XLPE絕緣電纜壽命研究的現狀與趨勢分析

江娜，馬小強，2，汪旭旭

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.湖北隨州供電公司，湖北 隨州 441300)

1 引言

伴隨我國經濟的快速發展，電力電纜作為輸送電能的重要設備，發展速度極快，XLPE絕緣電纜與傳統充油電纜和油浸紙電纜相比，具有質量輕、制造工藝簡單、安裝敷設容易、電氣性能和耐熱性能良好、運行維護方便等優點而被廣泛應用于輸電網中。電纜投入運行后，絕緣層會受到電、熱、機械、水份等因素的作用而發生絕緣老化，影響電纜的安全穩定運行和使用壽命。隨著時間的推移，早期投運的電纜已接近使用壽命期。開展電纜壽命的研究，判斷在電纜壽命接近使用期限前何時進行更換，避免因電纜絕緣老化引發事故而給電網帶來安全隱患，對于保證電網的安全穩定運行及可靠供電有著重要的理論意義。

2 國內外XLPE絕緣電纜壽命研究現狀及差異

2.1 國內研究現狀及存在的問題

2.1.1 國內研究現狀

目前，我國關于XLPE絕緣電纜壽命的研究還處于起步階段，研究壽命的相關內容較豐富，主要集中在以下三個方面:

(1)針對XLPE絕緣電纜老化機理的研究

①針對電樹枝老化機理的研究［1］，以針電極短電纜電極系統為實驗平臺，研究溫度、電壓、升壓速度等對電樹枝形態特征、生長和發展的影響;

②針對水樹枝老化機理的研究［2］，從力學作用、化學勢作用和水樹生長與局部放電彼此的誘因三個方面研究了水樹的形成機理。

③針對電化學老化的研究［3，4］，介紹了電化學老化產生的原因及電纜性能的變化;

④針對熱老化的研究［5］，采用光學顯微鏡和差示掃描量熱法DSC熱譜圖研究交聯聚乙烯的熱氧老化過程，并結合力學性能研究其結構形態的變化與性能的關系。

(2)針對XLPE絕緣電纜老化監測與診斷技術的研究

①通過剖析電纜的發熱原理與熱量傳播和擴散的路徑，建立熱路模型并參照IEC標準，獲得導體暫態的溫度變化，通過溫度判斷電纜的絕緣狀況［6］;

②采用諧波分析法和準同步技術對66kV及以上XLPE絕緣電纜介質損耗角的測量進行了研究，通過介質損耗因素的值來判斷電纜絕緣特性［7］;

③通過模擬實驗研究了利用Rogowski線圈原理制作電流傳感器來檢測XLPE絕緣電纜局部放電情況，通過局部放電量判斷電纜絕緣老化程度［8］。

④搭建實驗電路對10kV XLPE絕緣電纜樣品進行實驗，通過施加交流斜坡電壓獲取電纜樣品中的殘留電荷信息，根據殘留電荷量來判斷電纜的絕緣狀況［9］。

此外還有通過損耗電流高次諧波成分法、直流分量法、直流疊加法、低頻疊加法來研究電纜的絕緣老化狀況。

(3)基于某一指標或某一模型評估XLPE絕緣電纜壽命

①針對等溫松弛電流的研究［10］，先通過實驗測得恒定溫度下松弛電流，再利用三階指數衰減函數對測得的數據進行擬合處理，然后計算出去除穩態直流分量的電流值I，繪出I*t～log(t)曲線。通過比較曲線峰值的位置來分析電纜絕緣松弛電流分量的權重，并評估絕緣老化狀態;

②針對電纜熱流率的研究［11］，通過采用差示掃描量熱法DSC即通過程序控制溫度的變化，在溫度變化的同時，測量試樣和參比物的熱流率與溫度的關系及結合常規法快速評定電纜壽命;

③針對XLPE絕緣電纜壽命指數的研究［12］，從經驗公式Etn=常數出發，通過采用傳統的求a、b分布參數法、殘存電壓法、恒定電壓法及逐級升壓累加法、近似簡化法等獲取壽命指數n的值，進而獲得電纜的壽命;

④通過采用二維韋伯爾分布理論構建評估XLPE絕緣電纜的壽命模型來描述電纜的擊穿分布規律，從而得到電纜的壽命［13］。

我國針對XLPE絕緣電纜壽命主要的研究內容概括如圖1所示。

2.1.2 國內研究存在的問題

我國關于XLPE絕緣電纜壽命的研究主要存在以下幾個問題:

