交聯聚乙烯電纜中水樹枝診斷的研究現狀

孫輝，喻巖瓏，王偉，高超飛

（1.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206；2.日照供電公司，山東日照276826）

近年來，隨著我國城市電網的大面積改造，XLPE電纜被越來越多的應用于城市輸電線路和配電網中，尤其是110/220 kV等一系列高電壓等級的電纜得到了廣泛的生產和應用[1]。通過分析電纜的事故原因，人們清楚的認識到樹枝化是導致電力設備尤其是中高壓電纜絕緣破壞的主要原因之一[2]。其中水樹枝是樹枝化的一種，在運行過程中一旦生成水樹枝，其在生長過程中會隨著其尖部場強的不斷集中而轉化為電樹枝，而電樹枝則可能使電纜絕緣層在短期內被擊穿，從而發生事故。因此，研究電纜的水樹枝對電網的安全運行具有重要意義[3]。本文就對XLPE電纜絕緣中的水樹枝的診斷方法方面進行一些探討。

1 水樹枝的定義及產生機理

1.1 水樹枝的定義

至今為止，人們尚未對水樹枝做出準確的定義。但是，一般情況下，水樹枝被認為是高分子有機絕緣物種的一種有液態導電物質（常見的是水）電導性老化現象。兩電極之間的絕緣層中（如電極與絕緣交界面處）一旦存在某些液體導電物質，那么當此處場強超過一定值時，這些導電物質便會沿電場逐漸滲入絕緣層深處，形成類似樹枝或樹葉狀的泄痕，稱為水樹枝[4]。而電氣學會的技術報告則將水樹枝定義為是聚乙烯類絕緣材料在長時間與水共存狀態下因電場作用產生的，其形狀為充滿了水的各種樹枝狀的細微通道或氣隙[5]。盡管人們對于水樹枝表述各有不同，但最終均歸結為水樹枝是由水和電場的共同作用下產生的。

1.2 水樹枝的類型

水樹枝和電樹枝一樣具有較為明顯的特征。一般情況下，水樹枝呈現絨毛狀一片或多片，而且片與片之間不一定是連續的[4]。按照水樹枝發生的起點可將其大致分為以下幾種類型：1）以電纜內半導電層為起點的內導型水樹枝；2）以電纜外半導電層為起點的外導型水樹枝；3）以絕緣中的氣隙或雜質為起點的蝴蝶型水樹枝[6]。

1.3 水樹枝的產生機理

XLPE電力電纜絕緣在制造過程中不可避免的存在質量缺陷，如微孔、雜質及在運輸、敷設、安裝和運行過程中遇到的機械損傷等，這些因素會導致水分緩慢浸入絕緣層。由于水中含有很多水溶性導電離子，根據介電電泳效應原理可知，液體中介電常數較大的離子會向電場集中的地方運動，從而使水樹枝尖端的電場愈加集中[7]。然而這種局部高電場部位將會引發電樹枝，而一旦形成電樹枝，絕緣則會在短期內擊穿。

2 水樹枝的診斷方法

近幾十年來，隨著人們越來越多的關注絕緣的水樹枝老化，從而使水樹枝的診斷方法層出不窮。目前國內外用于診斷水樹枝的方法有很多，比較常用的有直流分量法、直流電壓疊加法、電橋法、直流偏壓法以及綜合判斷法等[8]。由于這些方法國內很多文獻均已提及，且技術已趨于成熟，這里不再一一介紹。本文將介紹目前國內外正在不斷研究和開拓的基于空間電荷測量診斷水樹枝的幾種方法。

2.1 電聲脈沖法

研究發現，XLPE電纜絕緣中的水樹枝發生位置與直流電壓作用下空間電荷的分布有很大關系[9]。介質中空間電荷的存在能夠很好的反映出水樹枝的信息。因此我們可以通過測量介質中的空間電荷來確定水樹枝的位置，而目前具有代表性的空間電荷測量方法是電聲脈沖法（PEA）和壓力波傳播法（PWP）[10]。

