交聯聚乙烯電纜接頭典型缺陷老化壽命評估

王春逢， 孫長海*， 李 鍛， 杭慧芳， 陳 晨， 宋文卓， 郭夫然

(1.大連理工大學電氣工程學院， 大連 116024； 2.國網河南省電力公司經濟技術研究院， 鄭州 450000)

交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電纜因為其良好的電氣特性、絕緣性能、耐熱性和機械性能，被廣泛應用于高壓及超高壓線路中。電纜在使用過程中，會受到外界環境的影響，比如強電、強熱、潮濕等不利因素，這些因素會導致絕緣介質的絕緣能力下降，使得絕緣逐漸發生老化與劣化，并最終導致電纜絕緣失效、使用壽命變短[1]。除此之外，電纜在安裝敷設過程中，也會由于安裝工藝不當或者外力破壞等因素造成電纜附件的絕緣缺陷，在集中缺陷處由于電場的集中分布，會導致空間電荷的積累和泄漏電流的增加，將導致缺陷的進一步加深，這也是大部分電力電纜絕緣損壞的主要原因[2-3]。

交聯聚乙烯電纜附件(包括中間接頭和終端接頭)是投入于電網運行中電纜線路的重要部件，起到導電和連接的作用。對于XLPE電纜附件內部絕緣缺陷局部放電機理、檢測方法，以及缺陷修復，很多學者已經做出了研究，周象賢等[4]利用仿真軟件COMSOL建立了110 kV XLPE電纜中間接頭的缺陷模型，然后對典型缺陷周圍的三維電場進行了有限元仿真計算，得到周圍的電場分布，為后續缺陷問題機理的研究提供了理論依據。文獻[5]對XLPE電纜的多種典型缺陷模型進行了局部放電分析，得到的局部放電數據可以作為電纜缺陷類型和放電類型的評判依據。劉力等[6]對XLPE中壓電纜接頭老化缺陷進行了修復研究，采用向老化后的電纜注入修復液的方法，基于工頻介質損耗和工頻擊穿電壓等性能參數進行對比分析，結果證明老化后電纜中間接頭的絕緣強度明顯下降，而通過修復液修復后其絕緣性能有所提升。

綜上所述，目前中國對于XLPE電纜附件典型缺陷模型的研究，主要集中在局部放電特性診斷以及局部放電與絕緣老化關系的探索上，根據明顯特征的PRPD(phase resolved partial discharge)譜圖可以區分出電纜附件缺陷模型的類型，進而為工程維修和電纜敷設的相關業內人員提供一定幫助[7-8]。

但是中國疆土廣闊，地形地貌差別較大導致需要XLPE電纜工作在極端環境，工作在這些環境下的XLPE電纜敷設難度較大，檢修維護周期較長，電纜附件微小的損傷并不影響電力系統安全運行，但會降低工作電纜的服役壽命，所以有必要對典型缺陷電纜的老化壽命進行研究，以保證在絕緣失效之前維護或更換電纜，避免發生安全事故和影響電能的輸送。

為對XLPE電纜接頭典型缺陷老化壽命進行評估，首先以10 kV XLPE電纜3種典型接頭缺陷模型為研究對象，采取電、熱老化的形式模擬其長期運行狀態，通過力學性能斷裂伸長率來表征XLPE的老化狀態，同時以斷裂伸長率為依據結合Arrhenius方程[9-10]推算電纜特定條件下的老化壽命，然后將逐級耐壓實驗數據與該壽命結果比對，得到選用電纜的壽命指數，最后采用工程經驗公式計算得到具有接頭缺陷電纜的老化壽命[11]。

1 樣品制備

常見的電纜接頭故障的原因大部分是由于電纜敷設過程中安裝工藝不規范，造成接頭處出現缺陷，典型缺陷類型主要有3種，分別是氣隙缺陷、劃痕缺陷和爬電缺陷。其形成原因和制作過程如下：

氣隙缺陷(記為A組)：該缺陷類型主要出現在電纜制作過程中，氣體副產品有可能在XLPE中形成氣泡，或者在絕緣材料內部出現裂痕導致氣體進入。制作樣品時，在距端部10 mm XLPE表面制造深10 mm面積0.5 cm2的微小空隙，使微量的空氣進入XLPE內部，孔口及周圍使用環氧樹脂均勻涂抹密封。

劃痕缺陷(記為B組)：該缺陷類型集中于電纜接頭制作時出現，由于拖拉等物理外力作用導致XLPE表面出現破損。制作樣品時，在距端部30 mm XLPE表面沿軸向制造長40 mm、寬1 mm、深1 mm的劃痕。

爬電缺陷(記為C組)：該缺陷類型常常出現在電纜接頭制作時，由于外半導電層處有殘留，或者外半導電層斷口處理不整齊，制作電纜中間接頭時應力錐與電纜本體會出現氣隙，易發生爬電現象。制作樣品時，在端部XLPE表面保留寬10 mm、長15 mm帶尖端的外半導電層。