(1)針對壽命的研究主要集中于某一指標，從綜合考慮影響電纜壽命的多指標角度出發來評估電纜壽命比較少，因此壽命評估的準確性難以保證。

圖1 XLPE絕緣電纜壽命的研究內容

(2)針對壽命的評估由于還沒有成熟的理論公式可以套用，基本上是采用經驗公式，預測結果與實際存在一定的差距。

(3)針對壽命的評估建立在對模擬電纜試驗基礎之上，實驗中電纜運行環境與實際運行環境不相符，存在一定的偏差，直接影響壽命評估的準確性。

(4)針對壽命評估的數學理論與模型的研究比較少。

2.2 國外研究現狀

國外針對XLPE絕緣電纜壽命的研究起步較我國早。國外從20世紀60年代就開始研究XLPE電纜絕緣老化檢測與監測技術，其中日本是較早開展XLPE電纜絕緣老化檢測與監測技術研究的國家，關于XLPE絕緣電纜老化檢測與監測技術至今仍在不斷發展［14］。

在XLPE絕緣電纜壽命評估環節中，國內外研究內容及方法基本一致，但國外還引進了一些比較新的研究方法，例如研究電樹枝起始時采用了場致發光法，評估壽命時采用了電降解發光和PPD法［15］，此外還有氧化特征法以及取樣法。

2.3 國內外研究差異

對比國外關于XLPE絕緣電纜壽命研究的現狀可知，我國對電纜壽命的研究起步晚于歐美日等發達國家。由于我國研究經驗的不足、科技水平的落后以及國內外信息化程度的不同，同時國外在軟件和硬件上領先我國，我國與歐美日等發達國家在電纜壽命研究理論與研究方法上都有差距，但是經過很多研究者多年的探索與實踐，現階段，我國在電纜壽命研究理論和研究方法上與國外的差距在逐漸的縮小。此外，我國還沒有一套成熟的評估電纜壽命的綜合系統，在壽命評估上實現軟件化、智能化、數字化還需要長期努力。

3 建議

根據以上分析對比，對XLPE絕緣電纜壽命的評估需從以下幾方面進行完善。

3.1 提取合適的影響電纜壽命的指標

電纜的壽命取決于電纜運行的綜合狀態，這包括電纜的溫度場、介質損耗角正切值、接地電流、絕緣電阻、電場等指標。只有客觀全面地收集并分析這些指標的變化，才能得出最真實的壽命評估結果。客觀、全面地提取合適的影響電纜壽命的指標是壽命評估的基礎。

3.2 選擇合適的預測XLPE絕緣電纜壽命的理論

理論的選擇是預測電纜壽命至關重要的環節，理論的匹配度直接關系到壽命預測的準確性。因此在預測電纜壽命工作初始需先結合電纜本身的特征對比各種可以應用于壽命預測的理論，找到適合于預測電纜壽命的理論，以便能有效地預測電纜的壽命。

3.3 構建有效的預測XLPE絕緣電纜壽命的模型

模型的構建是預測電纜壽命的核心環節，如何確定有效的模型，直接影響壽命預測的準確性。在選擇合適的理論后，構建有效的預測電纜壽命模型，使電纜壽命的評估結果更科學、合理及具有較廣泛的適用性。

3.4 采用新技術開發預測XLPE絕緣電纜壽命軟件平臺

預測XLPE絕緣電纜壽命的工作量大且較為復雜，開發一個集數據庫和壽命預測模塊一體的軟件平臺有利于提高電纜壽命的管理效率、提高班組成員的工作效率、降低運行維護成本。

4 結語

(1)本文對比分析了目前國內外關于XLPE絕緣電纜壽命的研究現狀，指出了影響我國電纜壽命評估水平的一些問題以及與國外存在的差距。

(2)指出了通過提取合適的影響電纜壽命的指標、選擇合適的預測XLPE絕緣電纜壽命的理論、構建有效的預測XLPE絕緣電纜壽命的模型等措施可以提高XLPE絕緣電纜壽命評估準確性;采用新技術開發預測XLPE絕緣電纜壽命軟件平臺有利于提高電纜壽命的管理效率、提高班組成員的工作效率、降低運行維護成本。

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