XLPE電纜剩余壽命評(píng)估方法探討

薄霖+徐飛+張劍彪

【摘 要】 由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，電纜在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到外力作用引起絕緣老化，威脅著其使用壽命及電網(wǎng)供電的安全與穩(wěn)定。本文先淺析XLPE電纜老化機(jī)理，著重分析了電纜剩余壽命評(píng)估的方法在實(shí)際中的應(yīng)用，給出了預(yù)防電纜老化的幾種措施。

【關(guān)鍵詞】 絕緣老化 供電可靠性 XLPE電纜 剩余壽命

隨著城市電網(wǎng)改革和廠礦企業(yè)對(duì)供電的需求，電纜在電力系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，它對(duì)供電可靠性和穩(wěn)定性起到至關(guān)重要作用[1]。電纜在運(yùn)行過(guò)程中，容易受到電、熱、機(jī)械等因素作用，在電纜內(nèi)部引發(fā)水樹(shù)枝和電樹(shù)枝效應(yīng)，造成電纜絕緣老化，縮短電纜使用壽命[2]。因此，為保證供電可靠與穩(wěn)定，避免因電纜絕緣老化而引發(fā)的事故，亟需找到一種方法對(duì)電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。

1 電纜老化機(jī)理

電纜絕緣老化的原因是多方面的，現(xiàn)分析水樹(shù)枝老化和電樹(shù)枝老化[3-4]。

1.1 水樹(shù)枝老化原理

早期生產(chǎn)技術(shù)有限，加之運(yùn)行環(huán)境影響，XLPE電纜絕緣層容易受到各種缺陷及雜質(zhì)影響，從而產(chǎn)生局部強(qiáng)電場(chǎng)，最終發(fā)展成水樹(shù)枝現(xiàn)象。水樹(shù)枝主要使電纜絕緣介質(zhì)損耗增大，引起電纜絕緣老化，甚至導(dǎo)致供電事故發(fā)生[5]。

1.2 電樹(shù)枝老化原理

電纜絕緣層中的突起及雜質(zhì)會(huì)形成局部高場(chǎng)強(qiáng)引發(fā)電樹(shù)枝。電樹(shù)枝的引發(fā)與生長(zhǎng)過(guò)程具有隨機(jī)性。電樹(shù)枝化嚴(yán)重制約著電纜運(yùn)行壽命與安全[6]。

2 XLPE電纜剩余壽命評(píng)估

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電纜絕緣老化方面做了很多工作，提出了直流泄露電流法、殘留電荷法等非在線方法，以及低頻疊加法、介質(zhì)損耗法等在線方法[7]。本文從電纜老化機(jī)理入手，闡述了直流泄露電流等方法在對(duì)電纜剩余壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，給出了預(yù)防電纜老化的相關(guān)措施。

2.1 直流泄露電流法

直流泄露電流法是在接地電壓互感器的中性點(diǎn)疊加低壓直流電源，測(cè)量電纜絕緣層的直流電流，獲得電纜運(yùn)行時(shí)的絕緣電阻[8]。直流泄露電流法原理圖如（圖1）所示。

在長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可將XLPE電纜壽命法則表述為：

（1）

式中E-電纜施加電壓；t-電纜壽命；N-時(shí)間指數(shù)與機(jī)理和絕緣介質(zhì)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)樣品為：10kVXPLE電纜，截面積為50mm2，其壽命30年，已運(yùn)行10年。在其運(yùn)行10年后，其剩余壽命并不是使用壽命減去運(yùn)行年限，受到絕緣材料與破壞機(jī)理的影響，剩余壽命大為縮短，為及時(shí)對(duì)損害的電纜進(jìn)行更換，提供了重要的理論依據(jù)。

2.2 介質(zhì)損耗角正切法

XLPE電纜絕緣介質(zhì)的高低水平很大程度上受到水樹(shù)枝的生長(zhǎng)影響。因此，tanδ能很好的體現(xiàn)電纜絕緣水平的高低。介質(zhì)損耗角正切法測(cè)量原理如（圖2）所示。

實(shí)驗(yàn)樣品：10kVXPLE電纜，截面積為50mm2，其壽命30年，已運(yùn)行10年。考慮電源與水溫因素，進(jìn)行試驗(yàn)。XLPE電纜損耗因素取決于電樹(shù)枝的平均生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此，10kV電纜壽命方程為：

