日本电力电缆技术动向

2023/1/31日本电力电缆技术动向2023/1/31

1．输电系统日本有十大电力公司，东京、中部、关西与九州电力公司似乎著名。日本电网以66kV、275kV、500kV为主干线网，局部地区还有154kV与220kV,配电电缆网为22kV。全国电网资料未收到，东京电力公司在东京大城市区域由500kV架空线路环城，在东京市区外30-40km处由275kV大变电站连接系统，由275kV地下电缆向市区供电。

2023/1/31表11993年东京地区架空线路与地下电缆线路系统电压（kv）架空线路（km）地下电缆线路（km）2266154275500334

1428561612487346017824774778706/表21993年东京地下电缆回路

系统电压(kv)电缆型式XLPE/地下电缆回路总长XLPE百分数（%）2266154275分相铅包XLPE油纸XLPE油纸钢管油纸XLPE油纸钢管油纸XLPE1070/17823552/4774111/77820/7066074.714.32.82023/1/31从1986年以来，花费15年时间，日本经济产业省、国土交通省等有关政府部门与电力公司商讨，把电力配电设备地下化。目前已进行了4次计划，见表3。

表3日本架空线入地四次计划

时间1986~19901991~19941995~19981999~2003东京改造入地电缆电路全国改造入地电缆回路平均每年入地电缆回路149km1000km200km435km1000km250km470km1400km350km1400km（关东）约3000km800km2023/1/31到2003年应完成6400km架空线路改造

改造初期需要目的是：清除架空线路与杆式变压器太密集，确保社会公众安全为目的，到第4期计划时主要从防止城市灾害以及提高城市景观观念出发而引发架空线路改造。到2003年日本在22kv及以上的地下电缆总回路达到25000km，其中交联电缆达到约18000km，大约占全部电缆回路数72%。

2023/1/312．地下电缆系统介绍

由于日本目前电力电缆基本上使用XLPE电缆，在此只介绍XLPE电缆近况(1)日本交联电缆应用历史60年代开始日本在22kv配电线路中使用交联电缆，之后向高电压方向发展。第一根66kVXLPE电缆应用于1971年，连接架空线到变电站，1984年66kV2500mm2大截面电缆首次用到变电站与架空线连接上，1985年3500mm2大截面应用于变电站中。2023/1/311977年日本第一根154kVXLPE电缆应用于电网短段连接。1981年开始在城市长线路中应用154kV电缆，最大截面积为2500mm2。第一根275kV电缆于1981年在东京电力公司的Tamahara引水电站作引出线用，第一回275kV长线路于1989年5月在东京电力开始运行，1991年，它的延长线再次安装敷设运行。第一根500kV交联电缆于1988年7月在日本今市引水电站使用，2000年世界第一回39.8km长线路于东京电力运行。2023/1/31(2)电缆设计改进

日本交联电缆是采用平均场强进行设计，它考虑三个方面，按交流电压、冲击试验电压下击穿场强选取绝缘厚度，另一考虑是绝缘屏蔽处场强不能高于接头设计中规定场强，击穿场强依据韦伯分布选取。a.以工频电压为基础确定绝缘厚度

U为最大额定线电压K1工频温度系数（1.2）K2工频降解系数（2.3，n取15）K3不确定误差因数（1.1）Etac工频下击穿场强2023/1/31b.依冲击耐压确定绝缘厚度Timp＝Uimp*k1*k2*k3/Etimp

Uimp：为冲击耐压值k1：冲击温度系数（1.25）k2：冲击降解系数（1）k3：不确定误差因数（1.1）Etimp:冲击击穿埸强c.由交流、冲击电压绝缘屏蔽处场强确定绝缘厚度

模铸接头三件套预制件工频交流电压(kV/mm)2424冲击电压下(kV/mm)56

542023/1/31d.日本相关参数的选取改进

交联电缆发展时期，参数n=9，这是依据气泡作为局放击穿，经过交联电缆工艺改进，气泡仅形成几个µm，这种情况下，杂质与导体凸出物成为击穿的主要因素，为了确定杂质与凸出物处击穿的机理，从事v－t曲线试验，求出n＝20。目前选用n＝15可以说是安全的。对500kvXLPE绝缘电缆，如果控制杂质在50um以下，可以得出交流击穿场强Etac＝40kV/mm，

冲击击穿场强Etimp＝80kV/mm。2023/1/31其它参数的改变见表4表4设计参数的变化过去值现在值变化理由交流降解系数4.02.3气泡击穿变成杂质击穿多次冲击降解系数1.11.0试验确定交流击穿强度温度系数1.11.2试验确定冲击击穿强度温度系数1.251.25试验确定2023/1/31按以上设计参数，日本目前各电压等级绝缘厚度选取如表5.表5XLPE电缆设计的绝缘厚度系统电压（kv）66154275500系统最高电压（KV）72168300550交流击穿场强（kv/mm）35353540选取绝缘厚度（mm）3.68.51524.3冲击耐压耐压值（kv）35075010501425冲击击穿场强（kv/mm）75757580选取绝缘厚度（mm）6.413.819.324.5由接头应力锥起始点场强选取绝缘厚度（mm）9～1015～172327最终绝缘厚度选取（mm）9～1015～1723272023/1/31

