配電電纜冷縮中間接頭受潮特性研究

李巍巍，張 睿，羅 洋，雷 瀟，曹曉燕，傅 堯

（1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2. 四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

交聯聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）電力電纜廣泛應用于配電網絡中[1]。由于實際運行的電纜線路長度一般較長，以及受到制造技術、敷設長度的限制，對于較長電纜線路必須使用中間接頭進行兩段電纜的可靠連接。同時，在電纜線路運行維護過程中，當電纜本體因外力、老化等因素產生嚴重局部缺陷而修補困難時，往往采用在該處制作接頭的方式盡快解決線路故障，因此，在配電網絡中存在眾多中間接頭。冷縮型中間接頭因其安裝方便、可靠性高等優點被廣泛應用于我國配電網絡中[2-3]。配電電纜通常敷設于積水的電纜溝道里或直埋于潮濕的土壤中，運行環境較為惡劣。若中間接頭安裝過程中防水措施做得不到位或者中間接頭防水性能較差，水分會在電場、熱場的作用下向中間接頭內部遷移。中間接頭內部受到水分入侵的危害，將導致絕緣性能降低，長期運行可能引發界面擊穿或者故障[4-5]。因此，在電纜發生不可逆轉的故障之前，采用有效的技術方法對電纜中間接頭受潮程度進行準確檢測至關重要，也是目前電力系統檢修的迫切需求。

電纜受潮常用的傳統測試診斷方法有絕緣電阻測試法和介質損耗因數測試法[6-7]。其中，絕緣電阻數值的大小可以直接表征電纜整體絕緣性能狀況，正常情況下，電纜整體的絕緣電阻一般在GΩ 級別以上，若電纜受潮，電纜的絕緣電阻會顯著減小，甚至降低至MΩ級別。雖然絕緣電阻測試法作為最基本的電纜絕緣性能診斷方法，能夠簡單快速地判斷電纜整體絕緣狀態，但是由于中間接頭串聯在電纜線路中，絕緣電阻測試無法辨別中間接頭受潮導致的線路絕緣電阻下降問題。介質損耗因數會隨著電纜絕緣受潮程度的加重而逐漸增大，文獻[6]基于超低頻介質損耗tanδ測試提出了新的絕緣受潮判據，進一步完善了介質損耗因數測試法的評價體系。該方法可對電纜絕緣整體受潮情況作出判斷，但仍無法明確中間接頭受潮對線路介質損耗測量的影響。近年來，隨著測試技術的發展，極化/去極化電流（polarization and depolarization current，PDC）方法因其測試回路簡單、無損測試、便于現場測試等優點在電纜系統受潮檢測方面得到了廣泛應用[8-9]。目前，PDC 方法更多地應用于水樹老化問題研究，通過提取相關特征參數對水樹老化情況進行表征。張濤等[10]基于PDC 法對電纜絕緣水樹缺陷進行了充分研究，發現電導率的非線性變化特性、低頻損耗不對稱系數[11-12]、極化-去極化時間常數不對稱系數[13]等參數可以對電纜整體及局部水樹缺陷進行表征。由于絕緣結構與本體的差異，冷縮接頭可以看做電纜線路中的“局部缺陷”，最為顯著的特點是其內部包含面積較大的交聯聚乙烯-硅橡膠（XLPE-SIR）復合界面。楊帆等[14]基于PDC 方法對實際運行電纜試樣進行了測量，通過提取極化、去極化電流，計算老化因子對電纜受潮程度進行了判斷。但水分的滲入是否會影響冷縮接頭的電容參數，從而導致冷縮接頭阻抗變化，目前尚缺乏相關研究。實際上，當電纜接頭受潮之后，一方面侵入水分的相對介電常數與冷縮接頭所用材料有很大不同；另一方面水分的存在將導致局部電場畸變，這兩方面因素將對接頭電容產生較大影響，進而改變接頭處特性阻抗，而PDC 法能夠靈敏反映電纜阻抗的變化。因此，可以通過PDC 法對電纜冷縮中間接頭界面極化特性進行研究[15]，同時尋找表征界面受潮程度的特征參數[16]。

