中图分类号：TM726.4
0
前言
美国地下敷设了15-35kV电力电缆3百20万公里，为全国85％居民供应电力[1]。我国电网每年使用6—35kV中压XLPE电缆10万公里，全国各行业的年使用量已达25万公里[2]。中压XLPE电缆一般没有金属密封护层，地下水份通过扩散进入绝缘中，在水分和电场联合作用下，形成水树，水树生长缓慢，可是，当水树生长到一定长度，水树端的电场集中又能引发电树，电树生长迅速，很快引起电缆击穿。多年来，水树导致XLPE电缆的高事故率曾长期困扰着电缆行业[3]，为了阻止电缆绝缘的水树化，除采用措施防止水份从导体进入电缆，在XLPE绝缘中尽量排除杂质和缺陷，消除水树引发点外，80年代, 国外研制了多种WTR-XLPE电缆料，WTR-XLPE中压电缆的普遍使用大大降低了电缆运行的事故率，延长了电缆的使用寿命[4]。
近年来,国内XLPE绝缘的中压电力电缆的故障率明显上升,运行超过5 年的中压XLPE电缆的绝缘中绝大多数都发生了水树。尤其是安装在南方潮湿环境中的XLPE电缆,个别严重的树枝长度接近绝缘厚度的70 %
[5]。浙江万马高分子材料有限公司经过5年努力成功开发了WTR-XLPE电缆料，由此料研制的10kV抗水树电缆按我国电力行业标准，在武汉国网电力科学研究院通过了360天加速水树老化的鉴定试验[6], 现在万马WTR-XLPE电缆料已批量出口。
本文在综述国外中压XLPE电缆故率的统计数据的基础上，对比XLPE和WTR-XLPE电缆的运行中的老化性能，介绍国产10kV抗水树交联聚乙烯电缆加速水树老化试验结果、达到的水平，最
本文联系人，屠德民，邮箱：dmtu@mail.xjtu.edu.cn
后叙述国外WTR-XLPE电缆的使用情况。
- XLPE电缆的历年事故记录
德国调查了历年电缆击穿情况，图1示出运行中电缆击穿率与敷设年份的关系。
图1 XLPE电缆击穿率作为敷设年份的函数[4]
从图1可见，早期敷设电缆的击穿率很高，那时, 生产电缆的工艺落后，半导电屏蔽和绝缘料清洁度较低，容易引发水树。电缆击穿率的明显降低是在80年代中期，电缆质量的改善归功于使用了WTR-XLPE绝缘。图1的缺点是没有显示每年敷设的电缆量，实际上更多的电缆是敷设在1995年而非1985年[7]。
美国德克萨斯州敷设了各种绝缘的大量电缆，许多电缆敷设在70年代和80年代初，为了提供敷设的电缆量和敷设年份的信息，把x轴的评估累积电缆量定义为特定年敷设的电缆总长度乘电缆运行年数，为了找到不同电缆击穿率与敷设电缆量的关系，画出了如图2所示的3种绝缘电缆的评估累积击穿率与评估累积电缆量的关系[7]。
从图2可推知，高分子量PE绝缘电缆发生30
次击穿的电缆长度是9000公里，在发生同样击穿次数下，典型XLPE电缆是22000公里，WTR-XLPE电缆是100，000公里，由此可见，抗水树交联聚乙烯电缆的可靠性几乎是普通交联聚
乙烯电缆的5倍。
图2 三代中压电缆的击穿数据[7]
2.
