XLPE電纜絕緣老化與剩余壽命評估的試驗方法

喻巖瓏，李晟，孫輝，岳彩鵬，吳延坤，陳廣輝，姚瑾

（1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.寶雞市供電局，陜西寶雞721004）

電力電纜是電力系統(tǒng)輸變電的非常重要的設(shè)備，對電力負(fù)荷安全，電力可靠傳輸具有不可或缺的作用。40余年的運(yùn)行及研究表明,水樹枝化是導(dǎo)致交聯(lián)聚乙烯 (XLPE)電纜絕緣壽命縮短的主要因素,水樹枝尖端最終長出的電樹枝,或是在電纜投運(yùn)初期由絕緣缺陷處長出的電樹枝則是電纜絕緣破壞的主要因素。電樹枝一旦產(chǎn)生,便以極快的速度發(fā)展并導(dǎo)致電纜絕緣擊穿[1-3]。

電纜投入運(yùn)行后即發(fā)生老化，隨著時間的推移，早期投運(yùn)的電纜已接近使用壽命期。評估這些電纜的殘余壽命，判斷應(yīng)在何時進(jìn)行更換，避免因電纜絕緣老化造成事故，成為目前的重要課題[4]。

1 XLPE電纜絕緣老化

國外應(yīng)用交聯(lián)聚乙烯電力電纜已經(jīng)有30多年歷史。我國近20年來110 kV及以下的電纜已經(jīng)能批量生產(chǎn)，可以預(yù)料在今后高壓電力網(wǎng)中，將有更多的交聯(lián)聚乙烯電纜線路出現(xiàn)。但是，電纜由于敷設(shè)運(yùn)行環(huán)境的原因，電纜的絕緣會在綜合因素作用下老化，影響運(yùn)行壽命甚至導(dǎo)致絕緣擊穿發(fā)生事故。

實際上，絕緣老化的原因有兩方面，一是電氣方面，二是化學(xué)方面。電氣方面包括游離放電老化和樹老化。前者是在絕緣層和屏蔽層的空隙產(chǎn)生游離放電，使絕緣受到侵蝕所造成的絕緣老化現(xiàn)象。不過正常相電壓下一般不會發(fā)生，只有在電纜內(nèi)部有缺陷時才會成為問題。后者樹老化主要有電樹、水樹兩種。樹老化是目前絕緣老化最主要的因素?；瘜W(xué)老化是由敷設(shè)環(huán)境所引起的，有一種稱為硫化的老化現(xiàn)象，對電纜絕緣影響最大，由于硫化物透過護(hù)套及絕緣層與電纜的銅導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化銅和氧化銅等物質(zhì)，這些物質(zhì)在絕緣層的內(nèi)導(dǎo)側(cè)向外呈樹枝狀生長，稱為化學(xué)樹[5-7]。

電纜絕緣事故基本上都是水樹和電樹造成的，下面主要介紹電纜中水樹和電樹的老化情況。

1.1 電纜絕緣水樹老化

水樹就是交聯(lián)聚乙烯電纜在進(jìn)水的情況下，由于電場的作用，使絕緣體內(nèi)形成樹枝的現(xiàn)象。幾乎都是電纜在制造、運(yùn)輸、保管、敷設(shè)過程中水分侵入電纜內(nèi)部所致；或者由于在導(dǎo)體上使用以布帶為基體的半導(dǎo)電層，在毛刺突出處產(chǎn)生水樹并延伸而導(dǎo)致絕緣擊穿。

1.1.1 水樹的形成和發(fā)展

水樹的形成發(fā)展理論至今總結(jié)大概有下面8種情況：

1）在水和電場同時存在的條件下發(fā)生水樹。

2）水樹是由直徑為數(shù)μm的水填滿的空隙群所組成的。

3）即使在比較低的電場下也能發(fā)生水樹。

4）絕緣中的雜質(zhì)、半導(dǎo)電層的缺陷、空隙等高場強(qiáng)處，是引發(fā)水樹的起點。

5）水樹在直流電壓作用下難以產(chǎn)生，但在交流電壓作用下較易產(chǎn)生，高頻電壓也能促進(jìn)水樹的發(fā)生。

6）在高溫水中水樹較易發(fā)生，而且也容易延伸。

7）水樹在形成的過程中，由于放電而觀察不到脈沖現(xiàn)象。

8）發(fā)生水樹的部位會產(chǎn)生機(jī)械變形。

對水樹引發(fā)和發(fā)展機(jī)理作為一個統(tǒng)一的理論還不成熟。水樹的引發(fā)和發(fā)展不但緩慢，而且是微觀現(xiàn)象，統(tǒng)一理論還需要時間研究。

