周 越 朱启凌 杨健擘

国网上海市电力公司市北供电公司

0 引言

近年来为适应城市的用电需要，保障供电可靠性，电力电缆在城市电网建设中得到了广泛应用。与此同时，北京、上海等大城市也正大力开展架空线入地工程，将原来“黑色蜘蛛网”的架空线迁入地下改为电缆走线，这意味着未来大型城市中的配网线路将采用越来越多的电力电缆。这是城市发展到一定阶段的必然要求，也是城市精细化管理的一个重要体现[1]。

电缆线路基本都敷设在地下，虽然相比架空线路稳定性和可靠性更高，但却具有更大的检查和维修难度。因此，加强电力电缆的运行故障研究分析，对维护电力系统稳定运行具有重要意义。以上海市部分城区的配网电力电缆线路运行故障统计资料为依据，研究分析故障位置、故障原因及不同因素与运行时间的关系，提出相应合理的解决方案，以期对城市配网中电力电缆的运行维护提供参考，从而进一步提高系统供电可靠性。

1 运行状况及故障统计

上海市部分城区2014年至2019年10 kV电力电缆长度及故障情况见表1。年故障率随时间变化见图1，其中电缆长度为每年12月的统计数据。

表1 上海市部分城区10 kV电缆长度及故障情况

由表1 中数据表明，近六年来，随着配网线路改造和架空线入地工程的大力开展，所统计的上海市这部分城区10 kV 电力电缆的长度仍在逐年快速增加。图1 显示，相应的年故障率在2015 年得到有效降低，之后又开始略微上升，达到1.75次/百公里。

图1 上海市部分城区10 kV电缆年故障率变化

2 故障分析

2.1 故障位置

一般而言，电力电缆主要分为电缆本体、中间接头及终端接头三个位置。其中，电缆本体是主要组成部分，在长期运行中容易受到挖掘施工等外力因素影响而引发故障，而中间接头受到施工质量、制造质量、运行环境等各方面因素影响较大，相对本体和终端接头更容易出现自身绝缘缺陷引发故障。

上海市部分城区2014 年至2019 年10 kV 电力电缆不同位置故障数及所占总故障数的比例见表2。

表2 电缆不同位置故障次数及比例

上海市部分城区2014年至2019年10 kV电力电缆不同位置故障数变化曲线如图2所示。

图2 电缆不同位置故障数变化曲线

从表2和图2中可以看出:

1）在2014 年，上海市部分城区10 kV 电缆中间接头故障数达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%。经分析，这是由于近年上海地区10 kV电力电缆的预制式中间接头逐渐减少，转而由绕包式中间接头取代。上海地区较为潮湿，在预制式中间接头的制造过程中容易受潮出现缺陷，半导电层的不良处理也容易导致电缆故障[2]。随着预制式接头的逐年减少，中间接头故障率也大幅降低。

2）2015 年后，电缆本体的故障数及所占比例逐年上升，于2019年已高达94次，占比76.4%。其中大多数故障原因为外力破坏，少部分为本体质量引起。

3）近六年，电缆终端接头的故障数基本保持不变，均在10 次以内。相比于中间接头，终端接头数量较少，且不论是户外终端还是户内终端，运行环境也都较好，不易引发故障。

2.2 故障原因

基于上海市部分城区2014年至2019年10 kV电力电缆故障统计数据、抢修资料、事故分析和故障电缆样本及照片等分析，导致电力电缆故障的原因可分为外力破坏、制造质量、施工质量、绝缘老化及其他。

1）外力破坏一般为直接破坏或间接破坏，是由于基础设施或建筑施工（如挖掘机、铲土机和风镐）过程中直接损坏电缆，造成接地短路或相间短路，从而破坏电缆绝缘造成击穿故障，或当时伤及电缆绝缘而未造成故障发生，却留下事故隐患，在电缆运行不久后绝缘达到阈值发生击穿故障[3]。

2）制造质量一般指电缆附件及本体的制造质量，电缆附件指中间接头和终端接头，为多层固体复合介质绝缘结构，其制造过程需要较高的环境条件，一旦密封性有缺陷，附件有细微受潮或开裂松脱等，界面表明电阻将急剧下降，从而激发沿面放电，导致附件内部相间短路或接地短路。本体的制造质量若不合格，其中的微孔和杂质在运行过程中易发生局部放电，随着运行电压升高，电场增强，局部放电将引发主绝缘树枝状放电，最终在短时间内造成接地短路或相间短路引发故障。

