交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化試驗及其檢測技術(shù)

王 天，白銀浩，呂中賓，王釬宇，姚利娜

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著我國國民對用電需求的不斷增加，電力電纜的重要性也日益提高。其中，相比于傳統(tǒng)電纜，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜不僅具有優(yōu)異的電氣性能，還具有更好的力學(xué)性能和耐老化性能，這使其成為應(yīng)用最廣泛的電纜[1]。

絕緣層是電力電纜的重要組成部分之一，其作用是承受電壓，保證電力電纜線芯與外部環(huán)境的電氣隔離。實(shí)際使用中，在多種因素的共同作用下，絕緣發(fā)生老化，性能逐漸降低，最終導(dǎo)致絕緣失效而引發(fā)故障。業(yè)界研究表明，除了安裝不當(dāng)和外部損壞外，電纜絕緣老化是造成電纜斷電的主要原因。

因此，為了保障輸電系統(tǒng)的安全可靠，需要在實(shí)驗室條件下對電纜絕緣材料進(jìn)行老化試驗，以便對XLPE電纜絕緣老化有更加深入的研究。本文歸納總結(jié)了XLPE電纜絕緣常見的老化方式、相應(yīng)的實(shí)驗室老化試驗以及電纜絕緣的狀態(tài)監(jiān)測方法，并對目前國內(nèi)外XLPE電纜絕緣老化試驗的研究進(jìn)展進(jìn)行了論述。

1 電纜絕緣的老化方式及影響因素

由于早期經(jīng)驗的缺失，電纜在生產(chǎn)制造、安裝鋪設(shè)和運(yùn)行維護(hù)中都不可避免地存在些許缺陷，而電纜運(yùn)行時長期遭受各種外界條件的影響，導(dǎo)致其絕緣性能下降發(fā)生老化。其中最主要的老化方式是水樹老化和電樹枝老化[2]。

1.1 水樹老化

水樹老化是指在交流電場和水分的作用下，電纜的絕緣材料內(nèi)部發(fā)生降解的現(xiàn)象[3]。在周圍環(huán)境的作用下，絕緣層中會發(fā)展出一些微通道，形成水樹，當(dāng)水樹生長到一定程度時，會迅速轉(zhuǎn)變成電樹枝，形成放電，加速絕緣老化，最終導(dǎo)致絕緣層被擊穿[4]。為了減小乃至避免實(shí)際工程中水樹老化的危害，學(xué)者們一直在對水樹的誘發(fā)原因、生長規(guī)律和尺寸形狀等進(jìn)行研究。

盡管目前仍未能全面解釋水樹枝的誘發(fā)原因，但電場和水分的長期作用是主導(dǎo)因素。研究發(fā)現(xiàn)，水樹老化現(xiàn)象在直流電場下幾乎不會出現(xiàn)，大多是出現(xiàn)在交流電場環(huán)境中，有學(xué)者認(rèn)為，交變電場的頻率變化會導(dǎo)致電纜絕緣材料產(chǎn)生疲勞，這可能是水樹枝產(chǎn)生的根本原因[5]。但水樹老化的原因太過復(fù)雜，溫度、離子濃度、機(jī)械外力和自身材料結(jié)構(gòu)均會對其發(fā)展產(chǎn)生影響。

1.1.1 溫度對水樹老化的影響

溫度與水樹的生長及水樹向電樹的轉(zhuǎn)換有著密切聯(lián)系，研究表明在高溫下水樹生長速率會提高[6]，主要是由于溫度的上升促進(jìn)了材料力學(xué)性能的降低、微孔的擴(kuò)大以及水和鹽離子的擴(kuò)散等，這是由分子的熱運(yùn)動決定的[7]。而在低溫下，水樹枝的生長也會得到一定程度的促進(jìn)[8]，這主要是由分子鏈的取向行為決定的[9]。

此外，相較于恒溫條件，溫度的交替變化也會加速水樹生長。文獻(xiàn)[10]表明，在一定溫度范圍內(nèi)（0～60℃或更高）反復(fù)進(jìn)行溫度循環(huán)時，XLPE分子鏈會發(fā)生取向-解取向的循環(huán)過程，從高溫到低溫時，水樹生長加速，溫度再次升高，水樹的生長速率也會進(jìn)一步提高。在低溫條件下，水樹的枝干清晰，隨著溫度的升高，水樹逐漸變粗變密，在高溫條件下，水樹連成一片[11]。因此，若電纜處在溫度交替變化的環(huán)境下，可能會出現(xiàn)絕緣中水樹生長更為快速的情況。

1.1.2 離子對水樹老化的影響

離子對XLPE電纜絕緣中水樹的生長也有著重要影響。在相同的條件下，相比于自來水環(huán)境，含有 Cl-、SO42-等離子的水會使XLPE電纜更容易產(chǎn)生水樹枝，且水樹枝的生長速度是自來水環(huán)境下的3～4 倍，因此水樹在 NaCl、KCl、FeCl3、FeSO4等溶液中的生長速度會明顯加快[12]。

電纜絕緣材料中水樹的形貌各有不同，溶液中離子的遷移速度越快，水樹就越容易生長。而離子在XLPE材料中的遷移速度和離子濃度與離子半徑相關(guān)，離子的濃度越大、半徑越小時，離子遷移速度就越快，對水樹生長更有利[13]。文獻(xiàn)[14]表明，溶液中陽離子的半徑越小，水樹長度就越長。文獻(xiàn)[15]從水合離子的擴(kuò)散模型方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)離子半徑越大，遷移到材料內(nèi)部的離子通量越小，水樹長度越短。

