電力電纜老化機理研究

敖偉

摘 要：電力電纜是電力系統中的重要組成成分，對于保證電力系統的穩定性至關重要。文章對于電力電纜的可靠性進行了研究，為系統運行人員檢修和操作提供借鑒。

關鍵詞：電力電纜；電力系統；可靠性

1 影響電力電纜附件運行可靠性的因素分析

在電纜輸電線路中，必然會存在電纜終端頭和中間接頭。與電纜本體故障相比，電纜中間接頭和終端頭絕緣介質中的電場畸變，會導致局部放電的發生。由于電纜附件改變了電纜本體的結構，電纜中的內外半導體屏蔽層被切斷，改變了電纜中的電位和電場強度的分布。特別是中，高壓以上的電纜終端頭以及中間接頭在外金屬屏蔽層切斷處電場強度最為集中，發生突變的可能性最大。

電纜附件發生絕緣故障與其選用，制作工藝和結構等有著密切的關系。接下來將從以下幾個方面對其進行分析：

（1）電纜接頭繞包的絕緣層過厚，散熱困難導致發熱故障

繞包式絕緣材料的體積電阻率，介電系數與電纜相比要小一些。強電場作用下，電纜附件絕緣材料內部的介質損耗以及泄露電流的增加會造成電纜附件發熱。絕緣材料繞包過多，由于絕緣的加厚，使得熱量難以散發，當絕緣材料內部熱量積累到一定程度時，絕緣材料分子會受到破壞造成熱擊穿事故。故在保證電纜接頭電氣絕緣性能和機械性能的前提下，要求絕緣的熱阻盡可能小一些。

（2）電纜附件選用的材料質量和施工質量的影響

電纜附件由于其特殊性，在安裝前是不存在完整的產品電纜附件中繞包用的絕緣帶，半導電帶等材料性能的好壞對電纜的安全運行至關重要，電纜附件的絕緣水平和運行壽命在很大程度上取決于材料的優劣。比如劣質的壓接管會出現砂眼，裂紋，外表粗糙，管壁薄厚不均勻，出現毛刺等問題，在長期負荷運行下使得導線芯的接觸電阻增大，引起電場嚴重畸變。

（3）電纜附件應力管的體積電阻率和介電常數的影響

應力管的介電常數大，有利于改善電場畸變時的電位分布，但是過大的介電常數會引起電容電流產生熱量，造成應力控制材料老化。由于絕緣材料本身的限制，介電常數難以提的過高，而體積電阻率也不允許太低。對于電纜中間接頭和終端頭而言，電場分布與電纜本體相比復雜得多，電場更為集中，等位面彎曲嚴重，若不及時妥善的處理，在一定條件下，將會形成閃絡，損傷電纜及其附件的絕緣介質。

2 絕緣材料的老化特性

2.1 絕緣的熱老化

與電纜本體一樣，接頭和終端也同樣長期處于較高的溫度下運行。但是兩者也有區別，運行中的電纜里只有兩個熱源，一是導體通過電流產生的損耗（I2R）轉變成熱能；另一個是在絕緣材料在電壓作用下產生的損耗（U2ωCtgδ）也轉變成熱能。除此之外，電纜附件（接頭和終端）里還多了一個熱源，那就是導體連接處的接觸電阻，在通過電流時也要產生損耗，變成熱能。尤其是電纜接頭，若導體連接不可靠，運行一段時間后就會因為過熱而擊穿。

熱場不僅與熱源有關，還與熱阻有關。熱阻大，散熱困難，溫度就高。從這個角度來看電纜附件也比電纜本體差。就接頭而言，因成型條件差，加上電場畸變，故絕緣厚度比電纜本體的絕緣厚。為了密封和機械保護，接頭外面還要加很多防護層，使得總的熱阻要比電纜熱阻大很多。可見，在處理不當的情況下，接頭絕緣的熱老化要比電纜本體嚴重得多。