（2）

式中，L-電纜預(yù)測(cè)壽命；T0-電纜運(yùn)行時(shí)間；

tanδ1-故障臨界時(shí)刻損耗因素值；tanδ2—電纜正常運(yùn)行損耗因素值；tanδt—電纜運(yùn)行時(shí)測(cè)量損耗因素值。

依據(jù)式（2）可計(jì)算出10kVXLPE電纜使用壽命，減去電纜已經(jīng)運(yùn)行的時(shí)間，可得出當(dāng)前電纜剩余壽命。

3 電老化預(yù)防

預(yù)防電纜絕緣老化，要從電纜結(jié)構(gòu)、材料選擇、制造及敷設(shè)與檢驗(yàn)等方面入手。

在結(jié)構(gòu)措施方面，可采用良好的防水結(jié)構(gòu)，同時(shí)添加由橡膠等組成的護(hù)層；在材料選擇和制造工藝方面，可采用均質(zhì)導(dǎo)電混合物與高純度聚合物結(jié)合，采用三層擠壓和干燥式交聯(lián)等；在老化特性檢驗(yàn)方面，可采用長(zhǎng)期試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絕緣加壓法以及局部放電試驗(yàn)等方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析電纜老化機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了直流泄流電流法、擊穿電壓法、介質(zhì)損耗角正切法，對(duì)XLPE電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：1）采用以上討論的方法，可在實(shí)際過(guò)程中對(duì)電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。2）利用直流泄露電流法、介質(zhì)損耗角正切法對(duì)XLPE電纜進(jìn)行測(cè)試，為定量分析電纜剩余壽命提供一個(gè)新的思路。3）從電纜物理及化學(xué)構(gòu)成、生產(chǎn)流程及使用方法等方面，分析了XLPE電纜老化的預(yù)防措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉毅敏，高廣峰.電網(wǎng)電容電流的最小二乘辨識(shí)算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（8）：49-50.

[2]喻巖瓏，李晟，等.XLPE電纜絕緣老化與剩余壽命評(píng)估的試驗(yàn)方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，，2011，27（4）：26-27.

[3]杜伯學(xué)，馬宗樂(lè)，等.采用溫差法的10kV交聯(lián)聚乙烯電纜水樹(shù)老化評(píng)估[J].高電壓技術(shù)，2001，37（1）：143-44.

[4]王洪新，程樹(shù)康，等.XLPE老化過(guò)程中的交

流絕緣參數(shù)特性[J].高電壓技術(shù)，2005，31（3）：33-34.

[5]孫曉斐.礦用高壓電纜絕緣特性評(píng)估方法

的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[6]李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹(shù)枝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[7]徐紅義，黃斌，郭和清.XLPE高壓電纜在線監(jiān)測(cè)方法綜述與設(shè)計(jì)[J].湖北電力，2009，33（6）：38-39.

[8]鄭曉泉，王國(guó)紅.直流法XLPE電纜絕緣在線診斷中的幾個(gè)影響因素及其對(duì)策[J].電線電纜，2000，10（5）：28-29.endprint

【摘 要】 由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，電纜在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到外力作用引起絕緣老化，威脅著其使用壽命及電網(wǎng)供電的安全與穩(wěn)定。本文先淺析XLPE電纜老化機(jī)理，著重分析了電纜剩余壽命評(píng)估的方法在實(shí)際中的應(yīng)用，給出了預(yù)防電纜老化的幾種措施。

【關(guān)鍵詞】 絕緣老化 供電可靠性 XLPE電纜 剩余壽命

隨著城市電網(wǎng)改革和廠礦企業(yè)對(duì)供電的需求，電纜在電力系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，它對(duì)供電可靠性和穩(wěn)定性起到至關(guān)重要作用[1]。電纜在運(yùn)行過(guò)程中，容易受到電、熱、機(jī)械等因素作用，在電纜內(nèi)部引發(fā)水樹(shù)枝和電樹(shù)枝效應(yīng)，造成電纜絕緣老化，縮短電纜使用壽命[2]。因此，為保證供電可靠與穩(wěn)定，避免因電纜絕緣老化而引發(fā)的事故，亟需找到一種方法對(duì)電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。