本文首先制作相同長度帶接頭的未受潮試樣，通過加速受潮老化平臺對試樣進行受潮處理，然后采用PDC測試系統分別測試未受潮和受潮2、4、6、8周時試樣的極化/去極化電流，計算其直流電導率，再采用支路辨識得到不同支路的時間常數，最后確定能夠靈敏表征電纜中間接頭受潮的特征參數。

1 試 驗

1.1 受潮冷縮接頭試樣設置

典型的單相冷縮中間接頭結構整體由多層材料復合而成，內部包含有多個不同類型的復合界面，包括外護套、金屬屏蔽、導體屏蔽、應力錐、連接管等。試驗制作的單相冷縮接頭試樣，均采購于長纜電工科技股份有限公司，規格為JLS-8.7/10 kV×240 mm2。制作過程完全按照說明書嚴格進行，為減輕試樣質量以及便于后續解剖，最外側鎧裝帶并未進行纏繞，由于其本身主要起強化接頭力學性能作用，并不具備防水性能，該處理并不影響后續接頭受潮試驗結果。單相冷縮接頭加速受潮結構示意圖如圖1所示。

圖1 單相中間接頭加速受潮結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of single phase intermediate joint accelerated moisturization structure

制作過程略去最外側鎧裝帶以及防水膠帶的纏繞，試樣整體采用水平放置形式。在制作完冷縮接頭后，在接頭外側套入稍大口徑的熱縮管，熱縮管中間頂部開一小孔，在熱縮管兩端與電纜護套之間預先纏繞兩圈防水密封膠，對此處的熱縮管用熱風槍加熱縮小口徑，外部用緊固彈簧箍緊，以防止水分由兩側溢出，最后通過頂部小孔使用注射器注水，直至加滿管內空間，試樣兩端正常壓接電纜銅鼻子，方便測試。電纜總長1.5 m，中間采用長度為0.4 m的單相冷縮接頭進行連接。

1.2 加速受潮老化平臺搭建

在冷縮接頭試樣制作完成后，為了真實模擬電纜中間接頭的實際運行工況，采用通流方法實現電纜的冷熱循環控制[17-18]，試驗平臺設置如圖2 所示。試驗中使用的電纜其額定載流量為435 A。試驗回路由3 根如圖1 處理后的單相接頭試樣首尾兩端相互串聯組成，形成電流互感回路。為了保證各個試樣流過的電流相同，回路內的電流大小由調壓器控制，調壓器與電流互感器相連。每根電纜長度為1.5 m，中間接頭長度為0.4 m，分別標記為1#、2#和3#。3根電纜均保證可靠接地，以防止懸浮放電。電纜連接處用均壓環固定，防止電暈放電。經鉗形電流表實測，流經試驗回路電流最大可達650 A，滿足運行要求。冷熱循環周期設置為12 h 通流升溫與12 h斷流降溫，每循環2周取出試樣進行PDC測試。在PDC 測試之前將試樣冷卻至室溫，去除中間接頭處的熱縮管，并擦拭掉電纜表面水分。

圖2 單相中間接頭加速受潮試驗平臺Fig.2 Accelerated damping test platform for single phase intermediate joint

1.3 極化/去極化電流（PDC）測試

PDC 法的基本原理為通過在電介質上施加極化電壓，激發其內部產生極化及電導現象，隨后撤去電壓，極化現象逐步恢復常態，通過測量這兩個階段的極化、去極化電流可以發現電介質絕緣豐富的老化信息。由于電容電流部分衰減極為快速，PDC 測試的極化電流中主要包含有電導電流和吸收電流兩部分。

將電纜接頭絕緣視為一個整體絕緣介質，通過PDC 測試同樣可以對其絕緣內部電導、極化現象進行研究。PDC測試試樣與回路設置如圖3所示。

圖3 PDC測試回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of PDC test circuit

在PDC 測試過程中，首先高壓真空開關連接至S1 處，高壓直流電源對電纜絕緣施加直流高壓U0，此過程為試樣的極化過程。皮安表在極化過程中測量的電流為極化電流ipol。隨后高壓真空開關切換至S2 處，被測試樣兩端接地，此過程為去極化過程。此時皮安表測量的電流為去極化電流idepol。考慮到測試過程中沿面電流的影響，在試樣兩端加裝了帶有較大傘裙的終端，極大增加了表面爬電距離，有效減小了沿面電流對測試結果的干擾。

