針對常用XLPE電力電纜運行中的失效形式分析

羅平+胡駿

摘 要：XLPE電力電纜自運行投運以來，憑借著自身優良的電氣性能和機械性能逐漸地取代了傳統的充油電纜和油浸紙電纜，從而被廣泛地應用于城市配電網中，并且逐步應用到高壓和超高壓電網中。但大量實踐表明，電纜在運行中由于絕緣老化導致的故障也屢見不鮮，老化現象進一步導致各種失效，各種檢修工作帶來巨大的人力與物力資源的浪費。

關鍵詞：XLPE電纜；老化；失效

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0173-02

引言

在電能傳輸的過程中，電能傳輸隨著國民經濟的增強，交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜及附件制造、安裝、運行管理技術水平的提高，城市電網的電纜化率有了飛速的發展，中高壓電力電纜年投運量10萬公里以上，并且呈逐年上升的趨勢。電纜由于敷設于地下，不占地面空間，有利于市容美觀；而且同一地下電纜通道可以容納多回線路，輸送容量適應性強；受自然條件和周圍環境影響較小，配合環網柜、分接箱等設備，可進行多線路聯絡，運行方式較為靈活，可大大減少停電次數和停電范圍，使得配網供電可靠性得以提高。

1 LPE電力電纜的性能要求

容量越大、電能損耗與電壓損耗越小、傳輸電能載體的正常使用壽命越長，則電能傳輸就越經濟，其電力電纜結構圖如下：

XLPE電力電纜作為電能傳輸的一種載體，為滿足電能傳輸的經濟性要求，需具備的主要性能有以下四點。

1.1 優良的導電性能

導電性能是針對電纜導體而言的，導電性能越好，電能損耗與電壓損耗越小，電能輸送的成本越低以及電壓質量也越高。

1.2 優良的絕緣性能

絕緣性能是針對絕緣層而言的，絕緣性能越好，電能損耗越小，電能輸送越經濟。絕緣性能的特征量有絕緣電阻、介電常數、介質損耗、擊穿場強等。絕緣電阻與介電常數決定了泄漏電流的大小；泄露電流越小，絕緣層引起的損耗即介質損耗就越小；擊穿場強越高，則電纜抗高壓沖擊性越好，電纜越不易破壞，因而正常使用壽命越長。

1.3 優良的機械性能

機械性能是針對電纜整體而言的，機械性能越好，電纜正常使用壽命越長。機械性能的特征量主要有拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度、硬度等。電纜在制造、運輸、敷設的過程中會產生拉應力、彎曲應力、摩擦力等，這些對壽命都有決定性作用。

2 XLPE電力電纜運行中常見失效形式

交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜失效指失去其應有的功能。失效即失去原有功能的含義包括三種情況：（1）組成元件由于斷裂、腐蝕、磨損、變形等，從而完全喪失其功能。（2）組成元件在外部環境作用下，部分的失去其原有功能，雖然能夠工作，但不能完成規定功能。（3）組成元件雖然能夠工作，也能完成規定功能，但繼續使用時，不能確保安全可靠性。如經過長期高溫運行的壓力容器及其管道，其內部組織已經發生變化，當達到一定的運行時間，繼續使用就存在開裂的可能。

XLPE電力電纜失效形式：

根據XLPE電力電纜實際的運行檢修及故障統計可知，XLPE電力電纜常見的失效部位是絕緣層和外護套；絕緣層的失效形式主要表現為擊穿和老化，外護套的失效形式主要表現為腐蝕。

（1）絕緣擊穿和絕緣老化。絕緣擊穿在XLPE電力電纜工程實際中是一種較為普遍的現象；絕緣擊穿后直接導致電纜喪失傳輸電能的功能。（2）外護套腐蝕。外護套的腐蝕是由于活性介質如外界強電場、化學元素、微生物、輻照等作用導致護套開裂、穿孔的現象，從而喪失對電纜絕緣層的保護功能。

綜上所述，XLPE電力電纜的絕緣老化是引起電纜失效的關鍵原因，也是導致XLPE電力電纜后期運行中故障頻發的決定性因素，因而是影響XLPE電力電纜正常使用壽命的關鍵因素，直接決定了XLPE電力電纜的正常使用壽命，即絕緣老化過程持續時間越長，XLPE電力電纜的正常使用壽命越長，絕緣老化過程持續時間越短，則XLPE電力電纜的正常使用壽命越短。