1 電纜老化機(jī)理

電纜絕緣老化的原因是多方面的，現(xiàn)分析水樹(shù)枝老化和電樹(shù)枝老化[3-4]。

1.1 水樹(shù)枝老化原理

早期生產(chǎn)技術(shù)有限，加之運(yùn)行環(huán)境影響，XLPE電纜絕緣層容易受到各種缺陷及雜質(zhì)影響，從而產(chǎn)生局部強(qiáng)電場(chǎng)，最終發(fā)展成水樹(shù)枝現(xiàn)象。水樹(shù)枝主要使電纜絕緣介質(zhì)損耗增大，引起電纜絕緣老化，甚至導(dǎo)致供電事故發(fā)生[5]。

1.2 電樹(shù)枝老化原理

電纜絕緣層中的突起及雜質(zhì)會(huì)形成局部高場(chǎng)強(qiáng)引發(fā)電樹(shù)枝。電樹(shù)枝的引發(fā)與生長(zhǎng)過(guò)程具有隨機(jī)性。電樹(shù)枝化嚴(yán)重制約著電纜運(yùn)行壽命與安全[6]。

2 XLPE電纜剩余壽命評(píng)估

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電纜絕緣老化方面做了很多工作，提出了直流泄露電流法、殘留電荷法等非在線方法，以及低頻疊加法、介質(zhì)損耗法等在線方法[7]。本文從電纜老化機(jī)理入手，闡述了直流泄露電流等方法在對(duì)電纜剩余壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，給出了預(yù)防電纜老化的相關(guān)措施。

2.1 直流泄露電流法

直流泄露電流法是在接地電壓互感器的中性點(diǎn)疊加低壓直流電源，測(cè)量電纜絕緣層的直流電流，獲得電纜運(yùn)行時(shí)的絕緣電阻[8]。直流泄露電流法原理圖如（圖1）所示。

在長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可將XLPE電纜壽命法則表述為：

（1）

式中E-電纜施加電壓；t-電纜壽命；N-時(shí)間指數(shù)與機(jī)理和絕緣介質(zhì)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)樣品為：10kVXPLE電纜，截面積為50mm2，其壽命30年，已運(yùn)行10年。在其運(yùn)行10年后，其剩余壽命并不是使用壽命減去運(yùn)行年限，受到絕緣材料與破壞機(jī)理的影響，剩余壽命大為縮短，為及時(shí)對(duì)損害的電纜進(jìn)行更換，提供了重要的理論依據(jù)。

2.2 介質(zhì)損耗角正切法

XLPE電纜絕緣介質(zhì)的高低水平很大程度上受到水樹(shù)枝的生長(zhǎng)影響。因此，tanδ能很好的體現(xiàn)電纜絕緣水平的高低。介質(zhì)損耗角正切法測(cè)量原理如（圖2）所示。

實(shí)驗(yàn)樣品：10kVXPLE電纜，截面積為50mm2，其壽命30年，已運(yùn)行10年。考慮電源與水溫因素，進(jìn)行試驗(yàn)。XLPE電纜損耗因素取決于電樹(shù)枝的平均生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此，10kV電纜壽命方程為：

（2）

式中，L-電纜預(yù)測(cè)壽命；T0-電纜運(yùn)行時(shí)間；

tanδ1-故障臨界時(shí)刻損耗因素值；tanδ2—電纜正常運(yùn)行損耗因素值；tanδt—電纜運(yùn)行時(shí)測(cè)量損耗因素值。

依據(jù)式（2）可計(jì)算出10kVXLPE電纜使用壽命，減去電纜已經(jīng)運(yùn)行的時(shí)間，可得出當(dāng)前電纜剩余壽命。

3 電老化預(yù)防

預(yù)防電纜絕緣老化，要從電纜結(jié)構(gòu)、材料選擇、制造及敷設(shè)與檢驗(yàn)等方面入手。

在結(jié)構(gòu)措施方面，可采用良好的防水結(jié)構(gòu)，同時(shí)添加由橡膠等組成的護(hù)層；在材料選擇和制造工藝方面，可采用均質(zhì)導(dǎo)電混合物與高純度聚合物結(jié)合，采用三層擠壓和干燥式交聯(lián)等；在老化特性檢驗(yàn)方面，可采用長(zhǎng)期試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絕緣加壓法以及局部放電試驗(yàn)等方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析電纜老化機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了直流泄流電流法、擊穿電壓法、介質(zhì)損耗角正切法，對(duì)XLPE電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：1）采用以上討論的方法，可在實(shí)際過(guò)程中對(duì)電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。2）利用直流泄露電流法、介質(zhì)損耗角正切法對(duì)XLPE電纜進(jìn)行測(cè)試，為定量分析電纜剩余壽命提供一個(gè)新的思路。3）從電纜物理及化學(xué)構(gòu)成、生產(chǎn)流程及使用方法等方面，分析了XLPE電纜老化的預(yù)防措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉毅敏，高廣峰.電網(wǎng)電容電流的最小二乘辨識(shí)算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（8）：49-50.

