交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣診斷技術(shù)研究

鄭小虎

（國網(wǎng)荊州供電公司，湖北 荊州 434000）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)用電、居民用電的需求逐漸增加，電力行業(yè)的重要作用愈加明顯，對電力領(lǐng)域的上游、下游企業(yè)也提出了更高的要求。在供配電系統(tǒng)中，電力電纜的應(yīng)用較為廣泛。其類型主要包括交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜、橡膠電纜、油浸式電纜等，這些電纜的主要區(qū)別是其絕緣材料的不同而導(dǎo)致其電氣性能差異。其中，XLPE 電纜因其具有較長的使用壽命、易于安裝并且在電力輸送方面具有高性能等優(yōu)點(diǎn)在城市配電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。

實(shí)際運(yùn)用中XLPE 電纜在運(yùn)輸及安裝過程中易受到機(jī)械外力帶來的損傷。不僅如此，XLPE 電纜在施工時也常因不規(guī)范操作而致使其過早退役，如過度彎曲、表皮刮傷、電纜接頭部分破損等。除此之外，XLPE電纜由于存在敷設(shè)線路長，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，容易受到溫度、濕度、機(jī)械外力、化學(xué)成分腐蝕絕緣材料等外部因素的影響，致使其絕緣材料的性能下降，嚴(yán)重時可能發(fā)生較大的電力事故。據(jù)文獻(xiàn)記載，電纜絕緣材料老化是電纜退役的主要原因，電纜絕緣內(nèi)部由于多種復(fù)雜因素出現(xiàn)水樹，水樹不斷生長最終導(dǎo)致絕緣失效，因此如何診斷XLPE 電纜的絕緣情況極為重要。

針對XLPE 電纜絕緣老化診斷國內(nèi)外已開展大量研究。其中，利用拉升度對電纜進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度測試判斷其老化程度，但此方法對電纜本體造成永久損傷，因此類似于拉力等理化試驗(yàn)并不適用于現(xiàn)場無損診斷。近些年來，基于介質(zhì)響應(yīng)理論的無損檢測技術(shù)被廣泛使用，電介質(zhì)在外電場的作用下，會產(chǎn)生電介質(zhì)電導(dǎo)和極化現(xiàn)象，利用介電響應(yīng)技術(shù)可將介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與宏觀介電參數(shù)聯(lián)系起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)絕緣老化狀態(tài)的有效評估。目前，以極化/去極化電流（PDC）法和頻域介電譜法為代表的介電響應(yīng)技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于XLPE 電纜的絕緣診斷。

1 交聯(lián)聚乙烯電纜老化機(jī)理及絕緣診斷方法

1.1 交聯(lián)聚乙烯電纜老化機(jī)理

交聯(lián)聚乙烯電纜主要由銅芯、聚乙烯絕緣層、半導(dǎo)體層、屏蔽層等組成，單相XLPE 電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于XLPE 電纜絕緣而言，聚乙烯絕緣層是其最重要的絕緣保護(hù)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際制作XLPE 電纜的過程中，由于制作工藝水平有限，聚乙烯絕緣部分難以避免混入微量污染顆粒，污染顆粒主要指交聯(lián)劑和抗氧化劑。

圖1 交聯(lián)聚乙烯電纜結(jié)構(gòu)

實(shí)際運(yùn)行中的電纜常受到溫度、水分等多種因素的影響。已有研究表明，受潮濕影響或有水樹的電纜中通常存在充水微孔隙。隨著電纜運(yùn)行年數(shù)的增加，電纜絕緣部分的水樹通道不斷擴(kuò)張，同時污染顆粒可能在電場和水樹老化的雙重的作用下逐步發(fā)生形變，聚乙烯絕緣不斷惡化。通常認(rèn)為，老化是聚乙烯內(nèi)部由電應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的變化，導(dǎo)致宏觀降解，從而失去絕緣性能。極化/去極化測試回路如圖2 所示。

圖2 極化/去極化測試回路

1.2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣診斷技術(shù)

目前，常見的電纜絕緣老化診斷技術(shù)有耐壓試驗(yàn)法、在線監(jiān)測方法、基于介電特性的檢測方法等。這些方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1 所示。本文綜合考慮試驗(yàn)要素與現(xiàn)有條件，采用介電響應(yīng)技術(shù)中的PDC法對不同服役年限的XLPE 電纜開展試驗(yàn)。

表1 電纜絕緣老化診斷方法

2 PDC 試驗(yàn)及結(jié)果

首先將運(yùn)行3 年、8 年電壓等級為10 kV 的XLPE電纜均截取5 m，分別標(biāo)記為A1、A2。隨后對樣本進(jìn)行剝皮處理，對樣本進(jìn)行切片、染色后放置于顯微鏡下觀測，發(fā)現(xiàn)A1 電纜有微量氣泡狀小孔，無水樹，而在A2 中發(fā)現(xiàn)一個水樹，其長度約為326 μm，如圖3所示。將樣品按圖2 所示的回路相連接進(jìn)行PDC 試驗(yàn)。測試結(jié)果如圖4 所示，2 條曲線擬合程度分別為0.965、0.947。

圖3 水樹照片

圖4 A1、A2 電纜極化電流

由圖4 可以看出，A2 電纜極化電流初始值明顯高于A1，10 s 內(nèi)極化電流值迅速下降，最后趨于穩(wěn)定值。隨著電纜運(yùn)行年限的增加，其受到更多外部因素影響，導(dǎo)致絕緣老化較為嚴(yán)重，其極化電流曲線呈上升趨勢。由于運(yùn)行年限較長，受水分、溫度的影響較大，其絕緣內(nèi)部水分含量可能增加，絕緣內(nèi)部缺陷增多。同時，受老化較為嚴(yán)重的電纜的絕緣內(nèi)部分子鏈斷裂并發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生少量羰基、羧基等極性基團(tuán)，最終導(dǎo)致極化電流值增加。

實(shí)驗(yàn)表明，極化/去極化電流法能夠反映交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化程度，但由于現(xiàn)場干擾因素較多，使得極化電流曲線較不平滑。交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣性能較好，其極化電流值約為10A 量級，電流值極小，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)人為走動或發(fā)聲都會對極化電流產(chǎn)生較大的波動。因此，極化/去極化電流法存在一定的局限性，在實(shí)際電纜診斷中可以結(jié)合掃頻法等多種診斷方法對交聯(lián)聚乙烯電纜實(shí)現(xiàn)綜合診斷。

3 總結(jié)

本文通過介電響應(yīng)技術(shù)中的極化/去極化法對實(shí)際運(yùn)行年限的交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行絕緣狀態(tài)診斷，結(jié)果表明，極化電流曲線隨著XLPE 電纜絕緣老化程度的加深整體上移，因此極化/去極化法可以反映電纜絕緣老化程度。在實(shí)際測試現(xiàn)場，該方法極易受到環(huán)境因素的干擾導(dǎo)致極化/去極化電流值產(chǎn)生較大波動，電纜絕緣老化診斷結(jié)果可能有一定程度的誤差，因此該方法可以輔助現(xiàn)場測量。極化/去極化電流法通過對介質(zhì)充電和放電，極化電流值反映充電過程電流的變化，而去極化電流反映介質(zhì)放電過程中的電流變化，本文僅對極化電流進(jìn)行研究，其去極化電流同樣存在豐富的信息，本文為后續(xù)開展去極化電流的分析以及深入探討電纜絕緣老化機(jī)理奠定一定的基礎(chǔ)。