XLPE電纜水樹劣化的診斷及修復的綜述

袁煒 袁蓋 張磊 趙倫俊 聞子銘

摘要：水樹枝劣化是導致交聚乙烯（XLPE）電力電纜絕緣水平下降和壽命縮短的主要誘因。本文介紹了水樹的定義、特征、影響因素及潛在危害等，闡述了XLPE電纜水樹劣化的原因，分析并對比水樹劣化的各種診斷方法。最后，針對XLPE電力電纜水樹劣化提出了有效的絕緣修復技術，為今后XLPE電力電纜水樹劣化的診斷和修復技術提供一定的參考方向。

關鍵詞：XLPE電力電纜;水樹劣化;絕緣診斷;絕緣修復

中圖分類號： TP391 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）17-0195-02

Abstract： The degradation of water tree is the main reason for the decrease of insulation level and the shortening of service life of XLPE power cable.This paper introduces the definition， characteristics， influencing factors and potential hazards of water tree， expounds the causes of XLPE cable water tree degradation， analyzes and compares various diagnostic methods of water tree degradation. Finally， an effective insulation repair technology for XLPE power cable water tree degradation is proposed， which provides a certain reference direction for the diagnosis and repair technology of XLPE power cable water tree degradation in the future.

Key words： XLPE power cable; water tree degradation; insulation diagnosis; insulation repair

極易敷設的XLPE電纜有著優越的介電性能，由于制作工藝日趨成熟和電網結構不斷調整，電纜的使用逐年增加[1]。然而隨著XLPE電纜運行年限增加，電纜線路老化等原因，電纜故障也常有發生。水樹枝劣化是XLPE電纜絕緣老化并導致重大停電事故的最主要原因之一。由于電纜安裝、敷設及運行的環境惡劣等原因，易引起嚴重積水現象，水分在電場作用下會快速滲透到電纜細小缺陷處，最終在電纜絕緣層形成水樹，導致電纜絕緣水平下降，電纜擊穿停電事故常有發生。為了保證電纜的可靠運行，以避免事故的發生，對煤礦XLPE電纜絕緣性能在線監測方法的研究顯得尤為迫切[2]。當前，國內外研究的直流成分法、直流疊加法及低頻疊加法等檢測方法因漏電流極小且受雜散電流、現場強工頻電磁場、屏蔽層接地、化學電勢等干擾因素影響而不能得到很好應用。

1 水樹劣化

水樹的定義是“在絕緣中存在水分、電應力和某些誘發因素，如雜質、突起、空間電荷或離子時發展成的一些微通道”。在交流電場和水分的作用下，水樹是聚合物絕緣材料發生降解的一種現象。在潮氣和電場的共同作用下，水樹是誘發高壓電力電纜破壞的主要原因。圖1為XPLE電纜水樹圖。

典型的水樹結構一般具有以下特征：永久性、親水性、非線性、可染色性、自愈性等，水樹的存在會使得運行的XPLE電纜局部場強畸變，引發電樹枝，短時間內面臨絕緣電纜擊穿的風險。水樹的產生及發展是多種因素綜合作用的結果，其中電場和水分長期共存是主導因素。研究證明，水樹的生長機理包括：擴散理論、電機械理論、電化學氧化理論等[3]。然而，較水樹而言電樹枝生長速度很快，電樹出現后可能導致絕緣本體被擊穿，所以水樹向電樹的轉化也是加劇其老化事故發生的重要因素。

2 電纜水樹劣化的診斷

水樹劣化的存在給XPLE電纜帶來非常大的安全隱患，怎樣能夠診斷出電纜水樹劣化的程度相當重要。以電纜絕緣微觀結構的分析為基礎，通過對電纜本體介電性能的測試，來診斷出電纜水樹劣化程度并進一步處理[4]。

2.1 微觀結構和傳統介電性能測試

對XPLE電纜絕緣層的微觀結構測試有多種方法，多具有破壞性，不適用于服役電纜，適用于實驗室法。采用掃描電子顯微鏡，紅外光譜分析，X射線衍射分析等方式可對電纜樣本進行微觀結構及理化特性進行檢測分析。