文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)向KCl溶液中添加HCl或KOH會加速水樹的生長，因為溶液中H+和OH-增加。文獻(xiàn)[17]研究了XLPE電纜絕緣在不同酸堿環(huán)境下水樹的生長機(jī)理，發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境和堿性環(huán)境均能促進(jìn)水樹的生長，其中酸性環(huán)境的促進(jìn)作用更明顯。如果溶液的離子濃度相同，中性溶液中的水樹長度最短但間隙最大，分枝最明顯。這是因為在電場作用下，H+和OH-的離子運(yùn)動更劇烈，會引起更嚴(yán)重的分子鏈斷裂現(xiàn)象。

1.1.3 機(jī)械應(yīng)力對水樹老化的影響

機(jī)械應(yīng)力也是影響水樹生長的因素之一。即使在同一根電纜上，絕緣層受到的機(jī)械應(yīng)力也會因為位置的不同而存在差異。與靜態(tài)參考電纜相比，在具有最大機(jī)械應(yīng)變的位置發(fā)現(xiàn)水樹枝的密度明顯更高[18]。研究發(fā)現(xiàn)水樹枝的密度和生長速率隨著機(jī)械張力的增加而顯著增加，而機(jī)械壓力則會抑制水樹生長，這是由于機(jī)械張力可以增大XLPE絕緣材料中細(xì)長微孔的密度，而機(jī)械壓力會減小這種微孔洞的密度[19]。

絕緣層中出現(xiàn)傾斜水樹的重要原因就是XLPE材料的力學(xué)取向。文獻(xiàn)[20]研究了在不同溫度條件下機(jī)械應(yīng)力對電纜絕緣中水樹生長的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電纜溫度升高時，施加有機(jī)械應(yīng)力的絕緣材料更容易發(fā)生力學(xué)取向，使得水樹枝傾斜生長，且沿著取向方向，水樹枝生長速率明顯提高。

1.1.4 絕緣材料對水樹老化的影響

XLPE電纜絕緣材料的交聯(lián)度和結(jié)晶度等也會對水樹的生長有影響。文獻(xiàn)[21]表明，交聯(lián)度的提升可以使電纜的耐水樹枝能力顯著提高。文獻(xiàn)[22]表明，雖然交聯(lián)反應(yīng)會使XLPE材料的結(jié)晶度下降，但反應(yīng)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也會限制水樹生長，且相比于結(jié)晶度，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對水樹的影響更明顯。文獻(xiàn)[23]深入研究了交聯(lián)度和結(jié)晶度對水樹生長的作用機(jī)制，結(jié)果表明，在0～90%交聯(lián)度范圍內(nèi)，水樹的生長是交聯(lián)和結(jié)晶共同作用的結(jié)果。交聯(lián)度在0～80%內(nèi)，交聯(lián)度起著主要影響作用，交聯(lián)度越高，水樹的尺寸越小；但當(dāng)交聯(lián)度高于80%時，結(jié)晶度對水樹的影響將大于交聯(lián)度，水樹尺寸隨著結(jié)晶度的下降而增加。

1.2 電樹老化

電纜絕緣中的雜質(zhì)、氣泡或突起等缺陷會造成局部電場集中而導(dǎo)致局部電擊穿，形成樹枝狀放電通道，業(yè)界學(xué)者將這種現(xiàn)象稱為電樹老化[24-25]。電樹枝從引發(fā)到生長是一個十分復(fù)雜的電腐蝕現(xiàn)象，電纜狀態(tài)、介質(zhì)種類、微觀結(jié)構(gòu)等都會對其產(chǎn)生影響。電樹枝一旦形成，就會在電場的作用下不停地發(fā)展，直到完全擊穿絕緣層，形成貫穿的放電路徑[26]，使交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層失去原有的絕緣能力，最終導(dǎo)致停電等運(yùn)行事故。絕緣被擊穿的時間并不固定，從幾微秒到幾個月都有可能，但無論多長時間，電纜絕緣被擊穿之前都會產(chǎn)生電樹枝[27]。

電樹枝的引發(fā)和生長過程與很多因素有關(guān)，外加電壓和頻率、溫度、機(jī)械應(yīng)力、空間電荷等因素都會對其造成影響。

1.2.1 電壓對電樹枝的影響

XLPE電纜在運(yùn)行時，一直處于變化的交流電壓下，不同的電壓類型對于電樹枝的引發(fā)和發(fā)展有著顯著影響。

文獻(xiàn)[28]研究發(fā)現(xiàn)電樹的起始電壓與升壓速率有關(guān)，且兩者呈負(fù)相關(guān)，升壓速率越快，電樹枝的起始電壓就越低，更易產(chǎn)生電樹枝，需要注意的是，在負(fù)極性直流電壓下電樹的起始電壓較高。對電纜施加不同的電壓直至絕緣被擊穿，獲得電樹枝擊穿通道的形態(tài)不一樣[29]，產(chǎn)生枝狀電樹枝的電纜絕緣最快被擊穿，其次是密枝狀電樹枝，最后是叢狀電樹枝。隨著外施電壓的增大，電樹枝的引發(fā)時間縮短，電纜絕緣的擊穿時間減少，電樹枝的平均生長速度減慢。