本研究采用ZR-YJV 223×95 mm 8.7/15 kV型號電纜，XLPE主絕緣厚度為3.4 mm，基本結構如圖1所示，三相分別用來制作3種缺陷類型樣品，另準備一根對比電纜(記為D組)，處理方式如圖2所示，每組缺陷電纜制作7個試樣。

圖1 電纜結構示意圖Fig.1 Sketch map of cable structure

圖2 電纜處理尺寸及缺陷模型示意圖Fig.2 Size of cable processed and sketchmaps of defect model

2 實驗方法

2.1 老化實驗

老化實驗所用設備型號為M/TP-300L(上海睦尼試驗設備有限公司)，改造后老化箱如圖3所示，可實現電熱聯合老化。將4組電纜模型外絕緣層用錫紙包住，根據GB/T 11026.1—2016，在電壓10 kV，溫度125、135、150 ℃下進行加速老化實驗，風扇通風，設定樣品電纜老化周期為7 d，共處理15個周期，老化時間為2 520 h。

圖3 電纜老化接線示意圖Fig.3 Sketch map of cable ageing and wireing

2.2 力學性能測試實驗

國標《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用Arrhenius推算壽命和最高使用溫度》GB/T 20028—2005中關于臨界值的選取是以原始性能值變化到50%作為標準。以每個老化周期為單位，從D組電纜一端切削出一定尺寸的啞鈴形狀XLPE薄片若干片(缺陷處無法制作拉伸試樣)，用于拉伸實驗，其尺寸參照按照國家標準GB/T 1040—2006，如圖4所示。采用JDL-1000型萬能拉伸試驗機(揚州市天發試驗機械有限公司)對不同老化階段的XLPE薄片進行拉伸，速度100 mm/min，測得各不同老化時間的XLPE斷裂伸長率，進而求得斷裂伸長率保留率。斷裂伸長率保留率定義為老化后的斷裂伸長率除以未老化的斷裂伸長率。

圖4 啞鈴形XLPE薄片尺寸Fig.4 Size of dumbbell XLPE sheet

2.3 逐級耐壓擊穿實驗

對每組電纜進行逐級耐壓擊穿實驗，保持溫度85 ℃。在應用工程經驗公式計算壽命時起始電壓通常選擇2.5U0(第一級)，U0是電纜正常工作電壓，為10 kV，故以25 kV作為起始電壓，2.5 kV為單位加壓等級，每次加壓15 min，直至樣品擊穿為止，多次實驗取平均值，記錄擊穿等級、擊穿電壓和最后一級擊穿時間。

3 結果與討論

3.1 拉伸實驗結果分析

實驗結果如表1所示，圖5為3個老化溫度下XLPE斷裂伸長率隨老化時間的變化趨勢。可以看出，老化溫度越高，曲線越陡，斷裂伸長率下降越迅速，電纜絕緣層破壞速度即老化速率越快。

表1 拉伸實驗結果

圖5 不同老化溫度下電纜的斷裂伸長率與老化時間的關系Fig.5 The relationship between the elongation at break of the cable and the aging time at different aging temperatures

同一老化溫度下，初期老化速率較低，XLPE內部化學反應較弱，隨著老化時間的推移，老化速率加快。這是由于XLPE是高分子聚合物，在其老化的過程中，熱裂解和熱氧化裂解反應占導地位，反應速率受到溫度和老化時間的影響[12]，裂解反應會導致高分子鏈的斷裂以及整體交聯網絡的破壞，被破壞形成的小分子鏈相互纏繞，無規則聚集在一起，導致結晶度降低，在壽命終止點附近裂解反應最為強烈，裂解最嚴重，力學性能急速下降[13]。

3.2 逐級耐壓擊穿實驗結果分析

實驗結果如表2所示，可以看出電熱聯合老化會大幅度削弱XLPE絕緣強度，老化后電纜的擊穿電壓下降了44.83%，這是由于在熱場作用下，高分子聚合物熱裂解和熱氧化的速率加快，產生很多復合產物，其中就包括O2、H2O等小分子，這些小分子會妨礙斷裂產物的交聯，而且會導致老化后的XLPE松散程度的增加，電子的平均自由行程增大，擊穿場強變小。電場作用下會加劇缺陷處的局部放電現象，加速電樹枝的發展，降低絕緣強度[14]。

表2 逐級耐壓擊穿實驗結果

3種典型缺陷類型的存在均會造成XLPE的擊穿電壓降低，劃痕缺陷電纜的最后一級電壓持續時間最少，因為劃痕的存在首先會直接降低XLPE的絕緣厚度，降低耐壓等級和耐壓時間，同時劃痕也會導致空氣滲入，空氣與XLPE相對介電常數相差較大，產生電場畸變，尤其劃痕端部電場集中，加速電子的碰撞電離，增大局部放電量，局部電場不均勻加大了局部放電發生的可能性，長期高壓會導致局部放電嚴重處產生電樹枝，這些原因均會降低其擊穿場強。