電聲脈沖法的基本原理是利用電脈沖的作用在介質中的空間電荷處產生機械應力，通過傳感器將相應的機械波轉換為電信號，經過對電信號的處理，獲得空間電荷分布的信息[11]。文獻[9]表明，研究人員首先利用電聲脈沖法對電纜切片絕緣層中不同角度處的空間電荷進行測量，然后將切片染色處理后用顯微鏡直接觀察水樹枝，通過將兩種檢測結果進行比較發現，水樹枝發生的位置均有空間電荷的存在。經過以上分析，我們可以發現，在不久的將來空間電荷的測量將會成為診斷電纜絕緣中水樹枝的一個重要工具和手段。

2.2 剩余電荷法

剩余電荷法最初是1986年由日本電力工業中央研究所提出[12]，這種方法能夠較為準確的判斷絕緣中水樹枝的位置。研究發現，如果電纜絕緣惡化是由水樹枝引起，那么根據檢測絕緣中的空間電荷量則可以有效的反映出水樹枝的惡化程度[13]。

剩余電荷法的基本原理是首先在待檢測電纜樣品上施加直流電壓用以積累電纜絕緣中的空間電荷，然后將電纜導體接地，此時絕緣中的部分電荷將會隨之釋放。然而那些存在于水樹枝中的電荷并未被釋放出來，而繼續存在于絕緣中。最后在此電纜樣本上施加交流電壓，此時水樹枝中空間電荷的釋放現象將會更加明顯，那么我們可以將此過程中的直流泄漏電流作為診斷水樹枝的信號[14]，從而能夠很好的判斷水樹枝的老化情況。

2.3 改進的剩余電荷法

由于剩余電荷法只能用于測量小段電纜絕緣中的水樹枝，而不能檢測長度較長的電纜，因此文獻[15]提出了一種改進的剩余電荷法，也稱為空間分辨率法。

所謂空間分辨率法，它也是通過在電纜上時間去極化電壓用以在絕緣中產生空間電荷[16-18]，在這一點上它與上面提及的剩余電荷法大致相同。然而，不同的是，該方法使用尖脈沖將束縛在水樹枝中的空間電荷釋放出來[19-20]。通過將此脈沖作為去極化電壓，我們則可以通過時間分辨脈沖響應確定水樹枝發生的位置。

為了獲得較長電纜絕緣中的空間電荷分辨率，響應必須很迅速[21-22]。當在電纜施加直流去極化電壓之后，緊接著施加一個極性相反的脈沖電壓，若此時能檢測到一個尖銳的電流響應，則說明該電纜中有快速去極化發生，即其中有水樹枝存在；反之，則沒有。因此，該方法能夠很好的檢測電纜絕緣中是否存在水樹枝老化。

3 比較

以上簡要介紹了3種目前國內外基于空間電荷診斷電纜絕緣中水樹枝的方法，本文對上述幾種方法作了一些分析比較。

1）電聲脈沖法測量要求對電纜樣本施加陡脈沖波形，此時若測試系統的頻帶不夠，那么將不可避免的帶來過沖現象[23]。而系統中過沖的存在將會嚴重影響對電纜試樣中空間電荷的分析，從而不能準確的反應出電纜絕緣中的水樹枝。因此，為了避免發生過沖，則必須對電聲脈沖法進行改進。

2）剩余電荷法能夠對電纜中水樹枝進行較為準確的診斷，但是這種方法只能對長度較短的電纜(如切片)進行診斷。而實際運行中的電纜長度都比較長，因此該方法暫時還不能應用于實際線路中。

3）改進的剩余電荷法則彌補了剩余電荷法的不足，能夠診斷長度較長電纜絕緣中的水樹枝，該方法能夠很好的應用于工程實際中。由于目前該方法發展尚未成熟，處于改進和發展階段，該方法今后將成為診斷電纜絕緣中水樹枝的重要手段之一。

4 結語

本文簡要介紹了水樹枝的相關概念以及目前幾種國內外基于空間電荷診斷電纜絕緣中水樹枝的診斷方法。對于XLPE電纜絕緣水樹枝診斷技術，目前在國內外仍在不斷研究與發展之中。開展這項工作，不僅對保證電纜運行的可靠性有重要作用，而且具有顯著的經濟意義。

[1] 孫紅梅，羅隆福，陸佳政，等.110/220 kV XLPE電纜絕緣在線監測方法的研究[J].高電壓技術，2004，30(1)：28-30.