外施電壓頻率也會對電樹枝的生長結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，文獻(xiàn)[30]發(fā)現(xiàn)在低頻下存在三類電樹枝，分別為枝狀、枝狀與叢林混合狀以及純叢林狀電樹枝；而在高頻作用下，電纜絕緣只能生成稠密枝狀電樹枝。

雖然在恒定的直流電場下[31]，XLPE絕緣表現(xiàn)出相當(dāng)好的性能，電樹枝的引發(fā)電壓較高，生長速度緩慢，但如果將電纜接地或?qū)ζ涫┘用}沖電場，則有可能使其在較低的電壓下產(chǎn)生電樹枝[32]。

以往研究表明，接地條件下，直流預(yù)壓的時間和電樹枝的引發(fā)率關(guān)聯(lián)不大，但極性卻對電樹枝的生長狀況有著很大的影響。當(dāng)外部條件相同時，正極性直流電場下電樹枝的引發(fā)率和平均生長速度均大于負(fù)極性，且電樹枝的生長速度會隨著直流電壓的增加而表現(xiàn)出明顯的增大趨勢[33]。

若外施電場為交流疊加沖擊電壓，當(dāng)預(yù)加的交流電壓小于且單獨(dú)作用下電樹枝起始電壓的40%時，XLPE中電樹的沖擊起暈電壓僅由所加的沖擊電壓決定，與交流電壓無關(guān)；但當(dāng)交流電壓上升至閾值以上時，沖擊起暈電壓就會隨著所加交流電壓的增加而減小[34]。

1.2.2 溫度對電樹枝的影響

文獻(xiàn)[35]表明，電樹枝的生長速度與溫度整體呈正相關(guān)，但是在負(fù)極性直流電壓的作用下，只有當(dāng)溫度達(dá)到90℃后，電樹枝的引發(fā)速率才會隨著溫度的升高而加快；而在正極性電場下沒有閾值，電樹枝生長速度隨著溫度上升而增加。此外，電樹枝的引發(fā)時間也與溫度有關(guān)，溫度越高，電樹枝越容易被引發(fā)，如果電纜運(yùn)行溫度超過110℃，則在很短時間的電場作用下也會產(chǎn)生電樹枝[36]。而在低溫環(huán)境下，電纜絕緣中電樹枝的生長速度受到抑制，且溫度越低抑制作用越明顯[37]，隨著電樹枝的生長，溫度對電樹枝的抑制作用也會增強(qiáng)[38]。

1.2.3 機(jī)械應(yīng)力對電樹枝的影響

電樹枝生長與交聯(lián)聚乙烯電纜中的機(jī)械應(yīng)力也有關(guān)系。文獻(xiàn)[39]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷過機(jī)械壓力作用的交聯(lián)聚乙烯的電樹枝起始電壓低于沒有經(jīng)歷過機(jī)械壓力作用的交聯(lián)聚乙烯，同時電樹枝的引發(fā)時間也縮短。機(jī)械應(yīng)力的存在使得交聯(lián)聚乙烯中部分分子的化學(xué)鍵被物理應(yīng)力拉伸變形或者斷裂，導(dǎo)致原有交聯(lián)聚乙烯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變了其原有的電氣性能。

文獻(xiàn)[40]研究發(fā)現(xiàn)與不存在機(jī)械應(yīng)力的交聯(lián)聚乙烯相比，尖端周圍存在機(jī)械應(yīng)力的交聯(lián)聚乙烯中電樹枝引發(fā)時間更短，生長速度更快。當(dāng)存在內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力時，低頻狀態(tài)下的電樹枝部分具有類似松枝狀的結(jié)構(gòu)，高頻狀態(tài)下則均為稠密枝狀結(jié)構(gòu)；如果不存在內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力，則電樹枝通常為枝狀或枝狀加叢林狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

1.2.4 空間電荷對電樹枝的影響

空間電荷對于電樹枝的引發(fā)起著主要作用。外施電壓的極性和頻率都會對空間電荷的產(chǎn)生、分布、運(yùn)動造成影響。在外施電場作用下，電纜絕緣被注入空間電荷，空間電荷能夠削弱針尖處的最大電場強(qiáng)度，該作用隨著空間電荷含量的增加而增加，此外，空間電荷產(chǎn)生的電場也隨其密度的增加而增加，當(dāng)空間電荷積累到一定程度時，會在變動電壓的作用下短時間內(nèi)快速釋放，引發(fā)電樹枝。根據(jù)這一推斷，可以解釋電樹枝引發(fā)的許多實(shí)驗結(jié)果。研究空間電荷的形成、分布、運(yùn)動規(guī)律是進(jìn)一步定量研究電樹枝引發(fā)機(jī)理的關(guān)鍵[41]。

1.2.5 其他因素對電樹枝的影響

電樹枝的影響因素還包括氣壓和納米顆粒填充等。文獻(xiàn)[42]研究了局部氣壓對XLPE電纜電樹枝生長特性的影響，結(jié)果表明，在低溫下，氣壓變化對電樹枝的引發(fā)無明顯作用，且氣壓的升高會抑制電樹枝的生長；在高溫下，氣壓的變化促進(jìn)了電樹枝的引發(fā)與生長。

不同的納米顆粒填充對電樹枝的影響也不同，文獻(xiàn)[43]研究發(fā)現(xiàn)在正極性電壓下添加納米MgO顆?？梢宰璧K針尖處同極性電荷的注入與抽出，進(jìn)而阻礙電樹枝的引發(fā)。納米顆粒填充對電樹枝的影響未來可以應(yīng)用到抗電樹電纜絕緣材料的研究開發(fā)上。