3）施工质量一般指电缆敷设安装时不规范，质量不符合要求，主要体现在野蛮施工损伤电缆，牵引力过大磨损电缆外绝缘，电缆弯曲半径过小留下隐患等。

4）绝缘老化是由于电缆长期工作，饱受电力和热效应的双重影响，达到使用寿命而未及时更换，发生树枝状老化击穿或呼吸效应受潮放电引发电缆故障，多发生在运行时间20年以上的电缆。

5）其他原因主要包括过电压、偷盗、异物、自然灾害等。

将这五种故障原因分类统计，得到上海市部分城区2014年至2019年10 kV电力电缆不同原因的故障数及所占总故障数的比例，见表3。

表3 电缆不同原因故障数及比例

上海市部分城区2014年至2019年10 kV电力电缆不同原因的故障数变化曲线，见图3。

图3 电缆不同原因故障数变化曲线

从表3和图3可以看出：

1）外力破坏引发的故障占比逐年提升，特别是2019 年已经增至55 次，占比44.7%。一是由于近几年所统计城区大力发展建设，城区改造工程大幅增多，道路开挖增多，工地上野蛮施工现象屡禁不止，施工单位管理混乱责任不明确，抢工期进度，缺乏对地下线路的保护意识等。二是因为电缆敷设时工程设计缺陷，与其它地下管线交错布置或重叠冲突，导致电缆敷设过浅。三是部分电缆无铠装或保护管，缺乏警示标志。这些原因都会造成电缆处于危险境地，加大了外力破坏引发电缆故障的可能性，且外力破坏多发生于电缆本体，这与电缆本体故障数逐年提升的统计结果一致。

2）制造质量引发的故障每年都在大幅减少，从2014年的81次，占比60.9%减少到2019年的8次，仅占比6.5%。一方面是由于近几年绕包式接头逐渐取代预制式接头，提升了运行可靠性，这与电缆中间接头故障减少的统计结果一致，另一方面电力电缆制造技术快速发展，生产水平不断提高，高质量的交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆的应用使电力系统可靠性更高，故障率也大幅降低。

3）绝缘老化引发的故障数也在逐年缓慢提升，从 2014 年的 16 次，占比 12.0%增多到 2019 年的39次，占比31.7%。这是由于上海市城区内老旧电缆较多，20 世纪90 年代敷设安装的大批量电力电缆绝缘已经老化，而同时近年来居民用电负荷大幅提升，电缆逐渐达到使用寿命引发故障。

4）施工质量及其他原因引发的故障在2014-2019 年均保持相对稳定，故障数较小，占比较少。

2.3 运行时间

自2016 年，所统计城区电缆中间接头已全部更换为绕包式，运行状况趋于稳定。若不计外力破坏引发的故障，将2016-2019年其余所有故障与运行时间的关系进行分析，得到运行时间在5 年内、5至10年、10至15年、15至20年及20年以上相对应的故障数，形成柱状图，见图4。

图4 电缆不同运行时间的故障数

由图4可知，不计外力破坏引发故障时，电力电缆运行故障情况与多数电力设备一样，呈浴盆曲线（Bathtub curve，又称失效率曲线）。

投运初期（运行时间5 年内）容易发生运行故障，不同原因及占比见图5。初期主要是由于施工质量引起，占比74.5%，其次为制造质量，占比16.4%。

运行中期（运行时间5-20 年内）故障相对较少，电缆本体和附件进入稳定运行状态。

运行后期（运行时间20年以上）故障大幅增多，电缆由于长时间运行，接近使用寿命，绝缘树枝状老化、电热老化以及附件老化急速加剧，因绝缘老化成为故障最主要原因，占比86.7%，见图6。

图5 运行时间5年内的电缆故障原因

图6 运行时间20年以上的电缆故障原因

4 预防电缆故障方法

4.1 防止外力破坏

外力破坏是近两年来10 kV电缆故障中占比最高的，且一旦发生外力破坏，电缆必须更换本体或新增中间接头，不仅耗费人力物力，而且对电力系统的稳定运行造成影响，因此做好电缆线路防外破工作是预防电缆故障的首要措施。

1）要建立准确无误的电缆资料和图纸，及时更新完善地理信息系统，为配网运行人员日常巡视及建设施工人员提供可靠参考。针对图纸与实际电缆走廊不符的情况，要及时更新整改，做到每根电缆“有图可依”，每条线路“路图统一”。

