Review[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(4)：1057-1067.
[2] 牛海清，徐涛，黄嘉盛，等.单芯电缆外护层绝缘缺陷及其差异化检修策略[J]. 绝缘材料，
2015(11)：64-68.
NIU Haiqing, XU Tao, Huang Jiasheng, et al. Insulation Defects in Outer Sheath of Single-core Cable and Its Differential Maintenance Strategy[J]. Insulating Materials, 2015(11)：
64-68.
[3] 杨颖，游蛟，贾志东，等.10 kV 交联聚乙烯电缆运行状态评估分析[J]. 高电压技术，2017，
43(5)：1684-1692.
YANG Ying, YOU Jiao, JIA Zhidong, et al. Evaluation Analysis of 10 kV XLPE Cable’s Operation Condition[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(5)：1684-1692.
[4] DL/T 596—1996，电力设备预防性试验规程[S].
[5] 周承科，李明贞，王航，等.电力电缆资产的状态评估与运维决策综述[J]. 高电压技术，2016，42(8)：2353-2362.
ZHOU Chengke, LI Mingzhen, WANG Hang, et al. Review of Condition Assessment and Maintenance Strategy of Power Cable Asset[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(8)：2353-2362.
[6] 吴明祥，欧阳本红，李文杰.交联电缆常见故障及原因分析[J]. 中国电力，2013，46(5)：66-70. WU Mingxiang, OUYANG Benhong, LI mon Faults and Cause Analysis of XLPE Cables[J]. Electric Power, 2013, 46(5)：66-70.
[7] 周远翔，赵健康，刘睿，等.高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J]. 高电压技术，
2014(9)：2593-2612.
ZHOU Yuanxiang, ZHAO Jiankang, LIU Rui, et al. Key Technical Analysis and Prospect of High Voltage and Extra-high Voltage Power Cable[J]. High Voltage Engineering, 2014(9)：2593-2612.
[8] 罗俊华，邱毓昌，杨黎明.10 kV及以上电力电缆运行故障统计分析[J]. 高电压技术，2003，
29(6)：14-16.
LUO Junhua, QIU Yuchang, YANG Liming.Operation Fault Analysis of CLPE Power Cable Above 10 kV[J]. High Voltage Engineering, 2003, 29(6)：14-16.
[9] 王春晓，田伟金，庄天勇，等.防白蚁电缆涂料抗台湾乳白蚁蛀蚀试验[J]. 环境昆虫学报，2012，34(2)：174-177.
WANG Chunxiao, TIAN Weijin, ZHUANG Tianyong, et al. Evaluation of 1% Bifenthrin Emulsifiable Concentrate as a Cable Coating Material Against Attack by Coptotermes Formosanus Shirak[J]. Journal of Environmental Entomology, 2012, 34(2)：174-177.
[10] 刘毅刚，许继葵.高压电缆外护套故障及其对策[J]. 高电压技术，2001，27(B07)：38-39. LIU Yigang, XU Jikui.Fault of Sheath of HV Power Cable and Countermeasure[J]. High Voltage Engineering, 2001, 27(B07)：38-39.
[11] 涂娜，张旭.电缆外护套特性及其故障对状态检测影响的研究[C]// 电力电缆状态检修技术交流会.苏州：中国电机工程学会，高电压技术编辑部，2010.
[12] 王谦，郝建，张电，等.一交叉互联高压电缆绝缘故障的理论及仿真分析[J]. 高压电器，
2014(9)：47-52.
WANG Qian, HAO Jian, ZHANG Dian, et al. Theoretical and Simulation Analyses of a High Voltage Cross-connected Cable Insulation Breakdown [J]. High Voltage Apparatus,
2014(9)：47-52.
[13] 张艺，黄志豪，赵璐.高压电力电缆护套绝缘在线监测系统研究[J]. 华东电力，2014，42(8)：1638-1641.
ZHANG Yi, HUANG Zhihao, ZHAO Lu.On-line Insulation Monitoring System of HV Cable Sheath[J]. East China Electric Power, 2014, 42(8)：1638-1641.
[14] 季明丽.基于EMTP的埋地电力电缆的雷电感应过电压分析[J]. 电瓷避雷器，2017(2)：39-43. JI Mingli.Analysis of Lightning Induced Overvoltage in Buried Power Cables Based on EMTP[J]. Insulators and Surge Arresters,2017(2)：39-43.
[15] 袁野，陈剑，贾志东，等.10 kVXLPE电缆受潮绝缘特性研究[J]. 电网技术，2014，38(10)：2875-2880.
YUAN Ye, CHEN Jian, JIA Zhidong, et al. Study About Insulating Properties of 10 kV XLPE Damp Cable[J]. Power System Technology, 2014, 38(10)：2875-2880.
[16] 刘文山，周华敏，何文.高压电力电缆白蚁防治的方法和措施[J]. 电线电缆，2009(5)：41-43. LIU Wenshan, ZHOU Huamin, He Wen.High-voltage Cable Termite Control Exploration[J]. Electric Wire amp; Cable, 2009(5)：41-43.
[17] 黄海涛，何向阳，张世军.埋地电缆受白蚁为害的原因及其防治方法[J]. 广东电力，2008，
21(7)：12-14.
HUANG Haitao, HE Xiangyang, ZHANG Shijun.Causation Analysis and Control of Termite Hazard to Buried Cables[J]. Guangdong Electric Power, 2008, 21(7)：12-14.
[18] 崔江静，孙廷玺.珠海地区高压电缆的白蚁危害与防治[J]. 高电压技术，2004，30(增刊1)：
23-24.
CUI Jiangjing, SUN Tingxi.The Harm of HV Cable in Zhuhai Area Caused by White Ants
and Prevention[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(S1)：23-24.
[19] 牛海清，王晓兵，蚁泽沛，等.110 kV单芯电缆金属护套环流计算与试验研究[J]. 高电压技术，2005，31(8)：15-17.
NIU Haiqing, WANG Xiaobing, YI Zepei, et al. Study on Circulating Current of 110 kV Single-core Cable[J]. High Voltage Engineering, 2005, 31(8)：15-17.
[20] 杨静，朱晓岭，董翔，等.基于护层电流的高压电缆故障在线监测和诊断[J]. 高电压技术，
2016，42(11)：3616-3625.
YANG Jing, ZHU Xiaoling, DONG Xiang, et al. On-line Monitoring and Diagnosis of HV Cable Faults Based on Sheath Currents[J] High Voltage Engineering, 2016, 42(11)：3616-3625.
[21] 宋丽亚，张道利，盛洞天.高压XLPE绝缘电力电缆外护套材料的选择[J]. 电线电缆，2014(3)：22-26.
SONG Liya, ZHANG Daoli, SHENG Dongtian. Oversheathing Material Selection of High Voltage XLPE Insulation Power Cable[J]. Electric Wire amp; Cable, 2014(3)：22-26.。