2 實(shí)驗室條件下的絕緣老化試驗

為了便于在短時間內(nèi)獲取電纜絕緣老化數(shù)據(jù)，研究其老化規(guī)律，需要在實(shí)驗室內(nèi)進(jìn)行加速電纜絕緣老化的試驗，加速老化試驗的難點(diǎn)在于將實(shí)驗室條件下電纜的壽命與運(yùn)行條件下的壽命相關(guān)聯(lián)[44]。目前研究者仍然無法完全了解絕緣老化的根本機(jī)理，很難在實(shí)驗室對絕緣實(shí)際老化過程進(jìn)行模擬再現(xiàn)，而且有些外界環(huán)境條件很難用物理量進(jìn)行表征。

2.1 水樹老化試驗

在自然條件下，水樹的生長過程十分緩慢，為了加速得到XLPE電纜絕緣中的水樹，需要在電纜絕緣中培養(yǎng)水樹。實(shí)驗室往往通過水針電極法來制造人工缺陷，即在電纜表面采用針扎等方法制造缺陷，然后將其放入溶液中培養(yǎng)水樹。近年來，盡管關(guān)于水樹老化的研究不斷加深，但加速水樹老化的基本方法還是相同的。

對于電纜絕緣層的切片樣本，可以直接在表面制造缺陷，然后將其浸沒在水中，通過加壓來實(shí)現(xiàn)老化[45]；對于塊狀的絕緣層樣本，常用的方法就是水針法，即在樣本上鉆孔，在中間插入電極進(jìn)行老化[46]；對于直接截取的有一定長度的電纜樣本，則需剝離外部鎧裝，在電纜絕緣層上通過針刺來制造缺陷，然后將其浸入一定濃度的NaCl溶液中，并在纜芯端加壓，達(dá)到加速水樹老化的目的[47]；對于不易浸入溶液中的電纜，可采用注射的方法，將裝有NaCl溶液的注射器倒插入電纜絕緣層的缺陷中，在纜芯端加壓，注射器針頭并聯(lián)接地[48]。這些方法都是利用了缺陷導(dǎo)致電場畸變的原理，在電場和溶液的共同作用下加速水樹枝的生長。

文獻(xiàn)[49]在水針電極法的基礎(chǔ)上，采用熱循環(huán)和熱沖擊分別對XLPE材料進(jìn)行處理，使用顯微鏡對水樹枝的尺寸形態(tài)進(jìn)行觀測，統(tǒng)計其引發(fā)率，同時對其力學(xué)性能和交聯(lián)度進(jìn)行測定，結(jié)果表明，經(jīng)過熱處理的XLPE電纜力學(xué)性能明顯下降，水樹枝的尺寸變大。

對于縮短水樹培養(yǎng)的時間，水針電極法是目前應(yīng)用較多的一種方法，但也存在不足之處。首先，大多數(shù)針頭的材質(zhì)是金屬，電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)較高，因此在電場作用下，針尖位置容易產(chǎn)生電樹枝，導(dǎo)致電纜絕緣被擊穿，試驗失敗。其次，針扎過程中會對周邊材料產(chǎn)生機(jī)械擠壓，使其產(chǎn)生微小空隙，即使拔出針頭，殘余的機(jī)械應(yīng)力也會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，針扎的深度和斜度很難精確控制，致使水樹枝的形態(tài)差異較大，實(shí)驗室環(huán)境下制造的水樹多為單株，與實(shí)際情況中成片的水樹有一定差異。最重要的是，實(shí)際運(yùn)行的電纜絕緣中幾乎不存在這么大的針尖缺陷[50]。

文獻(xiàn)[51]拋棄了傳統(tǒng)的利用針扎來制造缺陷的方法，使用砂紙打磨剝?nèi)グ雽?dǎo)體外屏蔽電纜的主絕緣表面制造缺陷作為引發(fā)水樹枝的起點(diǎn)，并施加高頻高壓加速培養(yǎng)水樹，以水樹的生長速率來反映電纜的老化程度。

對于砂紙打磨產(chǎn)生的缺陷，尺寸較小，距離具有一定的隨機(jī)性，更符合實(shí)際情況。此外，還能較大程度地避免水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化造成絕緣碳化，以及針尖對絕緣的殘余機(jī)械應(yīng)力影響，同時培養(yǎng)出的水樹形態(tài)也更多樣，既有單株也有連成一片的水樹，更符合實(shí)際運(yùn)行過程中的形貌和特征，有助于進(jìn)一步研究水樹枝的形成機(jī)制。

為了進(jìn)一步加快水樹的老化，不斷有學(xué)者在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合水樹產(chǎn)生的影響因素，還可以通過控制某一因素達(dá)到加速老化的目的，如水-熱聯(lián)合老化、改變加壓頻率、改變離子濃度等，這些都可以根據(jù)實(shí)際試驗情況進(jìn)行調(diào)整。

2.2 電樹老化試驗

目前絕大多數(shù)對電樹枝的引發(fā)與生長特性的研究都是在實(shí)驗室中進(jìn)行的。實(shí)驗室中為了加快電樹枝的引發(fā)與生長，一般采用在電纜絕緣材料中人為制造明顯缺陷的方法。電樹枝引發(fā)實(shí)驗中所采用的電極結(jié)構(gòu)根據(jù)研究目的和對象的不同也有所不同，常用的有針-板結(jié)構(gòu)和短電纜結(jié)構(gòu)。