由于XPLE電纜正常本體和水樹區的介電性能相差甚大，因此可以通過測試新舊電纜的介質損耗因數，泄漏電流，擊穿電壓，絕緣電阻等參數，對比分析電纜的老化程度。也可以采用直流成分法，諧波分量法，交直流疊加法等檢測電纜水樹劣化特征信號，判斷是否發生水樹劣化。然而，傳統介電性能測試方法都存在一定的局限性，如介質損耗因數法不適用于電纜局部劣化檢測，交直流疊加法信號微弱不易測量等，故上述方法適用于輔助測量法[5]。

2.2 新型電纜水樹劣化診斷方法

新型水樹劣化診斷技方法主要包括：殘余電荷法、超低頻介損法、PDC法等。

2.2.1 殘余電荷法

為克服傳統殘余電荷法的精度不高，與電纜相連的GIS設備易放電等問題，理論上可使用小于二分之一工頻周期的脈沖寬度電壓替代直流電壓和交流電壓完成電纜電荷積累與釋放的過程，取得良好的測試效果，但實際應用尚未成熟。

2.2.2 超低頻介損法

對于長距離電纜來說，在0.1Hz條件下，介質損耗值與電纜的擊穿電壓密切相關，更能較精確反映電纜的絕緣老化情況，常選擇0.5U0至1.5U0測試電壓，減少諧波和頻率波動的影響，提高介損測量的穩定性和準確性，不足之處在于高壓時可能激發絕緣中的缺陷造成二次損害。

2.2.3 ?PDC法

PDC法即為極化去極化電流法，電纜自身結構的變化和水分不斷的侵入，會改變絕緣材料的介電性能，作為可靠且無破壞性的PDC法主要通過測量絕緣材料的介電響應后，從中提取出相關的電纜老化參數，分析判斷水樹劣化程度[6]。PDC測試法首先直流電壓施加到電纜參數樣本上，然后將其短接，對比極化與去極化的電流大小，分析老化因子，非線性系數，直流導電率等參數，獲得絕緣材料的介電特性及老化程度，圖2為PDC法測試結果示意圖。

需要說明的是，由于電纜水樹往往是非線性材料，故以上診斷方法測試其介電常數、電導率，介損因數等方法常會受其電壓大小的影響，有效性和推廣性有待于進一步實踐論證。

3 ?XLPE水樹劣化修復技術

抑制XLPE電纜絕緣水樹劣化的措施有：（1）減少水分在電纜中的存在，改濕法交聯為干法交聯;（2）改變絕緣電纜的材質，采用抗水樹XLPE作為電纜絕緣材料;（3）減少絕緣和雜質接觸的機會，消除局部電場。針對上述措施，為降低更換新電纜的成本，提升電纜絕緣性能和使用壽命，可以利用水樹修復技術，主要原理包括：除去電纜水樹通道和內部的水分，減少空間電荷殘留，降解自由基均勻電場，填充絕緣材料內部所有的水樹空洞及其通道。

鑒于國內外電纜絕緣修復技術的發展，在電纜水樹內部通道采用溶膠和凝膠法生成無機納米顆粒，加入的無機納米顆粒可以阻礙水樹的生長，改善材料的介電性能[7]。同時，借助硅烷偶聯劑將有機絕緣本體與無機納米顆粒偶聯起來，形成有機-無機納米復合填充材料，提高XLPE電纜絕緣性能[8]。XLPE電纜絕緣基體與納米顆粒的偶聯模型如圖3所示。

該種修復方法具體是向電纜水樹區注入無機金屬醇鹽修復液，醇鹽會與水樹區內的水分直接發生化學反應，生成無機納米凝膠顆粒，阻止水樹的生長[9]。同時，硅烷及其水解產物中含類似于偶聯劑的大量羥基，在XLPE電纜基體與無機納米顆粒材料間形成化學鍵連接，使XLPE電纜基體與修復填充物更加牢固緊實。此外，無機納米材料具有優異的提高電壓擊穿，抑制放電和吸收紫外線的表現，進一步說明了基于納米復合填充材料的修復方法能夠有效地修復存在水樹劣化的XLPE電纜。

4 結束語

水樹的存在會大幅度降低XLPE電纜的絕緣性能，通過對水樹的分析研究，本文提出并分析了XLPE電纜水樹劣化的幾種常用診斷方法的優劣，指出了解決水樹劣化修復較有效的方法，為更好地解決XLPE電纜絕緣水樹劣化情況提供了一定的參考。然而，實際應用還有待進一步的研究實踐。

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