3 XLPE電力電纜絕緣老化特性分析

3.1 化學反應速率

化學反應速率是指在給定條件下反應物轉變成生成物的速率；速率的快慢通常用平均速率或瞬時速率來衡量。目前，在國內外影響較大、理論本身較為直觀、理論發展較為成熟的化學反應速率理論是有效碰撞理論。

3.2 化學反應速率的影響因素

根據化學常識，影響化學反應速率的因素主要有反應物的濃度、反應進行時的溫度以及外加的催化劑。

（1）濃度對反應速率的影響；（2）溫度對反應速率的影響。

根據化學反應速率與反應物濃度的函數關系可知，反應物的濃度與化學反應速率常數同時決定著化學反應速率的快慢。阿雷尼烏斯定律定量描繪了溫度與化學反應速率常數間的函數關系見式：

式中：kc-表示化學反應速率常數；A0-表示指前因子；e-表示自然對數的底；Ea-表示活化能；R-表示氣體常數。

（3）催化劑對反應速率的影響

4 XLPE電力電纜絕緣老化

因溫度是影響XLPE電力電纜絕緣老化的主要因素，由溫度引起的老化通常稱為熱老化。XLPE電力電纜絕緣熱老化過程中發生的化學反應主要是熱降解反應。降解反應分為解聚反應、無規斷鏈反應和側基消去反應。解聚反應是由于分子中的薄弱點在熱能的作用下鏈節脫落形成單體并在脫落部位產生游離基；無規斷鏈反應的過程是分子主鏈中弱鍵斷裂產生游離基的過程；側基消去反應的過程就是側基的斷裂產生游離基的過程。XLPE電力電纜絕緣熱老化過程中發生的化學反應主要是熱降解反應。降解反應分為解聚反應、無規斷鏈反應和側基消去反應。解聚反應是由于分子中的薄弱點在熱能的作用下鏈節脫落形成單體并在脫落部位產生游離基；無規斷鏈反應的過程是分子主鏈中弱鍵斷裂產生游離基的過程；側基消去反應的過程就是側基的斷裂產生游離基的過程。絕緣層的熱降解反應速率由反應速率常數決定，由于溫度決定著反應速率常數的大小進而決定了熱降解反應的快慢，也即決定了熱老化速率的快慢，熱老化速率隨著溫度的升高而加快。

XLPE電力電纜絕緣老化的表現特征：

由于XLPE電力電纜絕緣熱老化的過程是一個物理變化與化學變化的過程，隨著物理變化與化學變化的進行，必然伴隨著絕緣材料性能的變化，主要是機械性能和電氣性能的變化。

（1）機械性能變化。描述交聯聚乙烯機械性能的特征量有斷裂伸長率、沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度、硬度等。

（2）斷裂伸長率。斷裂伸長率是表征交聯聚乙烯彈性性能的指標，通過拉伸試驗可以測量到。斷裂伸長率的值為試樣在拉斷時伸長的長度與原長的比值。由于交聯聚乙烯在溫度影響下其斷裂伸長率的變化明顯且呈單調變化形式，所以常作為交聯聚乙烯熱老化程度評判的重要特征量。

（3）沖擊強度。沖擊強度是由沖擊試驗測得的指標，它能量度塑料在高速負荷下的韌性，所以亦稱作沖擊韌性。交聯聚乙烯的沖擊強度隨著其老化程度的加劇而逐漸減小。沖擊強度在評定韌性大而伸長不太大的老化時是較常用、且靈敏和可取的指標。

（4）電氣性能變化。描述交聯聚乙烯的電氣性能的特征量主要有絕緣電阻、介質損耗tg？啄、泄露電流、擊穿場強等。電容充電電流；屬于無功電流分量，是由電容和材料的彈性極化引起的，與材料結構、形狀、尺寸大小與外加電壓等因素有關而與絕緣能力的強弱無關；介質吸收電流，包含有功電流分量與無功電流分量，是由材料松弛極化所引起的電流，它與材料的結構、性能、溫度、外加電壓等因素有關；泄露電流，屬于有功電流分量，是由絕緣材料的電導率與外加電壓所決定。

5 結束語

盡管XLPE電力電纜有許多值得被廣泛應用的優點，但是熱、電、氧、機械應力、化學元素、外界環境條件等惡劣的運行環境使電纜絕緣老化與絕緣破壞導致故障發生的例子已屢見不鮮，所以展開對電纜的絕緣老化方面研究是具有一定性意義。

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