其中，針-板結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，文獻(xiàn)[52]在電纜絕緣試樣加熱狀態(tài)下，將涂有一層聚乙烯的針電極直接插入剝除的電纜絕緣層中，與電纜的線芯構(gòu)成電極系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)可以更加方便地觀測到電樹枝的生長過程，且更易操作；文獻(xiàn)[53]首先將針電極放在兩個片狀材料之間，通過加壓加熱得到帶針試樣，針電極和地電極之間存在高低差，這種結(jié)構(gòu)下的針電極可以更緊密地貼合材料，但實(shí)施工藝較復(fù)雜，對材料和針電極的要求也更高。針-板電極結(jié)構(gòu)中，電場方向與板電極垂直，并不符合電纜實(shí)際運(yùn)行過程中的電場分布，因此試驗結(jié)果有一定誤差。

與針-板結(jié)構(gòu)不同，短電纜結(jié)構(gòu)的試樣采用實(shí)際電纜。文獻(xiàn)[54]通過將金屬針插入聚乙烯電纜中來制造缺陷，模擬電樹老化時的電場應(yīng)力集中，并且使用充油電極系統(tǒng)來平衡試樣兩個端頭的壓力，防止在電纜表層出現(xiàn)局部放電。使用實(shí)際電纜來模擬電樹枝老化現(xiàn)象，其電場分布與針-板結(jié)構(gòu)相比更符合實(shí)際情況，因此短電纜結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果更真實(shí)可信，但該方法不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，只能在試驗后觀測電樹枝的生長情況。

早期加速電老化試驗多通過對電纜樣品施加不同條件的電壓來獲取電纜老化信息。文獻(xiàn)[55]對高壓直流電纜切片在高直流電場下進(jìn)行電老化試驗，結(jié)果表明隨著電老化程度的加深，樣品內(nèi)較淺陷阱向較深陷阱轉(zhuǎn)變，并得到了老化程度與陷阱密度、陷阱深度的關(guān)系。隨著電樹老化機(jī)理研究的深入，不少研究者通過施加多種不同方式的外界應(yīng)力來加快絕緣內(nèi)部電樹生長，從而獲取絕緣缺陷在老化過程中對電纜造成的破壞。相對于單純對電纜樣品施加電應(yīng)力進(jìn)行老化，通過扎針等方式對電纜造成一定的人工缺陷，更能夠在短時間內(nèi)獲取老化結(jié)果。

文獻(xiàn)[56]研究表明，XLPE電纜絕緣中電樹枝的引發(fā)場強(qiáng)隨缺陷尖端半徑的減小而增大，但兩者并不是呈線性變化，達(dá)到一定的閾值后，曲率半徑再減小，引發(fā)場強(qiáng)便不再增大。文獻(xiàn)[57]考慮了線芯直徑、缺陷尺寸和絕緣厚度分布等因素，研究發(fā)現(xiàn)缺陷尺寸分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差也會對電樹枝的引發(fā)造成影響，減小這兩項數(shù)值，會使電纜絕緣耐電樹枝起始的可靠性得到提高，其中又以減小標(biāo)準(zhǔn)差起到的作用更大。

2.3 老化試驗對電纜的影響

除了了解如何在實(shí)驗室條件下加速老化之外，還應(yīng)該了解老化試驗會對電纜帶來怎樣的影響。

文獻(xiàn)[58]針對實(shí)際運(yùn)行10年以上的退役高壓電纜，以DSC方法對其絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于全新的電纜，退役電纜由于在運(yùn)行過程中受到電、熱以及氧的聯(lián)合作用，其熔程變寬，材料的結(jié)晶度、晶體大小和尺寸分布均發(fā)生改變，晶體結(jié)構(gòu)的完整性下降。反映到宏觀力學(xué)性能上，即表現(xiàn)為絕緣材料的交聯(lián)度、斷裂能、彈性模量等均降低，而斷裂強(qiáng)度略有增加。

文獻(xiàn)[59]研究了加速水樹老化試驗和電老化試驗對交聯(lián)聚乙烯絕緣材料理化性能的影響。試驗結(jié)果表明，兩種試驗樣品中的羰基指數(shù)均隨著老化程度的增加而增大，其中水樹老化試驗樣品的生長速率更快。對于絕緣的結(jié)晶度，電老化試驗樣品先升高后降低，而水樹老化試驗樣品則呈下降趨勢。此外，老化使得兩種樣品的熱穩(wěn)定性都變差。

文獻(xiàn)[60]研究了加速老化對交聯(lián)聚乙烯絕緣材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明，在整個測試期間，交聯(lián)度的值幾乎恒定；拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和結(jié)晶度隨時間延長而降低；電應(yīng)力和熱應(yīng)力的強(qiáng)度越大，觀察到的老化程度越大；在實(shí)驗室條件下，短期的水樹老化會影響電纜的結(jié)晶度，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等特性沒有明顯變化；電纜加速老化約3 000 h時，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率仍處于標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

XLPE絕緣的擊穿電壓會隨著樣品厚度的增加而增加，但其關(guān)鍵的影響因素可能是體積而不是厚度[61]。文獻(xiàn)[62]研究了熱處理對水樹老化XLPE絕緣的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣樣品經(jīng)過熱老化后，材料中產(chǎn)生大量微孔，力學(xué)性能下降，晶體尺寸增加且不均勻化。文獻(xiàn)[63]通過將針嵌入電纜絕緣的方式制造電樹，施加高頻電壓進(jìn)行測試。局部放電測量結(jié)果表明，除了溫度和機(jī)械應(yīng)力對擊穿時間有一定影響之外，空間電荷在決定電樹的形狀和絕緣擊穿時間方面起著主導(dǎo)作用。

