基于殘留電荷的高壓電纜絕緣劣化性能研究

國網上海市電力公司市北供電公司 王 強 楊 騰 張 玥

對高壓電纜絕緣性能進行研究開始于高壓電纜的應用，電纜測試方法最初是通過油紙絕緣電纜實現測試目標的，能夠適應電纜絕緣特性，最開始衡量絕緣性能的優良程度的策略是測量導體電阻的概況。基于此，針對絕緣電阻測量，部分學者投入研究之中，并取得了客觀的成果，制定出符合標準的絕緣電阻兆歐表。借助于兆歐表能夠對電纜相對地、相與相之間存在的絕緣電阻進行檢測，這也為后來判斷方法的發展提供一定參考依據與標準。經過研究，發展出新的判斷策略，即介質損耗試驗方法。通過此方法的應用能夠有效地呈現電纜的損耗程度與級別。通過各個國家研究人員的探索與驗證，發現這一策略在檢測交聯聚乙烯電纜水樹老化概況具有較強的有效性。

1 高壓電纜XLPE與水樹分析

1.1 高壓電纜XLPE結構分析

根據在輸電線中常用的XLPE的電芯數量可以分為單芯XLPE和三芯XLPE，在110kV及以上電壓等級中一般是使用單芯XLPE，這種結構主要由導電線芯、內屏蔽層、絕緣層、外屏蔽層、金屬套和外層等構成，如圖1所示。

1.2 高壓電纜水樹特性分析

在交聯聚乙烯電力電纜XLPE運行中，容易出現“水樹”的情況下，最早是發現在運行的直埋式交聯聚乙烯電纜中，后來隨著XLPE在電力傳輸中的應用越來越廣，人們對電纜運行的安全要求也在逐漸提高，對水樹的引發與生長機理、水樹結構和相關特性進行了大量的研究。水樹與電纜運行中出現的老化和故障有著緊密的關系，將水樹和電纜的故障診斷結合起來對相關的技術進行了研究。

為了能夠及時發現電纜絕緣層中的水樹枝，避免電纜因為絕緣性能降低出現輸電故障，現在使用較多的就是基于殘留電荷法對不同的水樹老化程度進行檢測，并結合在絕緣電纜運行的過程中，電壓頻率和運行時間對殘留電荷量的影響。

圖1 高壓電纜單芯XLPE結構

2 高壓電纜絕緣性能研究方法

目前，國內外對交聯聚乙烯電纜XLPE的絕緣性能研究主要有直流成分與疊加法、在線介質損耗角正切法、局部放電在線監測法和低頻疊加法和接地線電流法。

2.1 直流成分與疊加法

如果在XLPE電纜絕緣層中產生了水樹枝，電纜在交流電壓的作用下由于水樹枝具有一定的整流作用下，就會在電纜回路中產生直流分量，而且直流分量的大小與電纜絕緣層中產生的水樹枝密度有著緊密的正相關關系，可以利用檢測到的直流分量的大小對電纜的絕緣老化程度進行判斷。

2.2 介質損耗角正切法

XLPE絕緣的介質損耗角正切tanδ很小，電壓信號和電流信號相位測量難度較大，而且容易受到絕緣電阻的影響，測量精度還有待提高。對高壓電纜絕緣介質損耗角進行分析，可以利用高壓電纜的等值向量圖進行分析，如圖2所示。

圖2 高壓電纜絕緣等值相量圖

2.3 局部放電法

局部放電法是利用了電纜局部放電量與絕緣性能之間的密切關系，并利用得到的電纜局部放電試驗的測試結果對電纜的絕緣老化進行研究。

2.4 低頻疊加法

低頻疊加法是將低頻電壓接入電纜高壓回路的高壓端與地之間，為低頻電流提供了流通的回路，在電纜和接地之間利用檢測設備測量電纜的接地線上的低頻電流。利用低頻疊加法可以對絕緣電纜層進行等效電路分析，將電纜絕緣層看做是由電阻和電容并聯的RC等值電路，可以利用等值電路對流過電纜絕緣層的低頻容性電流Ic=UωC和阻性電流進行計算，根據得到的兩種不同的電流值對電纜的絕緣性能進行評估。

2.5 接地線電流法

對電纜絕緣層中的水樹枝進行研究，可以發現水樹枝與電纜介質損耗角正切tanδ的大小有關，水樹枝現象發展的同時，電纜介質損耗角正切tanδ增大，電纜中電容增量ΔC也增大，電纜的擊穿電壓UBD降低。通過電纜介質損耗角正切tanδ的變化可以知道電纜的絕緣老化情況，電纜絕緣層電容發生變化，會是電纜的接地電流ΔIg也會發生變化，可以利用檢測設備對電纜的接地電流進行檢測，根據檢測到的電纜絕緣層上的接地電流的變化量ΔIg對電纜的絕緣老化情況判斷。