[2]喻巖瓏，李晟，等.XLPE電纜絕緣老化與剩余壽命評(píng)估的試驗(yàn)方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，，2011，27（4）：26-27.

[3]杜伯學(xué)，馬宗樂(lè)，等.采用溫差法的10kV交聯(lián)聚乙烯電纜水樹(shù)老化評(píng)估[J].高電壓技術(shù)，2001，37（1）：143-44.

[4]王洪新，程樹(shù)康，等.XLPE老化過(guò)程中的交

流絕緣參數(shù)特性[J].高電壓技術(shù)，2005，31（3）：33-34.

[5]孫曉斐.礦用高壓電纜絕緣特性評(píng)估方法

的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[6]李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹(shù)枝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[7]徐紅義，黃斌，郭和清.XLPE高壓電纜在線監(jiān)測(cè)方法綜述與設(shè)計(jì)[J].湖北電力，2009，33（6）：38-39.

[8]鄭曉泉，王國(guó)紅.直流法XLPE電纜絕緣在線診斷中的幾個(gè)影響因素及其對(duì)策[J].電線電纜，2000，10（5）：28-29.endprint

【摘 要】 由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，電纜在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到外力作用引起絕緣老化，威脅著其使用壽命及電網(wǎng)供電的安全與穩(wěn)定。本文先淺析XLPE電纜老化機(jī)理，著重分析了電纜剩余壽命評(píng)估的方法在實(shí)際中的應(yīng)用，給出了預(yù)防電纜老化的幾種措施。

【關(guān)鍵詞】 絕緣老化 供電可靠性 XLPE電纜 剩余壽命

隨著城市電網(wǎng)改革和廠礦企業(yè)對(duì)供電的需求，電纜在電力系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，它對(duì)供電可靠性和穩(wěn)定性起到至關(guān)重要作用[1]。電纜在運(yùn)行過(guò)程中，容易受到電、熱、機(jī)械等因素作用，在電纜內(nèi)部引發(fā)水樹(shù)枝和電樹(shù)枝效應(yīng)，造成電纜絕緣老化，縮短電纜使用壽命[2]。因此，為保證供電可靠與穩(wěn)定，避免因電纜絕緣老化而引發(fā)的事故，亟需找到一種方法對(duì)電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。

1 電纜老化機(jī)理

電纜絕緣老化的原因是多方面的，現(xiàn)分析水樹(shù)枝老化和電樹(shù)枝老化[3-4]。

1.1 水樹(shù)枝老化原理

早期生產(chǎn)技術(shù)有限，加之運(yùn)行環(huán)境影響，XLPE電纜絕緣層容易受到各種缺陷及雜質(zhì)影響，從而產(chǎn)生局部強(qiáng)電場(chǎng)，最終發(fā)展成水樹(shù)枝現(xiàn)象。水樹(shù)枝主要使電纜絕緣介質(zhì)損耗增大，引起電纜絕緣老化，甚至導(dǎo)致供電事故發(fā)生[5]。

1.2 電樹(shù)枝老化原理

電纜絕緣層中的突起及雜質(zhì)會(huì)形成局部高場(chǎng)強(qiáng)引發(fā)電樹(shù)枝。電樹(shù)枝的引發(fā)與生長(zhǎng)過(guò)程具有隨機(jī)性。電樹(shù)枝化嚴(yán)重制約著電纜運(yùn)行壽命與安全[6]。

2 XLPE電纜剩余壽命評(píng)估

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電纜絕緣老化方面做了很多工作，提出了直流泄露電流法、殘留電荷法等非在線方法，以及低頻疊加法、介質(zhì)損耗法等在線方法[7]。本文從電纜老化機(jī)理入手，闡述了直流泄露電流等方法在對(duì)電纜剩余壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，給出了預(yù)防電纜老化的相關(guān)措施。

2.1 直流泄露電流法

直流泄露電流法是在接地電壓互感器的中性點(diǎn)疊加低壓直流電源，測(cè)量電纜絕緣層的直流電流，獲得電纜運(yùn)行時(shí)的絕緣電阻[8]。直流泄露電流法原理圖如（圖1）所示。