3 電纜的檢測方法

一旦電纜絕緣出現(xiàn)老化，會使整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生隱患，為保證電纜運(yùn)行過程中的安全可靠，應(yīng)當(dāng)及時判斷電纜絕緣的劣化程度，識別缺陷點(diǎn)的位置，以進(jìn)行合適的維修或者更換。因此電纜的絕緣監(jiān)測是必不可少的。

目前對于中低壓電纜的檢測技術(shù)有離線和在線兩種方式[64]，而對于更高電壓等級的電纜，則僅采用離線方式[65]。國內(nèi)外研究單位[66-68]提出了多種對于XLPE電纜狀態(tài)監(jiān)測與絕緣性能檢測的方法，如表1所示。

表1 檢測方法分類Tab.1 Classification of detection methods

根據(jù)以往的統(tǒng)計結(jié)果，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行過程中的故障率與運(yùn)行時間有關(guān)，不同階段具有不同的特征，如圖1所示[69]，在運(yùn)行的前1～5年為早期失效期，主要損壞原因是生產(chǎn)和鋪設(shè)時所引入的缺陷；投入使用后的5～25年為意外故障階段，該階段的故障率較低，主要損壞原因是外部環(huán)境所導(dǎo)致的電纜絕緣老化；電纜運(yùn)行25年以上進(jìn)入絕緣老化期，電纜絕緣的老化會導(dǎo)致電纜性能下降。

圖1 電纜運(yùn)行時間圖Fig.1 Cable running time chart

在不同的時期，適用的絕緣檢測方法不同，早期的故障是由質(zhì)量缺陷引起的，更適合采用絕緣耐壓試驗，并結(jié)合局部放電試驗；在意外故障階段，則更多采用在線監(jiān)測方法，如溫度監(jiān)測、護(hù)層電流監(jiān)測等，輔以基于介電特性的檢測方法；在絕緣老化期，電纜絕緣材料整體的性能和結(jié)構(gòu)都顯著劣化，此時可采用微觀形貌觀測法和基于陷阱特性的檢測方法。

3.1 耐壓試驗

直流耐壓試驗適用于檢測比較明顯的缺陷，缺點(diǎn)是在試驗過程中，容易使電纜中空間電荷的含量增加；交流耐壓試驗為離線檢測，針對輕微缺陷的效果更好，缺點(diǎn)是會造成電纜絕緣狀況惡化，且檢測設(shè)備的質(zhì)量和體積較大，很難移動；變頻諧振耐壓試驗主要適用于絕緣中出現(xiàn)空隙，以及施工不當(dāng)導(dǎo)致的殘留缺陷，若絕緣中產(chǎn)生電樹枝，則不能使用該方法；0.1 Hz超低頻電壓耐壓試驗為離線檢測，針對電纜整體的絕緣情況，缺點(diǎn)是時間長，可能導(dǎo)致新的缺陷產(chǎn)生，損傷電纜；千赫茲級振蕩波電壓耐壓試驗主要針對局部缺陷，是離線檢測，與交流電的等效性好，檢測時間短且不會形成新的缺陷，并已有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 在線監(jiān)測試驗

局部放電試驗：該方法針對整體電纜，通過監(jiān)測電纜的局部絕緣材料是否發(fā)生非貫穿性的放電現(xiàn)象即局部放電，并進(jìn)行特征提取和分析，從而判斷是否存在局部缺陷，進(jìn)而分析電纜的絕緣老化情況。該方法具有較為完整的測量方法，被認(rèn)為是目前電纜絕緣狀態(tài)評估的最佳方法，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛[70]。但目前故障點(diǎn)定位的效果仍不理想，提高傳感器的靈敏度、加強(qiáng)抗干擾技術(shù)、抑制噪聲，是推廣局部放電試驗方法應(yīng)用的關(guān)鍵。

護(hù)層電流監(jiān)測：主要適用于金屬護(hù)套破損、腐蝕、交叉互聯(lián)箱進(jìn)水等電纜外絕緣的故障監(jiān)測，但由于多回路電纜鋪設(shè)方式增多，測量的電壓與電纜型號、線路長度、排列方式、負(fù)載電流、周邊環(huán)境等因素都有關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，護(hù)層電流的獲得方法與電纜絕緣情況的對應(yīng)關(guān)系仍亟待研究。

溫度監(jiān)測法：用于局部及整條電纜的溫度監(jiān)測。電纜正常工作的溫度最高為90℃，通過監(jiān)測電纜的運(yùn)行溫度，可獲得載流量信息及局部溫度變化。目前分布式光纖測溫技術(shù)（DTS）可實(shí)時在線監(jiān)測電纜的溫度，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對于異常溫度變化點(diǎn)位置的定位準(zhǔn)確且靈敏，能有效記錄溫度的變化趨勢，缺點(diǎn)是需提前將光纖布置在電纜內(nèi)，且容易受到周圍環(huán)境溫度和濕度的影響。