電工設備長期在運行溫度作用下，由于絕緣材料發生熱分解和熱氧化裂解等反應，造成分子量、交聯度、結晶度的變化，使材料發脆、厚度減薄、形成氣隙，生成新的離子雜質和揮發物，導致材料的性能劣化。

熱分解和熱氧化裂解的反應速度v隨溫度T升高而增加，可用阿倫尼烏斯方程表示：

■ （1）

式中R為氣體常數，A為常數，E為活化能。多數材料的E約為（8～10）×104（J/mol）。

熱氧老化屬于自由基鏈式自催化氧化反應，機理如下：

鏈引發

RH→R.+.H（熱、氧、光或催化劑作用）（2）

鏈增長

R.+O2→ROO （3）

ROO.+RH→ROOH+R. （4）

鏈轉移

ROOH→RO.+.OH （5）

2ROOH→RO.+ROO.+H2O （6）

鏈終止

R.+R.→R-R （7）

ROO.+ROO.→穩定產物+O2 （8）

R.+ROO.→ROOR （9）

上述式中RH表示橡膠大分子，R.表示自由基，RO.表示氧化自由基，ROO.表示過氧化自由基。

研究表明：天然橡膠、乙丙橡膠、丁基橡膠和硅橡膠等，在使用過程中的熱氧老化都屬于此種形式。

2.2 絕緣的電老化

電纜接頭與終端里的電場分布要比電纜本體復雜得多。電纜絕緣內，徑向電位分布是不均勻的，軸（縱）向電位分布基本上是均勻的，但是在電纜附件里就不然，不僅徑向電位分布不均勻，軸（縱）向電位分布也是不均勻的，出現了軸向電場。對于接頭，是因為內外電極（即導體連接處和絕緣外屏蔽層）結構發生變化而引起的。戶內、外終端就更復雜了，由于導電線芯引出在外，終端絕緣外表面就有了電位，而且分布很不均勻。

由此可見，電纜附件里的電場分布遠比電纜復雜，而且局部地方電場強度很高，若處理不當，就會引起絕緣擊穿或閃絡（終端）。高壓電工設備中因介質不均勻或電場分布不均勻，特別是在固體或液體材料內部或表面存在氣體，就可能產生局部放電。放電產生的帶電質點會直接轟擊絕緣材料，使材料分解；在放電點可產生很高的溫度，使材料發生熱裂解或碳化；放電也可能產生各種新的生成物（如臭氧等）而腐蝕材料；放電會發出各種射線及聲波，對材料也會起破壞作用。這些都會引起絕緣材料老化。

2.3 其他老化因素

絕緣材料在許多場合下要承受各種機械應力的作用，有恒定的、振動的，有熱脹冷縮循環的。這些應力會導致蠕變破壞或疲勞破壞。在戶外使用的絕緣材料受日光直接照射，在紫外線作用下也會發生老化。在核反應堆、X射線裝置中用的絕緣材料受到輻射作用，均會發生老化。絕緣材料受潮會使電導增大，加大損耗。水還會溶解許多物質，加速導致老化的各種化學反應。酸、臭氧等也會導致化學老化。對于某些絕緣材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的電場強度下也會發生樹枝現象（見固體電介質擊穿）。此外，在溫熱帶地區絕緣材料會受到各種微生物的損害，即所謂微生物老化。

電纜附件的成型環境遠不如電纜，電纜是在工廠內由機器生產出來的，而電纜附件是靠施工人員現場手工操作完成的，兩者的環境條件（包括溫度、濕度、清潔度等等）相差很大。其質量控制遠不如在工廠內由機器生產的電纜優越。

3 結束語

綜上所述，無論是從熱場分布，還是電場分布；成型（或生產）過程，還是成型（或生產）的環境條件，電纜附件都比電纜本體差得多，所以運行故障率高也是必然的。

絕緣材料在使用或貯存過程中，其性能隨時間發生的不可逆的劣化。造成絕緣材料老化的因素很多，排除環境因素對絕緣材料的影響，絕緣材料的老化主要是電老化、熱老化和機械老化等。