[2] 王樂，孫穎，汪輝平，等.絕緣材料水樹產生及發展機理的研究現狀[J].電線電纜，2006(6)：5-8.

[3] 耿江海，賈伯巖，郭猛.XLPE電纜水樹的影響因素及防范措施[J].河北電力技術，2009,28(2):48-49.

[4] 周澤存，沈其工，方瑜，等.高電壓技術[M].3版.北京：中國電力出版社，2007.

[5] 徐德明，徐瑜.交聯聚乙烯電纜絕緣老化及其診斷技術[J].惠州學院學報:自然科學版，2004,24(6)：46-50.

[6] 王元昌.交聯聚乙烯_XLPE_電纜水樹枝老化機理及試驗方法[J].山東電力技術，2001(4):59-61.

[7] 劉彥君.基于殘留電荷法的XLPE電纜水樹老化診斷研究[D].天津：天津大學碩士學位論文，2008.

[8] 邱宏浩，江秀臣，曾奕.一種檢測交聯聚乙烯電纜絕緣中水樹枝的裝置[J].高壓電器，2004,40(1):27-30.

[9] LIYing,JIROKawai,Yasumitsu Ebinuma,etal.Space Charge Behavior under ac Voltage in Water-treed PE Observed by the PEA Method[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1997,4(1):52-57.

[10] SUZUKI K,TANAKA Y,TAKADA T,et al.Corr-elation Between Space Charge Distribution and Water-Rree Location in Aged XLPE Cable[J].IEEE Tran sactionson Dielectricsand Electrical Insulation,2001,8(1):78-81.

[11] 王寧華，高斌，周遠翔，等.一個實用電聲脈沖法的空間電荷測量系統[J].電測與儀表，2004,41(467):12-15.

[12] LI Ying,MASATA KA YASUDA,TATSUO TAKADA.Pulsed Electro acoustic Method Measurement of Charge for Accumulation in Solid Dielectrics[J].IEEE Trans actionson Dielectrics and Electrical Insulation,1994,1(2):188-195.

[13] KON H,WATANABE K,MIYAJIMA K,et al.New Residual-Charge Measurement for Water-Tree Deteriorated Power Cable:Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,77-82,2003[C].Nagoya:Japan,2003.

[14] IWAO OOTAKA,MASARU AOKI,et al.Onsite Application and Improvement of Water Tree Deterioration Diagnosis for XLPE Cable by Residual Charge Method:2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis,April 21-24,2008[C].Beijing:China,2008.

[15] HIEI S,HOZUMIL N,KURIHARA T,et al.Uchida Fundamental.Study on Relaxation Processes of Water Tree in Aged Power Cables Aimed for Diagnosis with Spatial Resolution:Proceedings of 2008 International Symposium on Electrical Insulating Materials,September 7-11,2008[C].Yokkaichi:Mie,Japan,2008.

[16] 徐文.多次脈沖法在電纜故障查找中的應用[J].電力科學與工程,2009,25(11):77-78.

[17] 溫定筠,呂景順,范迪銘,等.交聯聚乙烯（XLPE）電纜交流耐壓試驗時間參數探討[J].電網與清潔能源,2010,26(8):15-17.

[18] 王星,尚濤,黃賢球,等.海南聯網海底電纜護套絕緣監測方法[J].南方電網技術,2009,3(1):62-65.

[19] 任艷霞,劉明光,史雪明.電力電纜故障探測方法探討[J].電力科學與工程,2008,24(1):30-33.

[20] 皮昊書.在線、離線檢測方法在配電網電纜局部放電檢測中的應用[J].南方電網技術,2010,4(1):134-137.

[21] 高超飛,王贊,隋恒,等.交聯聚乙烯電纜中空間電荷的研究現狀[J].電網與清潔能源,2010,26(8):29-33.

[22] 劉通,JOHN Fothergill,STEVE Dodd,等.交聯聚乙烯電力電纜的介電損耗機理[J].南方電網技術,2010,4(5):7-14.

[23] 周凱，吳廣寧，劉君，等.基于電聲脈沖法的空間電荷直接測量儀的研制[J].儀器儀表學報，2008,29(10):2110-2115.