2）加强与市政、规划、城建、交通和园林等部门的配合，与各管线部门保持紧密联系，准确及时掌握城市施工的规划和进度，提前做好防护准备工作，与施工单位进行交底，提供地下管线信息并增设明显警示标志，在施工过程中增派相应负责人驻点监督。

3）实施危险点控制方案。加强危险点巡视工作，密切关注电缆线路上是否有挖掘施工，一旦发现违章施工危及电缆安全，及时与施工单位负责人进行交涉，如有不听劝阻或发现损坏，应及时向上级部门汇报。

4）加强电缆保护和规划，提高自身防外破能力。一方面针对敷设过浅且无法搬迁深埋的电缆加设保护管或盖板，增设地下电缆标识，另一方面在制定地下管线密集区域的电缆路径走向时，应收集管线信息，综合考虑合理布置，防止出现敷设安装过程中难以实施而致使电缆过浅或路径不一致的情况。

5）积极推进“大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能”等“大云物移智”新技术深度融入电缆运行维护管理中，如：施工现场智能监控系统，将电缆线路的一举一动经互联网实时传到运行维护人员手中，经大数据与计算机人工智能，分析得出故障发生可能性，从而及时做出应对措施。

4.2 严把施工质量

把好施工质量关，抓好电缆施工过程中敷设和安装环节。一方面制定相应制度和考核方案，对敷设电缆的队伍和人员进行必要的业务素质与技术培训，另一方面加强现场敷设施工的监督管理，减少和杜绝野蛮施工，确保电缆弯曲半径和牵引力在合理范围，保障电缆敷设安装质量合格。

4.3 排除绝缘老化

绝缘老化引发的电缆故障虽占比不大，但仍是不可小视的部分，由于其故障时间和位置难以预测，因此在日常运行维护中，运行人员需要更加有针对性地开展运行监测工作，及时做好电缆更新。一是要关注电缆负荷水平，预测负荷变化，在夏季冬季用电高峰期时提前对重过载电缆线路进行增容更换。二是加强对电缆温度、附件状态、局部放电的监控，定期开展试验工作，特别是针对运行时间较长，接近平均使用寿命的电缆。

4.4 保障制造质量

为保障电力电缆制造质量，必须做好电缆验收与交接。一是电缆附件的制作过程要严格监督和验收，把握天气条件和现场环境是否适宜，对于重要工艺更要格外关注。二是在交接试验环节，严格按照有关标准，对各项技术指标进行核对。针对目前应用最为广泛的XLPE 电缆，不得使用直流耐压试验，容易造成XLPE 绝缘损伤，缩短电缆使用寿命。推荐采用工频电压试验、0.1 Hz超低频电压试验、kHz 振荡波电压试验、串联谐振或变频谐振交流电压试验等[4]。

5 结论

1）上海市部分城区10 kV 电力电缆年故障率在2015 年有所降低，但在近三年又有所上升，于2019年达到1.75次/百公里。

2）统计数据显示，2014年至2019年上海市部分城区10 kV电力电缆中间接头故障次数及占比均大幅降低，从2014 年的88 次，占比66.2%，降低到2019年的25次，占比20.3%，而本体故障次数及占比均呈逐渐上升趋势，于2019 年达到94 次，占比76.4%。

3）分析故障原因发现，制造质量引发的故障呈逐年减少的趋势，从2014年的81次，占比60.9%减少到2019年的8次，占比6.5%，而外力破坏引发的故障逐年提升，于2019 年已经增加至55 次，占比44.7%，这一结果与故障部位统计数据所得结论一致。另外，绝缘老化引发的故障数也在逐年缓慢上升，从 2014 年的16 次，占比12.0%增多到2019 年的39次，占比31.7%。

4）不计外力破坏因素，运行时间5年以内的电缆较容易发生故障，主要原因为施工质量，占比74.5%；运行时间5-20 年内的电缆较为稳定，故障相对较少；运行时间20 年以上的电缆故障大幅增多，主要原因为绝缘老化，占比86.7%。

5）针对故障原因，提出相应合理措施以预防电缆故障，一是要加强运维管理能力，防止外力破坏；二是要抓好电缆敷设和安装，严把施工质量；三是要做好监测及时更新，排除绝缘老化电缆；四是要做好电缆验收与交接，保障电缆制造质量。