交聯聚乙烯絕緣電纜的壽命預測綜述

杜恩達 吳涵 苗勝竹 白璐 劉金鑫

摘要：20世紀70年代以來，我國在交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜的生產和應用方面得到了快速的發展。隨著電纜數量的增多及運行時間的延長，XLPE電纜的老化故障頻繁，存在重大安全隱患，甚至造成停電事故，給生產和人民生活帶來諸多不便，并造成重大的經濟損失。因此，開展XLPE電力電纜的壽命預測研究，判斷電纜何時進行更換，保證電網的安全穩定運行有著重要的安全意義與經濟價值。

關鍵詞：XLPE電纜;壽命預測;可靠性

一、引言

伴隨我國經濟的快速發展，電力電纜作為輸送電能的重要設備，發展速度極快， XLPE 絕緣電纜與傳統充油電纜和油浸紙電纜相比，具有質量輕、制造工藝簡單、安裝敷設容易、電氣性能和耐熱性能良好、運行維護方便等優點而被廣泛應用于輸電網中。電纜投入運行后，絕緣層會受到電、熱、機械、水分等因素的作用而發生絕緣老化，影響電纜的安全穩定運行和使用壽命。早期投運的電纜已接近使用壽命期。 開展電纜壽命的研究，判斷在電纜壽命接近使用期限前何時進行更換，避免因電纜絕緣老化引發事故而給 電網帶來安全隱患，對于保證電網的安全穩定運行以及可靠供電有著重要的理論意義。

二、XLPE電纜絕緣壽命評估技術現狀

電纜壽命預測研究，國內開展較晚，國外20世紀60年代就開始了關于XLPE 電纜絕緣弱點檢出和老化檢測技術的研究，至今仍在不斷發展。日本是開展 XLPE 電纜絕緣老化檢測技術研究較早的國家，對于6kV 級XLPE電纜，檢測技術有非在線式和在線式兩種檢測技術。對于 22kV 級，僅采用非在線式。其部分與 6kV 級相同，但不再用反吸收電流、直流成分、 脈動法等，另增加與6kV 級不同的方法。 而 66kV及以上高壓級電纜，由于水樹枝老化檢出有效方法尚無實際驗證，唯有局部放電檢出查明絕緣健全性被確認，故而現只強調采用局部放電檢測法。

三、XLPE電纜絕緣老化分析研究

XLPE電纜在敷設運行后，會受到電、熱、機械應力以及環境因素的綜合影響，導致絕緣老化，降低電纜壽命，嚴重時會造成擊穿事故。1958年，通過對高壓聚乙烯電纜的切片研究，首次發現了電樹枝放電通道的存在，之后又報道了在潛水電機中的低壓聚乙烯生長出水樹枝的現象。之后經過不斷的研究發現，無論是水樹枝還是電樹枝，這些樹枝狀的缺陷在誘發后會不斷生長，直到貫穿絕緣層，導致絕緣擊穿，成為影響XLPE電纜正常運行的重要原因。

（一）電纜絕緣熱老化

XLPE電纜在實際運行中，由于工作電流造成導體局部發熱，電纜絕緣長期工作在高溫條件下存在熱老化，使得交聯聚乙烯絕緣發生各種復雜物理化學變化。而且，熱應力和其它應力共同作用會使得電纜絕緣材料的老化加速。因為溫度可以提高化學反應速率，因此熱老化中降解速率與溫度之間的關系和化學反應速率方程結構形式相似而且，敷設在橋梁上的電纜線路由于負荷電流及環境溫度的改變，電力電纜存在熱脹冷縮情況，其中由于電纜線芯的熱脹冷縮而產生很大熱應力，如果電纜線芯截面越大，熱應力就越大。電纜由于熱應力影響將重復發生彎曲變形現象，使電纜金屬護套存在形變，縮短了電纜的使用壽命。熱伸縮現象對電力電纜運行形成很大的威脅，會形成運行電纜產生位移、滑落，甚至損壞電纜及其附件。

（三）電纜絕緣水樹老化

電樹枝是一種由于雜質、氣泡等缺陷造成電纜局部電場集中，進而形成樹枝狀放電破壞通道的電腐蝕現象。與水樹枝相比，電樹枝的發展速度更快。電纜材料介質及其微觀 結構差異是導致電樹枝形成隨機性的重要原因。在電力電纜生產和敷設運行中不可避免的彎 曲、 拉伸等外力作用產生應力，使半導電屏蔽層與交聯聚乙烯電纜的界面產生氣隙和細微裂紋。在高電場作用下，電極發射的電子由于隧道效應注入交聯聚乙烯絕緣，電子在注入路徑中獲得足夠的動能，使電子不斷與交聯聚乙烯絕緣碰撞引起破壞，導致樹枝的產生。電樹枝容易沿含有微孔和雜質的晶界弱區網絡發展，形成細小的通道。樹枝通道內充氣的程度、氣化的能量由放電決定，放電后氣體體積增加，將導致放電通道迅速發展，最后導致電纜擊穿。

四、電老化的老化壽命預測模型

XLPE絕緣電纜在實際運行中會遭受到多種應力的影響，最明顯的就是電應力。在電場作用下，絕緣內的缺陷處會引發水樹枝或電樹枝的生長，形成局部高電場，從而激發局部放電，造成絕緣損傷。反映電老化的一般規律的電老化定律，表明電老化是不同電壓各自作用時間的一個累積過程，最終造成絕緣的老化擊穿，據此可以設計電纜的逐級升壓加速老化試驗。

V-t特性曲線反應電壓與到絕緣擊穿的時間的關系。其中t1往往少于1小時，而t2則在好幾年之后。文獻中集中討論了區域III，指出了這兩個區域與XLPE電纜壽命有很大的相關性，并與描述電老化的n次冪定律，具有良好的一致性。

其中，C和n是常數，取決于電纜絕緣材料以及其它因素的影響，可以通過試驗來確定。壽命模型描述電纜絕緣系統在電場作用下的老化過程。并不需要知道發生的老化的具體類型，例如局部放電是否存在等。模型也不依賴于絕緣系統結構，例如特定的電極配置等。

五、結語

本篇文章研究了交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的老化特性。介紹了造成XLPE絕緣電纜老化的因素有熱老化，電樹枝，水樹枝幾個因素。也介紹了XLPE絕緣電纜的老化因素和電樹枝壽命模型的構成。對電老化的壽命模型進行了分析研究。也指出了在恒定溫度下關鍵參數的求取方法。

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