試驗時測試電極分別加于電纜纜芯和金屬屏蔽層上，對于冷縮接頭來講，雖然冷縮主體外側金屬屏蔽層缺失，但其外側緊密包覆的導電銅網與兩側金屬屏蔽層接觸良好，這為獲取中間接頭實際PDC 測試數據提供了前提條件。考慮到試樣較短（1.5 m 左右），極化電壓設置為1 kV，極化時間設置為180 s即可。PDC電流可表示為式（1）～（2）。

式（1）～（2）中：U0為恒定的極化電壓；C0為絕緣介質的幾何電容；σ為直流電導率；ε0為真空介電常數；t為測試時間；tc為施加極化電壓的時間；f(t)為介質響應函數。

直流電導率可以直接反映電纜的絕緣狀態，其計算公式如式（3）所示。

式（3）中，ave(ipol)與ave(idepol)分別為極化電流與去極化電流的平均值。

在絕緣介質中可采用一個R-C電流充放電支路模擬單一的界面極化電流，對于存在多種界面的電纜中間接頭，可通過多個R-C并聯支路模擬多種界面極化類型的充放電過程。根據擴展Debye 模型[19-20]，一般將電纜中間接頭等效為三條支路，分別用于代表不同極化/去極化時間的界面極化。擴展Debye 模型等效電路如圖4 所示。圖4 中R0為電纜絕緣電阻，C0為電纜幾何電容，R1～3和C1～3分別為三條支路的支路電阻和支路電容。三條R-C支路分別代表不同極化時間的極化類型。按從小到大排序，三條支路分別代表快速極化、中速極化、慢速極化。

圖4 擴展Debye模型等效電路Fig.4 Equivalent circuit of extended Debye model

根據電纜極化電流理論上等于去極化電流加上電導電流的特性，可以將PDC 測試系統所采集到的電纜極化、去極化電流表示為式（4）～（7）。

式（4）～（7）中：Α0為電導電流分量幅值；Αi表示起始時間時流過該R-C支路的電流大小，可以表征該RC支路所代表的極化現象強弱；τi為該R-C支路的時間常數，可以表征該R-C支路所代表的極化速度的快慢；tc為極化/去極化時間。由于電導電流Α0為一恒定值，不影響接頭試樣的支路數，為了便于計算，選擇去極化電流來計算試樣三支路的時間常數[21-23]。

2 結果與討論

2.1 極化/去極化電流

對不同受潮周期接頭試樣進行PDC 測試，結果如圖5所示。

圖5 受潮電纜中間接頭的PDC測試結果Fig.5 PDC test results of intermediate joint samples

從圖5(a)中間接頭試樣的極化電流曲線可以看出，在前6 周的受潮周期內，4 個試樣的極化電流曲線形狀比較接近，曲線變化不大。到受潮第8周時，試樣的極化電流增加較大，與前6 周受潮試樣的曲線差別較明顯。從圖5(b)中間接頭試樣的去極化電流測試曲線可以看出，前6 周受潮周期試樣的去極化電流區別不是特別明顯，達到穩態的時間較為接近，受潮8 周后試樣去極化電流達到穩態的時間明顯增大，這可能是因為接頭受潮嚴重導致絕緣電阻減小引起的。

2.2 直流電導率

根據式（3）計算電纜中間接頭試樣在不同受潮周期下的直流電導率，結果如圖6所示。

圖6 不同受潮周期下中間接頭試樣直流電導率的變化Fig.6 DC conductivity change of intermediate joint samples under different damping periods

從圖6 可以看出，在8 周的受潮周期內，試樣的直流電導率明顯分為兩個階段，在受潮6周內，試樣的直流電導率變化并不大，但是到第8周，試樣的直流電導率急速增加，達到10-8數量級。直流電導率并不能靈敏反映出電纜中間接頭的受潮情況，而是受潮達到一定的程度時才能反映出來。這可解釋為：中間接頭在初始狀態或受潮前期，界面水分向內擴散空間有限，界面內側仍保留有較寬的未受潮區域，在PDC 測試的較低電壓下（1 kV），該區域仍保留有較好的絕緣性能，載流子難以通過，所以該階段內電導電流變化較小。但隨著受潮加劇，受潮區域逐漸增加至接近導體屏蔽處，該處電導率明顯高于絕緣材料，導致未受潮區域在較低電壓下導通，大量載流子沿面流通，造成該階段接頭電導電流產生突變，從而導致電導率急劇增大。