1.1.2 發(fā)生水樹后電纜特性的變化

水樹的發(fā)展會影響電纜的電特性：

1）電纜的絕緣介質(zhì)損耗角正切值隨水樹長度的增加而增大。

2）水樹引起絕緣電阻下降。

3）交流電壓擊穿場強(qiáng)隨著電樹長度增加而明顯下降。

隨著抗水樹電纜材料的研發(fā)，電纜結(jié)構(gòu)的調(diào)整，水樹的影響越來越小。

1.2 電纜絕緣電樹老化

水樹不是導(dǎo)致電纜失效的直接原因，絕緣嚴(yán)重水樹化的電纜也可能正常運(yùn)行很長時間而不擊穿。實際上，總是在水樹的末端發(fā)展出電樹，對于高壓和超高壓電纜，電樹枝是絕緣失效的決定性因素。對于電纜絕緣來講，其中的雜質(zhì)、半導(dǎo)電層凸起、電壓作用下空間電荷的的積累等原因均會造成局部電場集中，形成局部高場強(qiáng)而誘發(fā)電樹枝。

1.2.1 電樹的引發(fā)和生長

電樹枝化無論是在引發(fā)階段還是在生長階段都是一種極其復(fù)雜的電腐蝕現(xiàn)象，是包括電荷注入—抽出、局部放電、局部高氣壓、局部高溫、電—機(jī)械應(yīng)力、物理變形、化學(xué)分解等在內(nèi)的一個非常復(fù)雜的綜合過程；絕緣介質(zhì)種類的不同、狀態(tài)的不同、微觀結(jié)構(gòu)的差異都增大了電樹枝在引發(fā)過程中和生長過程中的隨機(jī)性[8]。

1.2.2 電樹引起交聯(lián)聚乙烯絕緣老化的診斷

為了確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行,及時掌握電纜絕緣的老化狀態(tài)是很有必要的。有電樹枝發(fā)生時,反映電纜絕緣狀態(tài)的一些參數(shù)顯示出怎樣的變化是現(xiàn)在研究的重點。關(guān)于絕緣電阻、直流分量電流、介質(zhì)損耗因數(shù)以及局部放電參數(shù)與電樹枝生長的關(guān)系等這方面的研究并不多，有些說法還未統(tǒng)一。有電樹枝存在時，XLPE電纜絕緣內(nèi)局部放電特征參數(shù)的變化規(guī)律是現(xiàn)在研究的熱點問題。

目前,現(xiàn)場檢測XLPE絕緣老化還沒有公認(rèn)的可在電力部門推廣應(yīng)用的在線檢測技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備,因此電纜絕緣老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)積累較少,缺乏判別電纜老化的標(biāo)準(zhǔn),所以傳統(tǒng)的在線檢測技術(shù)尚難以對電纜的絕緣狀態(tài)及其剩余壽命進(jìn)行非常確切的推斷,還需要有一個較長的數(shù)據(jù)積累過程。

2 剩余壽命評估的試驗方法

電纜殘余壽命預(yù)測研究,國內(nèi)開展較晚,國外20世紀(jì)60年代就開始了關(guān)于XLPE電纜絕緣弱點檢出和老化檢測技術(shù)的研究,至今仍在不斷發(fā)展。日本是開展XLPE電纜絕緣老化檢測技術(shù)研究較早的國家,檢測技術(shù)有非在線式和在線式。非在線式包括殘留電壓、反吸收電流、直流泄漏電流、電位衰減法,殘留電荷、直流電壓疊加法等。在線式包括直流成分、脈動法,直流電壓疊加法等[9]。

