交聯聚乙烯電纜水樹枝修復技術研究

付文杰，王清亮，栗 軍

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050056)

0 引言

20世紀90年代以來，交聯聚乙烯(XLPE)電纜在城網改造中大量應用。電纜在潮濕環境中運行，難以避免的有水分侵入，在絕緣體內產生水樹枝，水樹枝老化是電纜絕緣破壞的主要原因之一[1-2]。近年來，雖然電纜工藝得到改善，在干燥環境中電纜絕緣的電氣性能十分優越，但電纜多為直埋方式，環境潮濕，因此水樹枝老化仍是電纜擊穿的主要原因之一[3]。避免電纜水樹枝老化的主要技術手段是采取相應措施改變交聯聚乙烯成分，通過添加劑來降低電纜絕緣體的憎水性，從而達到抑制水樹枝的目的[4-5]。

目前，電纜的防水性能已得到較大改善，但中低壓電纜的設計壽命通常都在20年以上，國內2000年以前生產的中低壓交聯聚乙烯電纜，其工藝較為落后，經過十幾年的運行后，絕緣體的水樹枝老化問題比較突出。這些電纜如果繼續運行，則可能導致電纜擊穿損壞；如果全部更換，費用巨大，而且施工難度相當大。因此，在保證電網安全的情況下，在電纜損壞之前，前瞻性的修復水樹枝老化的電纜，不僅能節約大量電纜成本，對電網的安全穩定運行也具有重要意義。

電纜水樹枝修復技術是一種電介質增強技術，操作方便，成本低廉，可以提高電纜整體的絕緣水平，延長電纜使用壽命，與更換電纜相比具有很大的經濟性和便捷性。美國已有相關應用[6-7]，國內對該技術的認識剛剛起步。

1 電纜水樹枝的形成及發展

水樹枝是交聯聚乙烯絕緣材料在長時間與水共存的狀態下，因交變電場作用而產生的充滿了水的各種樹枝狀細微通道。由于早期的中低壓交聯聚乙烯電纜防水性不佳，電纜運行的環境大多陰暗潮濕，特別是直埋電纜工作環境更為惡劣，水分和潮氣易進入電纜內部。同時在電纜的制造、施工和運行過程中不可避免會產生一些微觀缺陷。由介電電泳效應可知，液體中介電常數較大的離子會向電場集中的地方運動，而其中交聯聚乙烯的介電常數為2.3左右，水的介電常數則約為80，因而在電場力作用下水分向高場強區即缺陷處運動，造成缺陷處水分大量聚集。

由于交聯聚乙烯是一種結晶態和非晶態共存的固體高聚物結構形式，在電纜絕緣生產過程中，聚乙烯分子交聯過程及冷卻過程均是從外層向纜芯進行，因而會在絕緣內晶區與非晶區的界面以及非晶區內產生應力和微裂紋。同時，在電纜制造和施工過程中，也不可避免的給電纜絕緣體造成相應損傷，形成缺陷。在電纜投入運行后，由于電場的作用，水分會在缺陷處聚集，濃縮為極小的水滴。在長期交變電場的作用下，微水滴受到周期性的Maxwell電機械應力作用，不斷擠壓絕緣缺陷處，造成局部絕緣材料疲勞損壞，出現充水微孔[8]。隨時間推移和水分的侵入，電纜中的充水微孔沿電場方向逐漸拉長，不斷發展，相互連接形成了水樹枝。在顯微鏡下，可以看到充滿水的細小通道，直徑零點幾微米到幾微米不等。使用亞甲基藍溶液染色后，即可清晰看到水樹枝，見圖1。

圖1 電纜中的水樹枝

水樹枝形成的空洞不會自行消失，即使水分完全消失，空洞也會繼續存在下去，并能在極少的潮氣和較低的電場下繼續生長。隨運行時間的增加，在潮濕的環境中敷設的電纜水分不斷浸入，水樹枝在絕緣體內部大量產生，長度不斷增加，使電纜的整體絕緣性能下降。

水樹枝生長時因水中還可能含有各種離子成分，這些離子特別是金屬離子的存在使充水微孔形成過程中還伴隨著氧化腐蝕和化學腐蝕等作用。有學者通過試驗證實，微孔壁及微裂紋內有羥基(-OH)、羧基(-COON)等極性端基團存在[9]。這表明在水樹枝引發和增長過程中，水樹枝內有氧化降解反應產生。這些親水基團使得微孔壁由憎水性變成親水性，水分易于沿微孔壁形成連續水膜，使得整個水樹枝的導電能力大為增加，從而在水樹枝的尖端形成高場強區。