在長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可將XLPE電纜壽命法則表述為：

（1）

式中E-電纜施加電壓；t-電纜壽命；N-時(shí)間指數(shù)與機(jī)理和絕緣介質(zhì)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)樣品為：10kVXPLE電纜，截面積為50mm2，其壽命30年，已運(yùn)行10年。在其運(yùn)行10年后，其剩余壽命并不是使用壽命減去運(yùn)行年限，受到絕緣材料與破壞機(jī)理的影響，剩余壽命大為縮短，為及時(shí)對(duì)損害的電纜進(jìn)行更換，提供了重要的理論依據(jù)。

2.2 介質(zhì)損耗角正切法

XLPE電纜絕緣介質(zhì)的高低水平很大程度上受到水樹(shù)枝的生長(zhǎng)影響。因此，tanδ能很好的體現(xiàn)電纜絕緣水平的高低。介質(zhì)損耗角正切法測(cè)量原理如（圖2）所示。

實(shí)驗(yàn)樣品：10kVXPLE電纜，截面積為50mm2，其壽命30年，已運(yùn)行10年?？紤]電源與水溫因素，進(jìn)行試驗(yàn)。XLPE電纜損耗因素取決于電樹(shù)枝的平均生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此，10kV電纜壽命方程為：

（2）

式中，L-電纜預(yù)測(cè)壽命；T0-電纜運(yùn)行時(shí)間；

tanδ1-故障臨界時(shí)刻損耗因素值；tanδ2—電纜正常運(yùn)行損耗因素值；tanδt—電纜運(yùn)行時(shí)測(cè)量損耗因素值。

依據(jù)式（2）可計(jì)算出10kVXLPE電纜使用壽命，減去電纜已經(jīng)運(yùn)行的時(shí)間，可得出當(dāng)前電纜剩余壽命。

3 電老化預(yù)防

預(yù)防電纜絕緣老化，要從電纜結(jié)構(gòu)、材料選擇、制造及敷設(shè)與檢驗(yàn)等方面入手。

在結(jié)構(gòu)措施方面，可采用良好的防水結(jié)構(gòu)，同時(shí)添加由橡膠等組成的護(hù)層；在材料選擇和制造工藝方面，可采用均質(zhì)導(dǎo)電混合物與高純度聚合物結(jié)合，采用三層擠壓和干燥式交聯(lián)等；在老化特性檢驗(yàn)方面，可采用長(zhǎng)期試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絕緣加壓法以及局部放電試驗(yàn)等方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析電纜老化機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了直流泄流電流法、擊穿電壓法、介質(zhì)損耗角正切法，對(duì)XLPE電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：1）采用以上討論的方法，可在實(shí)際過(guò)程中對(duì)電纜剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。2）利用直流泄露電流法、介質(zhì)損耗角正切法對(duì)XLPE電纜進(jìn)行測(cè)試，為定量分析電纜剩余壽命提供一個(gè)新的思路。3）從電纜物理及化學(xué)構(gòu)成、生產(chǎn)流程及使用方法等方面，分析了XLPE電纜老化的預(yù)防措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉毅敏，高廣峰.電網(wǎng)電容電流的最小二乘辨識(shí)算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（8）：49-50.

[2]喻巖瓏，李晟，等.XLPE電纜絕緣老化與剩余壽命評(píng)估的試驗(yàn)方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，，2011，27（4）：26-27.

[3]杜伯學(xué)，馬宗樂(lè)，等.采用溫差法的10kV交聯(lián)聚乙烯電纜水樹(shù)老化評(píng)估[J].高電壓技術(shù)，2001，37（1）：143-44.

[4]王洪新，程樹(shù)康，等.XLPE老化過(guò)程中的交

流絕緣參數(shù)特性[J].高電壓技術(shù)，2005，31（3）：33-34.

[5]孫曉斐.礦用高壓電纜絕緣特性評(píng)估方法

的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[6]李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹(shù)枝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[7]徐紅義，黃斌，郭和清.XLPE高壓電纜在線監(jiān)測(cè)方法綜述與設(shè)計(jì)[J].湖北電力，2009，33（6）：38-39.

[8]鄭曉泉，王國(guó)紅.直流法XLPE電纜絕緣在線診斷中的幾個(gè)影響因素及其對(duì)策[J].電線電纜，2000，10（5）：28-29.endprint