針對XLPE絕緣電纜的剩余壽命評估問題，國際大電網(wǎng)委員會（CIGRE）2004年在巴黎成立了“現(xiàn)役地下電纜剩余壽命”組，著手開展對現(xiàn)役地下交流電纜的剩余壽命進(jìn)行研究，調(diào)研了全球43家運(yùn)行單位，對于擠出絕緣的電纜系統(tǒng)，失效率隨著時間指數(shù)式地增長，這主要是水樹老化的影響。2007年給出的報告指出,根據(jù)運(yùn)行狀況對電纜進(jìn)行劃分，綜合狀況對電纜打分，據(jù)此估計電纜系統(tǒng)剩余壽命的范圍，分為小于1年、1~10年、大于10年3大類[10]。目前運(yùn)行單位對是否更換電纜依據(jù)一個定義為年失效數(shù)的參數(shù)，大于某值時就更換電纜，而不對剩余壽命做預(yù)測。要對壽命進(jìn)行預(yù)測，就必須了解絕緣材料的老化機(jī)理，發(fā)展有效的測試技術(shù)，下面介紹幾種預(yù)測電纜剩余壽命的試驗。

2.1 擊穿電壓對比法

XLPE電纜的壽命方程為

式中，U是電纜所施加的電壓，n為生命時間指數(shù)，t為電纜壽命，C為常數(shù)。

試驗用18個使用過的電纜樣本（運(yùn)行10年的10kV帶消弧線圈的三相XLPE電纜），12個新的8.7/10 kV樣本。

采用分步加壓法，分別持續(xù)1min,20 min，相鄰電壓比為q=1.06，初始電壓加給用過的電纜樣本30 kV，新的樣本60 kV，電壓增加的速率為120 kV/min。

對于1min：

式中，T1為每一步測試的時間（1min）;T2為每一步測試的時間（20min）;P1為測試從開始到升至擊穿所需要的步數(shù)（1min）;P2為測試從開始到升至擊穿所需要的步數(shù)（20 min）;t1為測試中最后一步持續(xù)的時間（1min）;t2為測試中最后一步持續(xù)的時間（20min）。

生命指數(shù)：

用線形回歸方法來計算擊穿電壓，結(jié)果見表1。

表1 4組測試分別的平均擊穿電壓

由4組測試平均擊穿電壓，得出

實驗得出生命周期指數(shù)n，新的電纜比舊的小，表明新的電纜好。運(yùn)行10年的電纜平均擊穿電壓比新的電纜要減少大約50%。對于此舊電纜再運(yùn)行10年，電纜的擊穿電壓約為24.94 kV（49.8/2）-27.94 kV（55.87/2）。大概是10 kV電纜額定運(yùn)行電壓6.06 kV的4.1倍，再運(yùn)行10年則為2倍，必須更換。所以推測剩余壽命是10~20年之間[11]。

2.2 介質(zhì)損耗因素法

實驗對象：15~35 kV級XLPE電纜。

實驗分為兩部分：

1）電纜在電壓下水中老化（電樹枝在絕緣中的開始和發(fā)展）。

2）對老化電纜測試（確定樹枝的生長）。

電壓的幅值、頻率、溫度都可以加速老化，加速電樹枝的增長。

做以下5個測試：

1）徑向切片染色后看絕緣中樹枝的數(shù)目和長度。

2）測試交流擊穿電壓。

3）測試沖擊擊穿電壓。

4）測試60 Hz頻率下的損耗因子。

5）測試高頻下的損耗因子。

有4個老化步驟：

1）空氣老化（無水）（60 Hz，3.4 kV/mm）。

2）有水老化（60 Hz，3.4 kV/mm）

3）有水，80℃循環(huán)高溫老化（60Hz，3.4 kV/mm）。4）有水老化（8 000 Hz，3.4 kV/mm）。

實驗表明，絕緣擊穿不僅僅是由電樹枝通道形成，而且還與水分通道有關(guān)。有水比無水擊穿電壓低，損耗因數(shù)大。高溫比低溫?fù)舸╇妷旱停瑩p耗因數(shù)大。高頻比低頻擊穿電壓低，損耗因數(shù)大。