水樹枝尖端的電場強度隨樹枝長度的增加不斷增強，當水樹枝增長到一定程度，尖端將發生放電現象，引發電樹枝。研究表明，電樹枝出現后絕緣將在短時間內擊穿，特別是受到系統中各種過電壓作用時，電樹枝將很快擊穿[10]。對不含水樹枝和含有水樹枝的電纜進行擊穿電壓測試，發現在工頻電壓作用下，含有水樹枝的電纜比不含水樹枝的電纜擊穿電壓大約下降了1/3，而在低頻0.1 Hz 電壓作用下，擊穿電壓幾乎下降了2/3[11]。調研表明，由于水樹枝老化造成的電纜故障約占電纜總故障的30%，僅次于外力破壞。

由以上分析可以發現，水樹枝發生的原因是局部高電場和該部位有水存在，如圖2所示。交流電場、水分和局部缺陷3個因素達到合適的條件后就會在交聯聚乙烯內部引起水樹枝，因此，要防止水樹枝，必須從限制這3個條件入手。

圖2 電纜水樹枝形成及發展過程

2 電纜水樹枝修復技術

消除交聯聚乙烯電纜內的水分是防止電纜絕緣中水樹枝生成和繼續發展的一種方法。但是由于電纜的特殊結構，其內部水分無法用常規的干燥技術來消除。文獻[4]將水樹枝內的水分去除并注入變壓器油，介質的絕緣強度即可得到恢復。國外的實踐和國內的初步研究表明，利用電纜線芯絞線間隙作為通道，將具有消除微水功能的化學修復液注入電纜內部，可以消除電纜中的水分，修復電纜絕緣[12]。

2.1 修復技術研究現狀

在國外，美國研究電纜修復技術比較早，并在美國本土范圍內應用，修復電纜長度已達10萬km。修復后運行超過12年的約有2萬km。由于電纜本體缺陷引發的故障與這些電纜故障總數的百分比小于0.5%。

國內方面, 天津電力科學研究院最早開始研究，研制了修復液和壓力注入裝置。天津市電力公司試點應用該技術，并對市區核心區7條難以破土動工的老化電纜進行了水樹枝老化修復，電纜絕緣水平得到一定的提高[14]。但是目前還未見到后續跟蹤檢測。

四川大學在實驗室對短電纜水樹枝進行修復，試驗24 h后，電纜介質損耗因數從2%下降到0.5%左右，泄露電流從10 mA下降到1 μA。水樹中充滿了半透明的膠狀物，水分被耗盡，水樹枝得到修復，并且在長時間后，修復液仍能繼續起作用。但目前未見有實際應用的報道。

2.2 修復技術的基本原理

電纜水樹枝修復液的主要成分為硅氧烷以及催化劑。在催化劑的作用下，修復液中的硅氧烷與水發生聚合反應，生成新的硅氧基團高聚物和醇類，從而消除了電纜中的水分。其化學反應過程為：

修復液在電纜內部主要有三方面的作用：一是，硅氧烷與水不斷發生縮合反應，消除電纜中的水分；二是，隨著反應的進行，生成的聚合物分子量不斷增大，粘稠度不斷提高，并填充在水樹枝內部，修復水樹枝產生的微孔；三是，大量絕緣性能優良的修復液長期存在于電纜內部，浸泡絕緣主體，使絕緣主體絕緣性能保持在一個較高的水平，延長了電纜壽命。

修復液對電纜的修復作用是逐漸體現的。修復液注入后，電纜介質損耗逐步降低，24 h內介質損耗會有明顯降低[13]。美國中心電力機構(CEC)研究表明，修復液注入后，電纜老化損壞和電纜故障全部停止，電纜電氣強度每天增加0.5%或每60天增加30%，直至電纜的電氣強度超過全新電纜，該項技術可以增加電纜使用壽命20年[7]。

由于交聯聚乙烯是一種結晶狀和無定形狀共存的固體高聚物結構形式，其內部存在極為細小的微裂紋，硅氧烷分子可以通過這些微裂紋慢慢滲透。對于10 kV交聯聚乙烯電纜，修復液可以緩慢浸透整個絕緣主體，因此修復液對電纜外層水樹也具有修復作用。但是對于35 kV及以上電壓等級的交聯聚乙烯電纜，由于主絕緣層過厚，修復液難以完全滲透，對外層水樹修復力差。

在修復液的浸泡下，絕緣性能得以持續提高，一般在2年后達到并穩定在較高水平。但是當絕緣發生電樹枝時，放電通道會發生碳化現象，電纜修復液不能消除或去掉碳分子，因此它對電樹枝類缺陷不能起到修復作用。

