交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的壽命預(yù)測綜述

杜恩達 吳涵 苗勝竹 白璐 劉金鑫

摘要：20世紀70年代以來，我國在交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜的生產(chǎn)和應(yīng)用方面得到了快速的發(fā)展。隨著電纜數(shù)量的增多及運行時間的延長，XLPE電纜的老化故障頻繁，存在重大安全隱患，甚至造成停電事故，給生產(chǎn)和人民生活帶來諸多不便，并造成重大的經(jīng)濟損失。因此，開展XLPE電力電纜的壽命預(yù)測研究，判斷電纜何時進行更換，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著重要的安全意義與經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：XLPE電纜;壽命預(yù)測;可靠性

一、引言

伴隨我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力電纜作為輸送電能的重要設(shè)備，發(fā)展速度極快， XLPE 絕緣電纜與傳統(tǒng)充油電纜和油浸紙電纜相比，具有質(zhì)量輕、制造工藝簡單、安裝敷設(shè)容易、電氣性能和耐熱性能良好、運行維護方便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于輸電網(wǎng)中。電纜投入運行后，絕緣層會受到電、熱、機械、水分等因素的作用而發(fā)生絕緣老化，影響電纜的安全穩(wěn)定運行和使用壽命。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(fā)事故而給 電網(wǎng)帶來安全隱患，對于保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行以及可靠供電有著重要的理論意義。

二、XLPE電纜絕緣壽命評估技術(shù)現(xiàn)狀

電纜壽命預(yù)測研究，國內(nèi)開展較晚，國外20世紀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，對于6kV 級XLPE電纜，檢測技術(shù)有非在線式和在線式兩種檢測技術(shù)。對于 22kV 級，僅采用非在線式。其部分與 6kV 級相同，但不再用反吸收電流、直流成分、 脈動法等，另增加與6kV 級不同的方法。 而 66kV及以上高壓級電纜，由于水樹枝老化檢出有效方法尚無實際驗證，唯有局部放電檢出查明絕緣健全性被確認，故而現(xiàn)只強調(diào)采用局部放電檢測法。

三、XLPE電纜絕緣老化分析研究

XLPE電纜在敷設(shè)運行后，會受到電、熱、機械應(yīng)力以及環(huán)境因素的綜合影響，導(dǎo)致絕緣老化，降低電纜壽命，嚴重時會造成擊穿事故。1958年，通過對高壓聚乙烯電纜的切片研究，首次發(fā)現(xiàn)了電樹枝放電通道的存在，之后又報道了在潛水電機中的低壓聚乙烯生長出水樹枝的現(xiàn)象。之后經(jīng)過不斷的研究發(fā)現(xiàn)，無論是水樹枝還是電樹枝，這些樹枝狀的缺陷在誘發(fā)后會不斷生長，直到貫穿絕緣層，導(dǎo)致絕緣擊穿，成為影響XLPE電纜正常運行的重要原因。

（一）電纜絕緣熱老化

XLPE電纜在實際運行中，由于工作電流造成導(dǎo)體局部發(fā)熱，電纜絕緣長期工作在高溫條件下存在熱老化，使得交聯(lián)聚乙烯絕緣發(fā)生各種復(fù)雜物理化學(xué)變化。而且，熱應(yīng)力和其它應(yīng)力共同作用會使得電纜絕緣材料的老化加速。因為溫度可以提高化學(xué)反應(yīng)速率，因此熱老化中降解速率與溫度之間的關(guān)系和化學(xué)反應(yīng)速率方程結(jié)構(gòu)形式相似而且，敷設(shè)在橋梁上的電纜線路由于負荷電流及環(huán)境溫度的改變，電力電纜存在熱脹冷縮情況，其中由于電纜線芯的熱脹冷縮而產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，如果電纜線芯截面越大，熱應(yīng)力就越大。電纜由于熱應(yīng)力影響將重復(fù)發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象，使電纜金屬護套存在形變，縮短了電纜的使用壽命。熱伸縮現(xiàn)象對電力電纜運行形成很大的威脅，會形成運行電纜產(chǎn)生位移、滑落，甚至損壞電纜及其附件。

（三）電纜絕緣水樹老化

電樹枝是一種由于雜質(zhì)、氣泡等缺陷造成電纜局部電場集中，進而形成樹枝狀放電破壞通道的電腐蝕現(xiàn)象。與水樹枝相比，電樹枝的發(fā)展速度更快。電纜材料介質(zhì)及其微觀 結(jié)構(gòu)差異是導(dǎo)致電樹枝形成隨機性的重要原因。在電力電纜生產(chǎn)和敷設(shè)運行中不可避免的彎 曲、 拉伸等外力作用產(chǎn)生應(yīng)力，使半導(dǎo)電屏蔽層與交聯(lián)聚乙烯電纜的界面產(chǎn)生氣隙和細微裂紋。在高電場作用下，電極發(fā)射的電子由于隧道效應(yīng)注入交聯(lián)聚乙烯絕緣，電子在注入路徑中獲得足夠的動能，使電子不斷與交聯(lián)聚乙烯絕緣碰撞引起破壞，導(dǎo)致樹枝的產(chǎn)生。電樹枝容易沿含有微孔和雜質(zhì)的晶界弱區(qū)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，形成細小的通道。樹枝通道內(nèi)充氣的程度、氣化的能量由放電決定，放電后氣體體積增加，將導(dǎo)致放電通道迅速發(fā)展，最后導(dǎo)致電纜擊穿。

四、電老化的老化壽命預(yù)測模型

XLPE絕緣電纜在實際運行中會遭受到多種應(yīng)力的影響，最明顯的就是電應(yīng)力。在電場作用下，絕緣內(nèi)的缺陷處會引發(fā)水樹枝或電樹枝的生長，形成局部高電場，從而激發(fā)局部放電，造成絕緣損傷。反映電老化的一般規(guī)律的電老化定律，表明電老化是不同電壓各自作用時間的一個累積過程，最終造成絕緣的老化擊穿，據(jù)此可以設(shè)計電纜的逐級升壓加速老化試驗。

V-t特性曲線反應(yīng)電壓與到絕緣擊穿的時間的關(guān)系。其中t1往往少于1小時，而t2則在好幾年之后。文獻中集中討論了區(qū)域III，指出了這兩個區(qū)域與XLPE電纜壽命有很大的相關(guān)性，并與描述電老化的n次冪定律，具有良好的一致性。

其中，C和n是常數(shù)，取決于電纜絕緣材料以及其它因素的影響，可以通過試驗來確定。壽命模型描述電纜絕緣系統(tǒng)在電場作用下的老化過程。并不需要知道發(fā)生的老化的具體類型，例如局部放電是否存在等。模型也不依賴于絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如特定的電極配置等。

五、結(jié)語

本篇文章研究了交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的老化特性。介紹了造成XLPE絕緣電纜老化的因素有熱老化，電樹枝，水樹枝幾個因素。也介紹了XLPE絕緣電纜的老化因素和電樹枝壽命模型的構(gòu)成。對電老化的壽命模型進行了分析研究。也指出了在恒定溫度下關(guān)鍵參數(shù)的求取方法。

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