壽命估計：

具體的絕緣強(qiáng)度與損耗因數(shù)的關(guān)系是模糊的，絕緣強(qiáng)度取決于電纜中最薄弱環(huán)節(jié)（電樹最大的地方），損耗因素取決于電纜的平均條件（平均電樹生長）。據(jù)此建立出電纜壽命方程。

XLPE電纜壽命方程為

式中，L為預(yù)測壽命；Tsy為已通電運(yùn)行時間；tan δcrit為關(guān)鍵的損耗因數(shù)（故障到達(dá)不可接受時）=0.1；tan δt為Tsy時測量的損耗因數(shù)；tanδ0為未老化的XLPE電纜的損耗因數(shù)=0.000 2。

預(yù)測后通過式計算出的壽命與運(yùn)行時間的差值即為此時的剩余壽命。

2.3 直流泄漏電流法

實驗對象為22 kV級XLPE電纜，在導(dǎo)體上加上50 V的直流電壓，測試經(jīng)過絕緣從護(hù)套的泄漏電流，推測絕緣電阻值[12]。

XLPE電纜的壽命方程為

式（6）中，U為電纜所施加的電壓；n為生命時間指數(shù)；t為電纜壽命；C為常數(shù)。n的值與材料和破壞機(jī)理有關(guān)。

對壽命為30年,運(yùn)行10年的電纜試驗，得出的結(jié)論見表2。

表2 剩余壽命和絕緣電阻的n值

壽命為30年的電纜，在運(yùn)行10年后，剩余壽命為12~16年[13]。

3 結(jié)論

1）XLPE電纜絕緣老化的診斷方法仍然是從事電纜材料、XLPE電纜結(jié)構(gòu)研究以及相關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)的科研人員未來的一個重要研究方向。

2）目前國內(nèi)外的剩余壽命評估方法都比較偏向于定性分析，而對于定量分析而言，也只能給出非常大致的范圍，國際上缺乏一個評估標(biāo)準(zhǔn)，來檢測各種評估方法的準(zhǔn)確性，這也是從事這方面研究的科研人員所努力的方向。

3）現(xiàn)役電纜的壽命預(yù)測方法只能根據(jù)此時的電纜絕緣情況來推測此絕緣狀態(tài)下電纜的剩余壽命，而隨著運(yùn)行時間的增加，電纜的絕緣狀況是成下降趨勢的，所以科研人員建立新的壽命預(yù)測模型時應(yīng)考慮電纜絕緣隨時間的變化。

[1] 溫定筠,呂景順,范迪銘,等.交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜交流耐壓試驗時間參數(shù)探討[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(8):15-17.

[2] 劉通.John Fothergill,Steve Dodd,UlfNilsson.交聯(lián)聚乙烯電力電纜的介電損耗機(jī)理[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(5):7-14.

[3] 高超飛,王贊,隋恒,等.交聯(lián)聚乙烯電纜中空間電荷的研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(8):29-33.

[4] 李艷.高壓XLPE電纜絕緣檢測及評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[5] World Health Organization.Factors Regulating the Immune Response:Report of WHO Scientific Group[R].Geneva:WHO,1970.

[6] 皮昊書.在線、離線檢測方法在配電網(wǎng)電纜局部放電檢測中的應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(1):134-137.

[7] 王星,尚濤,黃賢球,等.海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜護(hù)套絕緣監(jiān)測方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(01):62-65.

[8] 李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹枝化[M].1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[9] 師青梅，常宇.XLPE電纜絕緣殘余壽命評估的初步研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（2）：4-5.

[10]Remaining Life of Existing AC Underground Lines[R].Draft Reportof CIGREWG B1-09,2007.

[11]C H EN Jiqun,WANG Shou tai.Method of Estimating the Remaining Life of the 10 kV XLPE Cable Operated 10 Years[C]//Proceedingsof the6th InternationalConference on Properties and Applications of Dielectric Materials,2000:204-208.

[12]B AHDER G.Life Expectancy of Crosslinked Polyethylene Insulated Cables Rated 15 to 35 kV [J].IEEETransactions on Power Apparatus and Systems,1981,100(4):1581-1590.

[13]LEE K W.Research For Remained Life of 22kV CV Cable System in Live-Line State [C]// Power Modulator Symposium.2004 High-Voltage Workshop.Conference Record of the Twenty-Sixth International.2004:489-492.