2.3 修復液的注入工藝

在電纜實施修復之前要了解電纜的規格型號，并需要檢測電纜老化程度，修復液在電纜中的流動阻力，可能阻滯液體流通的位置等信息，根據檢測結果確定電纜修復方案。

修復時將原有電纜終端接頭換為特制的帶有注液孔的終端頭，首先通入高壓氮氣，檢測電纜內芯是否可以通過修復液，以及檢測電纜接頭是否有泄露，然后連接電纜修復液注入系統，進行修復工作。注入系統主要由氣體壓力罐、修復液罐、連接管路和出液管構成，在連接管路上安裝有限壓閥、壓力傳感器和流速觀察器等。修復液從電纜兩端的芯線處經由芯線之間的縫隙注入，見圖3。為提高注入速度，并抽出電纜中的積水和空氣，便于修復液完全浸泡電纜絕緣主體，一般將電纜的另一端與真空筒連接，抽出纜芯空氣。通過向修復液注入筒充入氮體，使修復液獲得一定的注入壓力。在注入筒正壓力和真空筒負壓力的雙重作用下，修復液由注入筒緩緩流入電纜體內，電纜體內積水同時從纜芯中排到真空筒。當真空端流出修復液時，注入工作結束，將兩端終端頭更換為普通終端頭，并采取相應封堵措施，防止修復液流出。電纜修復所需時間因電纜型號、截面積和長度而不同，對于線芯間隙較大的早期交聯聚乙烯電纜，一般在幾小時到十幾個小時之間。

圖3 修復液注入工藝示意

3 應用修復技術需要解決的關鍵問題

電纜修復技術在我國尚處于試驗研究和小規模試用階段，國外也只有美國應用，尚未全面推廣。該技術應用到實際電纜修復工作中，還需要進一步研究解決如下問題。

3.1 準確檢測電纜老化狀態

為確定電纜修復方案，確保電網安全可靠運行，應及時掌握電纜絕緣的老化狀態。電纜水樹枝檢測方法主要分為離線和在線2種。離線方法主要是測量絕緣電阻、泄露電流、介質損耗和耐壓試驗；在線監測主要有直流疊加法、超低頻法、交流疊加法和諧波分量法等[15-19]。這些檢測方法各有優缺點，但目前對水樹枝老化程度的檢查缺乏廣泛認可的代表性方法，采用以上檢測技術尚難以對電纜的絕緣狀態及其剩余壽命進行準確判斷。此外，關于電纜絕緣老化狀態的數據積累也較少，需進一步研究電纜老化程度的評價標準和公認的可推廣的在線檢測技術。

3.2 論證修復液物理化學特性

目前，雖然對修復技術的基本原理已有所了解，但為了大面積應用電纜修復技術，修復液的具體成分還需研究優化。修復液的成分、流動性、絕緣性、修復力以及揮發、阻燃特性、無毒化等方面缺少定量數據。由于修復液將長期存在于電纜內部，其在強電場中的穩定性、體積隨溫度變化特性、溶沸點以及與電纜接頭材料的共存性等物理化學特性，均需要深入研究、論證。

3.3 完善修復液注入工藝需要

電纜修復液的注入需要幾小時，對于線芯間隙較小的新電纜，注入時間更長。研究帶電修復技術，可以顯著減少停電時間，但是帶電修復面臨系統安全穩定的挑戰，需要慎重選擇修復方案。同時，加快注入速度、就需要增加注入壓力，但壓力過大又可能造成電纜接頭處變形，如何確定合理的注入壓力仍需要進一步研究。修復液注入后，需要選擇合適的絕緣封堵材料和合適的封堵方式，防止修復液從電纜兩端流出。目前，電纜修復液注入技術在我國還處于研究初期，還沒有電力系統通用的修復設備。

4 結束語

電纜水樹枝老化是引起電纜故障的主要原因之一，而且直埋方式輻射的電纜很難避免出現水樹枝老化。我國2000年以前城網改造敷設的電纜即將步入老齡化，水樹枝問題將嚴重影響電網的安全穩定和供電的可靠性。因此，應深入開展電纜老化水平的檢測研究，積累相關數據，掌握電纜老化程度；研究出安全高效的修復液和合理的注入技術，使電纜修復技術得到推廣應用。開展電纜修復技術研究，對于提高電纜電氣強度，延長電纜使用壽命，節約電纜投入，提高安全可靠供電水平具有重要意義。

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