设计改进绝缘减薄带来的好处日本高压电缆大多数为管路敷设或隧道敷设，在相同直径的管路下可以较以前敷设较大截面电缆，使相同管路中传输容量增大10～30％。由于绝缘外经变小，在相同的运输车辆工具下可以增加电缆长度50％以上，减少了做接头的数量，不仅降低成本，安全可靠性加强。2023/1/31经过多年努力，日本绝缘减薄的趋势见表6。表6日本绝缘减薄的趋势系统电压（kv）绝缘厚度变化趋势（mm）6615→13→11→97717→15→13→1115423→19→1722023→2027527→2350035→32→272023/1/31

日本上述绝缘厚度减薄能否安全运行必须要有一个综合评价，综合评价的依据是日本标准JEC3408-1996，日本规定试验分成四类:a.开发试验：以证明开发的电缆系统在热机械状态下能安全运行。b.型式试验：用1个月长时期试验或1小时耐压试

验来证明能在线路电压下安全运行.c.例行试验：出厂前耐压试验，局放试验，确保出厂产品质量。

d.现场试验：检测出安装结构缺陷。2023/1/31

图1275kVV-t曲线试验电压2023/1/31对图1作一些说明。平均场强作出评估若使用38年，平均场强2.6kV/mm；若使用23年，平均场强6kV/mm；若使用13年，平均场强10kV/mm；此平均场强，如果对应于小截面电缆，最大场强分别为5.4，10.1及16.9kV/mm。工厂施工按严格的质量控制水平，日本实际线路对66kV及以上XLPE电缆事故率为0.4次/100km.年，接头事故率为0.002次/100接头.年，终端事故率为0.004次/100终端.年。2023/1/31今后努力目标

正如前述，目前确定电缆绝缘厚度取决于接头要求，如果今后能减少存在在绝缘内部与绝缘表面的缺陷，这将有可能进一步增大电场强度，若开发这种相应的接头，将使电缆做到更小。现在正研究表面缺陷如何不再发生。2023/1/31(3)日本275kv交联电缆系统a.275kv电缆使用业绩

自1989年开始使用275kv长线路高压交联绝缘电缆以来，到2001年已使用508km超高压交联聚乙烯电缆。

图2日本超高压交联电缆长线路安装图2023/1/31

表71989-2001年日本275kV及以上交联电缆使用业绩2023/1/31

表71989-2001年日本275kV及以上交联电缆使用业绩（续）2023/1/31b.接头安装技术开发

对长线路而言，安装接头的可靠性是最应关注的问题，正如表7所示，日本275kV接头大量使用模铸接头，大约只有1/4使用预制接头。I.模铸接头i.对模铸接头重要质量控制项目杂质半导电料表面与绝缘表面凸出物气泡2023/1/31ii.清洁环境控制 接头施工环境安装10万级清洁房iii.检测在挤塑与装模具前，用光束与CCD探镜检查绝缘表面是否有施工而带来外界颗粒。挤塑加热交联后用X射线检测有无杂质，为了避免人工多次检查引起疲劳而带来遗漏，开发自动检测记录仪。2023/1/31II.预制件接头 日本使用环氧橡胶三件组合式预制作，所有元件在工厂已预先经过检验，并装有双层密封圈运输到现场，作为施工主要控制项目：绝缘表面带来外界颗粒杂质绝缘表面凹凸度状态控制凸出表示绝缘凸出度，凹面成为气泡状，目前控制在10µm以下，一般在2-3µm。2023/1/31图3电缆表面施工质量检测系统2023/1/31c.竣工试验

日本大部分使用交流耐压，但直流试验设备不需要较大设备（特别是长线路，交流试验需要采用昂贵的高压电抗器来补偿电容电流），因此在局部情况下使用。

对275kv电缆，竣工试验采用：交流耐压207kv10分钟（按日本标准）交流耐压184kv12小时直流414kv耐压2023/1/31日本开发一种精确甄别缺陷方法，即使用较低电压（184kV）耐压较长时间，之后测定游离。它的依据是从模拟试验中发现，如果是纤维状杂质或者表面所形成的缺陷，对275kV接头而言，于184kV电压下，这些缺陷会在10小时内开始出现游离，100小时之后会击穿，为此加电压12小时之后在25.30兆赫下测游离灵敏度在2pc左右。有两个接头大于规定值，竣工试验后除去重做，这样竣工试验后最长运作8年未出现事故。2023/1/31(4)日本中压电缆运行监测（动向）a.日本1kV电压电缆水树枝检测方法。直流泄漏电流法直流电流成份法直流电压迭加法tgδ测量方法 这些测试方法基于低压电缆设计场强较低，即使水树枝贯穿也不会立即导致电缆击穿，然而贯穿使直流分量大大增加，tgδ大大增加，用上述方法能检测出水树枝临界状态。2023/1/31b.日本中压交联电缆水树枝的测定方法

日本与中国一样，中压级交联电缆大多数没有阻水层，许多电缆已使用到近30年设计寿命，由水树枝降解而导致电缆击穿事故已开始增多，但低压电缆测试方法不适用中压电缆，为此住友、日立与日本东京及中部电力公司开发了二种测试方法。I.损耗电流法一旦发生水树枝，电流中存在损耗分量（与电压相同相位）部分增加，电流波形发生畸变，三次谐波增加，用损耗电流I3及电流与电压夹角Q