3.3 基于介電特性的檢測方法

介質(zhì)損耗因數(shù)法：絕緣體泄漏電流和電纜電壓之間的相位差δ又叫做介質(zhì)損耗角，通過計算介質(zhì)損耗角正切值得到電纜絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ，tanδ與電纜老化程度成正比，tanδ越小代表電纜的絕緣性能越好，當(dāng)tanδ>1%時，可以認(rèn)為絕緣不良。該方法的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍較廣，使用時不需要考慮電纜的電壓等級，能有效預(yù)防工頻信號和外界雜散電流的干擾，測量結(jié)果精準(zhǔn)。缺點(diǎn)是只能反映電纜絕緣的整體老化情況，對局部缺陷反應(yīng)不靈敏，且對檢測設(shè)備的精準(zhǔn)度要求較高。

直流疊加法：將低壓直流電源與接地電壓互感器的中性點(diǎn)相串聯(lián)，在電路中疊加直流電壓，測量流經(jīng)電纜絕緣的直流電流，判斷絕緣老化情況。該方法可針對整體電纜，優(yōu)點(diǎn)是可以有效消除單向雜散電流對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成的影響，有較強(qiáng)的抗干擾性；缺點(diǎn)是只能用于評估絕緣的老化狀況，與電纜的剩余使用年限沒有直接聯(lián)系，而且只適用于低壓系統(tǒng)，無法檢測高壓系統(tǒng)中較小的直流分量。

直流分量法：將微電流測量裝置接入電纜接地線，通過測量電纜接地線中泄漏電流的直流分量來反映電纜的水樹老化情況。直流分量越大則表示電纜絕緣中水樹越嚴(yán)重。該方法的優(yōu)點(diǎn)是比較安全，測量時不與帶電的電纜線芯相接觸，且不需要連接其他電源；缺點(diǎn)是只能根據(jù)直流分量的變化來判斷絕緣是否發(fā)生老化，需要積累大量的數(shù)據(jù)，而且由于電纜屏蔽層對地電勢的影響，干擾很大，檢測精度不高。

交流疊加法：原理是將101 Hz的交流電壓疊加到已施加電壓上，通過對產(chǎn)生的1 Hz特性的電流信息進(jìn)行分析，得到電纜絕緣的老化情況。該方法針對整體電纜，優(yōu)點(diǎn)是檢測過程簡便易操作，抗干擾性強(qiáng)且檢測精度高，缺點(diǎn)是缺乏實(shí)際工程應(yīng)用和評估標(biāo)準(zhǔn)。

絕緣電阻法：由于電纜老化后形成的集中導(dǎo)電通道會使絕緣電阻明顯減小，傳導(dǎo)電流明顯增大，而暫態(tài)的吸收電流迅速減弱，因此線纜絕緣的老化程度能夠利用上述數(shù)據(jù)的變化規(guī)律來表達(dá)。該方法針對整體電纜絕緣，優(yōu)點(diǎn)是目前已有相關(guān)評估標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是無法反映局部劣化情況。

3.4 基于陷阱特性的檢測方法

空間電荷法：當(dāng)電纜絕緣發(fā)生老化后，材料中的陷阱密度會發(fā)生變化，被陷阱捕獲的自由電荷會形成空間電荷，而絕緣中空間電荷的分配也會發(fā)生變化，該方法就是根據(jù)這些變化來判定電纜的老化程度，主要反映電纜整體老化情況，缺點(diǎn)是目前尚未形成統(tǒng)一的測試方法及診斷標(biāo)準(zhǔn)。

熱刺激電流法：在直流電壓的施加過程中，一部分電荷會被絕緣內(nèi)的陷阱捕獲，而光、熱等外界激勵能使被捕電荷從陷阱中脫陷，通過外界或者自建電場的作用形成電流或衰減的電位，對其加以整理分析，可提取到試樣的陷阱參數(shù)，并以此來反映電纜整體老化情況。

電流積分法：施加電壓，使用積分電容器來檢測樣品中的電荷特性，測量分析絕緣材料中的電荷含量和運(yùn)輸參數(shù)等電荷動態(tài)特性變化與試樣絕緣狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，以此來反映絕緣老化情況。該方法對于片狀試樣和整體電纜同樣適用，反映的是電纜整體老化狀態(tài)，目前尚無統(tǒng)一的診斷標(biāo)準(zhǔn)。

極化/去極化電流法（PDC）：XLPE電纜發(fā)生老化時，絕緣內(nèi)部會產(chǎn)生新的陷阱，流經(jīng)該區(qū)域的電流在極化/去極化電流測試中會發(fā)生改變。通過對電纜進(jìn)行多次連續(xù)的PDC測試，統(tǒng)計分析其電導(dǎo)率變化情況，能夠掌握電纜絕緣材料的介電特性和老化程度。該方法是一種無損檢測方法，針對片狀試樣和整體電纜皆可，能夠較準(zhǔn)確地反映電纜的劣化程度，但無法準(zhǔn)確判斷出老化的具體類型，目前已有判斷依據(jù)和診斷標(biāo)準(zhǔn)。

4 預(yù)防和修復(fù)方法

針對XLPE電纜絕緣中的水樹老化和電樹老化問題，未來的預(yù)防和修復(fù)方法主要有以下幾種：

（1）在電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，可采取措施改變交聯(lián)方式來預(yù)防老化的產(chǎn)生。該方法通過抑制引發(fā)的必要生長條件來達(dá)到預(yù)防老化的目的，例如，對于水樹枝，為了降低電纜絕緣層的水分含量、微孔數(shù)量及尺寸，可以將交聯(lián)方式從濕法改為干法；對于電樹枝，可以在基體結(jié)構(gòu)上通過控制聚合物的結(jié)晶度和球晶尺寸來限制其發(fā)展。