运行中电缆的老化程度
国产10kV XLPE电缆运行不同年份后进行了交流击穿试验，击穿电场强度与运行年数的关系示于图3中，图3中同时列出了美国35kV WTR-XLPE电缆的对应数据[8]。
图3 运行后国产XLPE电缆剩余击穿电场
强度与美国WTYR-XLPE的比较[8]
从图3可见，国产10kV XLPE电缆运行7年后，交流击穿电场强度从原始的40kV/mm下降到12kV/mm，电缆的剩余电场强度仅是新电缆的30％；而抗水树XLPE电缆运行同样年份后，交流击穿电场强度从原始的32.5kV/mm下降到28kV/mm，剩余电场强度还有新电缆的86％，运行17年后仍有80％。WTR-XLPE电缆运行寿命
要比XLPE电缆长得多。
为了更说明WTR-XLPE绝缘老化性能的优越性，图4示出运行17年后，WTR-XLPE电缆绝缘和EPR电缆绝缘的详细击穿数据。
以击穿概率63％水平划线，在图4上得到WTR
- XLPE 和EPR绝缘的击穿电场强度分别25.7kV/mm和17.1kV/mm，两者相差8.6kV/mm，差值相当EPR击穿电场强度的一半。雷电脉冲击穿试验表明，运行17年后WTR-XLPE电缆绝缘的脉冲击穿电场强度相当于新电缆的90％[4]。
图4 两种电缆运行17年后绝缘交流击穿电强度的Weibull分布[4]
3.
加速水树老化性能
按常规XLPE电力电缆工艺，在浙江万马电缆公司制造了两条各长500米的10kV WTR-XLPE电力电缆，铜导线截面积50 mm
2，两条电缆分别以国外抗水树屏蔽料和国产普通屏蔽料作绝缘的内外屏蔽层，以浙江万马高分子材料公司生产的WTR-XLPE作绝缘。
根据我国电力行业标准”中压交联聚乙烯绝缘电力电缆抗水树性能鉴定试验方法和要求”[9]：两根电缆，在武汉国网电力科学研究院通过了抗水树鉴定试验。试验程序：每根电缆导体中的间隙和导管中都应注满自来水， 在工频电压(27±1)kV下进行加速老化。在老化期间电缆通电加热，每天8小时加热，使绝缘屏蔽温度达到45±3°C，16小时自然冷却，加速老化时间分别为120、180和360天。在整个加速老化试验过程中未有电缆击穿，不同老化阶段电缆绝缘的交流击穿电场强度如图5所示，图中同时示出国产10kV 普通XLPE电缆
的对比试验结果[10]。
从图5可见，普通XLPE电缆(曲线C)随着老化时间的增加，绝缘的击穿电场强度单调下降，老化180天后，击穿电场强度只有5kV/mm；而两条万马WTR-XLPE电缆(曲线P和O)经过360天老化后，击穿电场强度分别还有28kV/mm和24kV/mm，比标准要求的20kV/mm, 还有较多的裕度。
图5 加速水树老化对不同电缆工频击穿
电场强度的影响
在加速水树老化过程中，不同老化阶段还测量了P电缆和O电缆的局部放电量和介质损耗角正切，试验结果表明都低于标准规定值，万马抗水树电缆料的性能已达到2004年国外报道的水平[10]，目前该料已批量出口。
投资者拥有的电气集团公司是美国最大的供电单位，并在50州设立了175电气分公司，供应国家85％人口的用电，Joseph H. D. 等对其中48到60个电气公司的地下中压电缆作了系统的调查。60个电气公司的地下电缆分三个电压等级，15、25和35kV，敷设方式分直埋和管道两种，不同敷设方式的电缆长度示于图6中。
从图6可见，15kV电缆的直埋和管道敷设量几乎相等，25kV电缆以管道敷设为主，35kV以直埋为主。一般来说管道敷设可避免机械损坏和地下水的影响，尤其在人口稠密的城市郊区或多岩石的土壤中管道敷设具有优点，但直埋电缆的成本要低得多。图6数据也表明敷设方式不是考虑电缆的受潮条件。
图6 美国60个电气公司地下电缆的敷设方式[1]
图6中电缆采用WTR-XLPE和EPR两种绝缘，两种绝缘在不同电压等级电缆中所占的比例如图7所示。从图7可见，在15kV电缆中WTR-XLPE绝缘占95％，在25kV电缆中占75％，在35kV电缆占94％，在地下电缆中抗水树交联聚乙烯绝缘占绝对优势。
图7 不同电压电缆中WTR-XLPE和EPR绝缘的使用情况[1]