氣隙缺陷常出現在電纜擠出過程中制造工藝不佳的情況，主要是氣隙中的空氣、水分等雜質會對擊穿強度造成影響，當對銅芯導體加壓時，XLPE承受電場的極化作用，XLPE屬于弱極性電介質，相對介電常數不大，耐壓強度高，而氣隙內部成分復雜，電場不均勻，易發生電子和離子的碰撞電離，形成擊穿，故而降低了XLPE的絕緣程度。

爬電缺陷模型中不均勻的外半導電層使均勻電場在該處發生畸變，尖端處電場會變得很大，容易發生電暈放電，也會增加局部放電的概率，降低XLPE擊穿電壓[15]。

3.3 壽命評估

目前為止，絕緣材料的老化壽命評估主要有三類：常規法、快速評定法和神經網絡分析法。常規法是基于Arrhenius方程計算壽命，但是該方法無法用于評估具有缺陷的電纜，因為缺陷處無法進行拉伸。還有一種國際上較為認可的壽命評估方法就利用逐級耐壓擊穿實驗結合工程經驗公式來計算。

3.3.1 Arrhenius方程計算壽命

根據力學性能測試結果繪制出不同老化溫度下樣品斷裂伸長率保留率的變化趨勢圖，并在壽命終止點附近選擇合適的數據，利用最小二乘法線性擬合出斷裂伸長率保留率與老化時間的關系，如圖6所示。

圖6 試樣斷裂伸長率保留率與老化時間的關系Fig.6 Relationship between retention rate of elongation at break and ageing time of samples

擬合得到125 ℃的線性方程為

y=-28.56x+296

(1)

擬合得到135 ℃的線性方程為

y=-103.22x+816

(2)

擬合得到150 ℃的線性方程為

y=-73.78x+505

(3)

回歸直線為y=a+bx，x=1/T，轉化為絕對溫度(K)后T=[398，408，423]，y=lnθ，θ=[5 486，1 652，478]。其中x=xi=[1/398，1/408，1/423]=[0.002 51，0.002 45，0.002 36]，y=yi=[8.613 4，7.413 9，6.167 0]，擬合得到回歸線方程為y=16 115.53x-31.92，即老化壽命方程為

lnθ=16 115.53x-31.92

(4)

本研究所采用電纜型號技術要求電纜導體的允許長期最高工作溫度小于90 ℃，長期運行壽命不能低于30年。考慮到外界工作環境影響，以85 ℃為界限驗證未工作電纜的熱老化壽命，將x=1/T，T=358 K(85 ℃)代入式(4)中得到θ=486 698 h。大約能工作55.6年。由此可知，全新的ZR-YJV 223×95 mm 8.7/15 kV型電力電纜老化壽命符合基本要求，壽命評估方程建立合理。

3.3.2 工程經驗公式計算壽命

工程中通常基于逐級耐壓擊穿實驗結果，利用式(5)來計算電纜的壽命或者利用其反冪定律來設計電纜的絕緣厚度。但是目前理論還不夠成熟，問題主要集中在該公式的應用條件和壽命指數n的研究[16]。

(5)

式(5)中：Ui為施加的電壓；n是整數，為電纜的壽命指數，與電纜的材料和特定的生產條件有關；ti為Ui作用時間；i為加壓級數；L為電纜的剩余壽命。

根據現在的電纜生產條件和運行狀態，電纜壽命指數一般取值范圍為9～15，在該范圍內將D組電纜逐級耐壓擊穿實驗結果依次取值代入式(5)。經驗證，本研究取n=10，驗證過程如下：

(6)

解得剩余壽命：

3.510+3.7510)×15+410×13.4=

29 809 694.96 min=56.7(年)

(7)

這與常規法得到的壽命結果相差不大，故電纜壽命指數取n=10得到驗證。雖然常規法計算方程中只考慮溫度的影響，通常適用于熱老化壽命的評估，而工程經驗公式適用于電老化壽命的評估，但近些年很多研究也在探索工程經驗公式的修正問題，進而充分考慮溫度的影響，本研究采用電熱聯合老化的方式，實驗結果有一定的參考價值。將不同缺陷類型電纜逐級耐壓擊穿實驗結果代入式(5)計算得到劃痕缺陷、氣隙缺陷和爬電缺陷在10 kV，85 ℃下的老化壽命依次為18.1、23.2、25.1年。

4 結論

(1)通過拉伸實驗，以斷裂伸長率保留率50%為壽命終止點，基于Arrhenius方程推導出老化壽命方程為lnθ=16 115.53x-31.92，計算出該型號XLPE電纜在10 kV、85 ℃下的老化壽命大約為55.6年。

(2)利用逐級耐壓擊穿實驗結果，通過對比已計算出的壽命結果，確定出該型號XLPE電纜壽命指數n=10，最后利用工程經驗公式得到劃痕缺陷、氣隙缺陷和爬電缺陷在10 kV、85 ℃下的老化壽命依次為18.1、23.2、25.1年。3種缺陷類型均會導致老化壽命嚴重下降，其中劃痕缺陷對老化壽命影響最為嚴重，爬電缺陷影響最小。