（2）在制造工藝上，可采取對材料進(jìn)行超凈化處理的措施，消除局部的電場集中。在電纜的擠出過程，可采用“三層共擠”工藝，同時擠出電纜的絕緣層和絕緣屏蔽層，減少界面微孔缺陷，防止絕緣層與外界雜質(zhì)相接觸。此外，絕緣后處理工藝也能起到抗水樹、電樹老化的作用，其作用原理是減少在絕緣層中的應(yīng)力殘存[71]。

（3）在電纜絕緣材料的選擇上，使用抗水樹交聯(lián)聚乙烯（TR-XLPE），或改變絕緣材料的性質(zhì)以防止水分在電場的作用下進(jìn)行遷移，從而抑制水樹生長[72]；對于電樹枝，可以使用乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）改性XLPE電纜，減少絕緣中空間電荷的積累，以達(dá)到降低電樹枝形成概率的目的[73]。

（4）針對已經(jīng)產(chǎn)生老化的電纜，可以使用絕緣修復(fù)技術(shù)，主要方法是向電纜線芯中注入絕緣修復(fù)液。對于水樹老化，第一代修復(fù)技術(shù)主要是采用含有硅烷和催化劑的修復(fù)液體，當(dāng)其滲透到絕緣層后，會與水樹區(qū)域中的水發(fā)生反應(yīng)形成有機(jī)聚合物，填充水樹空腔，以實(shí)現(xiàn)絕緣修復(fù)[74]，該技術(shù)能將老化電纜的壽命延長10～15年，但中長期使用效果并不好且修復(fù)效率不高。在此基礎(chǔ)上，第二代修復(fù)技術(shù)進(jìn)一步考慮了更多外界因素的影響，如電場、應(yīng)力、紫外光和局部放電等，在絕緣修復(fù)液中添加有機(jī)成分，使得修復(fù)效果和修復(fù)效率得到提升[75]。但對于電樹老化，由于絕緣材料的碳化損傷等是不可逆的，無法完全進(jìn)行修復(fù)，但修復(fù)液也可以起到抑制電樹枝引發(fā)的作用，預(yù)防電纜絕緣中水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)換，提升老化電纜的抗電樹性能。另外，還可以通過添加電壓穩(wěn)定劑，例如苯偶酰類電壓穩(wěn)定劑、噻噸酮類電壓穩(wěn)定劑等來延緩電樹枝的生長[76]。此外，還有基于納米顆粒復(fù)合填充的修復(fù)技術(shù)，能夠增強(qiáng)電纜的絕緣性能[77]。

5 結(jié)束語

電纜絕緣的狀態(tài)會影響整個供電系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。學(xué)者們從多種因素的綜合作用來考慮，根據(jù)實(shí)驗室條件下的電纜絕緣老化試驗，開發(fā)出許多物理模型和模擬方法，并將他們投入到對電纜絕緣狀態(tài)的研究與檢測中，目前已取得了一定成果。

在電纜的在線監(jiān)測方面，目前已經(jīng)可以滿足對電纜各種絕緣參數(shù)的檢測和評估，但仍存在著研究對象的電壓等級單一、運(yùn)行年限較短、試驗次數(shù)較少等問題，所得數(shù)據(jù)和結(jié)論缺乏說服力和代表性，因此投入實(shí)際運(yùn)行的在線監(jiān)測產(chǎn)品并不多見。此外，多數(shù)研究僅針對中低壓電纜，對于110 kV及以上的XLPE電纜缺乏足夠的數(shù)據(jù)支持，尤其是現(xiàn)場條件下與實(shí)驗室條件下電纜絕緣老化結(jié)果的對比。但局部放電檢測和在線監(jiān)測仍是主要方向，未來可以在以下幾點(diǎn)展開研究：

（1）針對XLPE電纜中的水樹，可以通過改變交聯(lián)方式、增加電纜絕緣材料與絕緣屏蔽層的隔絕性、抑制水分在電場下的遷移、填充水樹區(qū)域等方式進(jìn)行抑制和解決。

（2）除了掌握樹枝的生成原因和機(jī)理之外，未來的研究應(yīng)側(cè)重于對實(shí)際運(yùn)行電纜的在線無損監(jiān)測。借助電纜絕緣在線監(jiān)測的實(shí)踐經(jīng)驗和研究數(shù)據(jù)，結(jié)合多種檢測手段來適應(yīng)不同環(huán)境，有效定量地分析電纜的可靠性，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，分析電纜老化的趨勢，發(fā)展在線的、非破壞性的、更加直觀的檢測手段。

（3）需要考慮提取方法、試樣來源及規(guī)格、測試環(huán)境等外部條件的不相同，進(jìn)一步積累大量數(shù)據(jù)，建立常用試驗參數(shù)與電纜絕緣老化程度之間的關(guān)聯(lián)，并提供每種方法評估的判據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)。

（4）水樹枝和電樹枝存在時，都伴隨著絕緣材料局部介電性能的改變，將該部分特征參數(shù)的變化規(guī)律應(yīng)用到電纜絕緣監(jiān)測技術(shù)上，也是未來研究的方向。此外，將該技術(shù)與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化的檢測，克服各種監(jiān)測手段單一使用的局限性，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，積累操作經(jīng)驗，建立相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是未來發(fā)展的迫切需求。