2.3 第三支路時間常數

通過奇異值分解（singular value decomposition，SVD）擬合算法和式（7）計算得到不同受潮時間下中間接頭試樣的三支路時間常數，結果如圖7所示。

圖7 不同受潮周期下中間接頭試樣的三支路時間常數Fig.7 The three branch time constants of intermediate joint samples under different damping periods

從圖7 可以看出，電纜中間接頭試樣前兩個支路時間常數τ1和τ2值都較小，且隨著受潮時間增加并未呈現出規律性變化；第三支路時間常數τ3較大，最大值在230附近，且隨著受潮時間的增加，界面極化過程加快，第三支路時間常數呈現逐漸下降的趨勢。由于在受潮過程中前兩條支路時間常數基本保持穩定，且接頭主體材料在該過程中受潮并不明顯，可以認為這兩條支路分別代表了接頭處復合界面材料內部較快的極化過程；相比于τ1和τ2，τ3數值更大，并且隨著受潮周期的增加呈現單調減小的變化趨勢，這是由于XLPE 和SIR 兩種材料的親水、憎水性能差異較大，在界面極化時需要的時間更長，因此該支路代表了接頭內部面積較大的XLPE-SIR復合界面的極化現象。

根據電纜中間接頭結構可知，構成復合界面的兩種絕緣材料的相對介電常數、電導率等特性不同，在對纜芯施加直流電壓、金屬屏蔽層接地時將產生界面極化現象，復合界面極化的Maxwell-Wagner模型如圖8所示。

圖8 雙層介質Maxwell-Wagner極化示意圖Fig.8 Schematic diagram of Maxwell-Wagner polarization in a double-layer medium

根據Maxwell-Wagner 極化理論，考慮施加電壓的瞬態過程，隨時間變化的界面電荷表達式如式（8）所示。

式（8）中：ε1、γ1、d1分別表示SIR 的介電常數、電導率、厚度；ε2、γ2、d2分別表示XLPE 的介電常數、電導率、厚度；U0表示對纜芯施加的直流電壓；τM為XLPE-SIR 界面極化時間常數，表達式如式（9）所示。

式（9）中，對于XLPE-SIR 界面，由于ε2γ1-ε1γ2＞0（γ1＞＞γ2），施加電壓后該界面處將積累正電荷，正電荷的積累、消散過程將形成回路，從而在極化/去極化測試時得到極化/去極化電流。根據式（9），在XLPE-SIR 復合界面的初始狀態下，兩種介質表面性質不同，加之界面處存在的空隙結構導致接觸不完全，這些因素造成了界面對電荷移動形成了較為顯著的阻礙，從而導致界面電荷的積聚與消散過程變化緩慢，在宏觀上表現為測試結果中極化、去極化電流衰減較慢，在直流電導率在初始狀態保持穩定的情況下，擬合得到的第三支路時間常數τ3較大。

隨著水分的侵入，外界水分對兩種材料表面處起到了連接作用，導致受潮區域界面對界面電荷的遷移阻力減小，界面極化的構建與消散過程加快，因此隨著受潮程度的加深，第三支路時間常數呈現出逐漸減小的趨勢。這表明第三支路時間常數受界面水分擴散的影響較為突出，隨著界面水分擴散逐漸發展，該時間常數逐漸減小，可用來近似表征XLPE-SIR界面受潮情況。

3 結 論

采用PDC 測試系統對受潮處理后的電纜中間接頭試樣進行測試，得到了極化/去極化電流、直流電導率以及支路時間常數等特征參數與配電電纜冷縮中間接頭受潮程度的關系，得到如下結論：

（1）常用的直流電導率表征方法不能靈敏地反映中間接頭的受潮情況，只有在受潮發展到一定的程度以后，該方法才能進行表征。

（2）采用支路辨識方法對測試結果進行辨識，可得到三條支路的時間常數，但只有第三支路時間常數能靈敏反映電纜中間接頭的受潮情況，因此第三支路時間常數可作為判斷電纜中間接頭受潮的表征參數之一。