文献[1] 调查了美国48个电气公司过去十年中电缆绝缘的使用趋势，得到如图8所示的曲线。
图8 美国48个电气公司电缆使用绝缘趋势[1]
设10kV XLPE电缆的导体截面积为5cm
2, 绝缘厚度0.45cm, 那么一公里电缆中铜的用量为4.46吨，XLPE绝缘用量是0.41吨。
假定：一吨电解铜的价格为6.3万元，一吨XLPE料的价格方1.4万元，那么一公里这样的电缆中铜价28.1万元，而XLPE绝缘料仅0.57元，二项相加为28.67万元。
如果假定WTR-XLPE料比XLPE每吨贵0.3万元，以每吨1.7万元计算，0.41吨WTR-XLPE价值0.7万元，一公里电缆中导线和绝缘总价为28.8万元。由此可见，用假定WTR-XLPE代替XLPE，二项成本仅增加0.45％，而这种代替将换来电缆寿命的成倍增加。
6
结束语
美国中压电缆使用情况表明，1998年之后不再使用XLPE绝缘电缆，不同电压等级电缆中抗水树XLPE绝缘占统治地位。在长度相等的情况下，抗水树XLPE电缆的击穿率几乎是普通XLPE电缆的五分之一。
我国某地区10kV XLPE电缆运行7年后，交流击穿电场强度只12kV/mm，比原始值下降了70％，而国外抗水XLPE电缆运行同样年数，仅下降14％。
浙江万马10kV抗水树XLPE电缆已通过我国电力行业标准规定的360天抗水树性能的鉴定试验，试验后电缆击穿电场强度的裕度较高。目前该料己批量出口。用万马抗水树XLPE绝缘代替普通XLPE绝缘制造10kV电缆，仅增加电缆主要成本0.45％，而电缆使用的期望寿命将成倍增加。
7 参考文献
[1]Joseph H. Dudas and Chris Fletcher, Underground cable specification advances and installation practices of the largest investor-owned utilities, Electrical Insulation Magazine, 2005 Vol.21, No.4, pp.5-13.
[2]杨黎明，电缆及附件电网应用现状及发展，国家电网报，2008，1，24第七版.
[3]Vahdat Vahedy, Polymer Insulated High Voltage Cable, Electrical Insulation Magazine, 2006, Vol.22, No.3, pp.13-18.
[4]Harry Orton and Rick Hartlein, Long-life XLPE-insulated Power Cable, The production of this book was support by Dow Wire & Cable and Borealis, 2006, Vancouver, Canada..
[5]杨扬,黄志林,邓长胜,孙建生,郭汉洋, 抗水树中压电力电缆及材料的研究,电线电缆,2006 ,No. 2 pp.14-16.
[6]何军、屠德民，1 0 kV抗水树交联聚乙烯电缆性能鉴定试验的结果,电线电缆，2009年No.5，pp.16-20.
[7]Nigel Hampton, Rick Hartlein, Hakan Lennartsson, Harry Orton and Ram Ramachandran, Long-life XLPE Insulated Power Cable, Jicable, 2007, C5, pp.1-5.
[8]陶氏化学中国有限公司，中压电缆抗水树性能与生命周期成文的关系，中国电线电缆行业大会，技术专题研讨会文集，上海电缆研究所印刷，2010，9,21-23，pp.179-188.
[9]中华人民共和国电力行业标准(报批稿)”中压交联聚乙烯绝缘电力电缆抗水树性能鉴定试验方法和要求”
[10]何军、屠德民，10kV抗水树交联聚乙烯电缆性能鉴定试验的结果，电线电缆，2009，No.5，pp.17-20.