3 高壓電纜絕緣性能研究

3.1 絕緣劣化殘留電荷研究

對XLPE絕緣性能進行研究，通過對出現的水樹枝化的交聯聚乙烯電纜的殘留電荷進行分析，在XLPE絕緣中主要存在以下兩種電荷。

3.1.1 離子型電荷

離子型電荷是在電纜絕緣層中出現水樹枝后，積聚于水樹枝頂端的由水分電離離子與雜質離子組成的電荷，這種電荷并不是穩定的，會隨著XLPE存在的交變電場的變化產生周期性的變化，可以利用XLPE中的交變點成對離子型電荷進行控制。

3.1.2 陷阱型空間電荷

陷阱型空間電荷是電纜在直流電場的作用下，在電纜絕緣層中的水樹枝尖端由于較高場強的電場在注入交聯聚乙烯絕緣缺陷的陷阱中產生的電荷，這種電荷受XLPE中的絕緣層中的水樹枝老化的程度影響，老化越嚴重，注入電荷的程度越嚴重。陷阱型空間電荷消除的難度較大，不能利用簡單的兩個電極短接的方法消除XLPE電纜中的陷阱型空間電荷，需要在較高的交變電場或是脈沖高電壓的作用下才能對XLPE中的陷阱型空間電荷進行短暫消除。在工程測試中可利用陷阱型空間電荷和電纜絕緣性能之間的關系，對電纜的絕緣好壞進行判斷，在電纜絕緣層中陷阱型空間電荷越少表明電纜的絕緣性能越好，反之則表明電纜的絕緣性能變差。

根據分析知道電纜的水樹枝與電纜的絕緣性能有著密切的關系，對電纜水樹枝進行研究可以間接地對電纜的絕緣狀態進行評估。對電纜水樹枝進行研究常用的方法的是等效電路模型和殘留電荷法，這種方法的原理如圖3所示。

在圖3（a）中，當在電纜的電芯中施加直流電壓Vdc時，根據殘留電荷的等值回路知道，施加的直流電流會在電容C與Cx上會累積空間電荷。如果將施加的直流電撤除，而且將電纜的電芯接地，電容Cx上累積的空間電荷就會瞬間釋放，但是電容C上累積的空間電荷Q=CR不能瞬間釋放，需要按照時間常數τ=RC的速度釋放，而且難以完全釋放，會有部分電荷殘留在電容C中，如圖3（b）所示。利用同樣的方法對在電纜的電芯上施加交流電壓Vac，在交流電的作用下C上的空間電荷為Q0，在施加交流電后，對電纜的進行檢測，可以得到電纜上的空間電荷量的計算式為：

圖3 殘留電荷法等值回路

在式（1）中，t為交流電壓Vac作用的時間，Q0是施加交流電壓Vac時絕緣電纜中的空間電荷量，Q（t）按照時間常數τ=RC從零增加到Q0，在電荷量增加的過程中逐漸趨于飽和。

電纜在運行中出現的水樹枝具有非線性的特性，在對電纜施加交流電的過程中，由于水樹枝的非線性，電纜的電阻是一個隨著時間常數τ=RC變化，電容C上的空間電荷的釋放速度也是逐漸變快，這個過程如圖3（c）所示，可以通過檢測等效回路中的直流電對空間電荷量進行計算，利用計算得到的電纜絕緣層中的陷阱空間電荷量對電纜的老化和絕緣性能進行判斷，這種對電纜的絕緣檢測方法就是殘留電荷法。

3.2 絕緣劣化理化研究

絕緣劣化理化研究常用的方法有熱重測試法、紅外光譜測試法和機械性能測試法

3.2.1 熱重測試法

熱重測試法是根據測試的對象物質質量與溫度之間的關系，通過控制溫度得到兩者的關系曲線的方法，即熱重曲線，也成為TG曲線，這種方法的測試原理如圖4所示。

圖4 熱重測試原理圖

3.2.2 紅外光譜測試法

紅外光譜測試法是在紅外技術發展后開始應用的一種測量方法，在測試時利用不同物質吸收紅外光譜的不同，對物質的分子結構進行分析。電纜在運行過程中，如果出現了老化，電纜的構成微觀結構會發生變化，而且還會產生新的物質成分，導致紅外光譜出現變化。根據紅外光譜可以對電纜的老化程度進行判斷，常用的是傅立葉紅外光譜測試法，原理如圖5所示。

圖5 傅里葉紅外光譜測試原理圖

3.2.3 機械性能測試法

機械性能測試法需要借助拉力機進行測試試驗，通過力學拉伸機測試XLPE材料的斷裂能數據，分析材料老化后彈性模量等力學參數的變化，對這些數據進行求平均值后進行統計，根據得到的測試數據對電纜老化進行分析，研究電纜結構發生的變化。機械性能測試法使用的是啞鈴試樣方法如圖6所示。

圖6 啞鈴試樣圖

4 結語

本文主要對高壓電纜XLPE的水樹特性和絕緣性能進行了研究，分析了高壓電纜XLPE的結構，并對電纜水樹特性發生的原因和特點進行了分析，根據高壓電纜絕緣中存在的離子型電荷和陷阱型空間電荷的特點，重點研究了絕緣劣化殘留電荷和理化特性，總結了高壓電纜絕緣性能相關的作用，為高壓電纜的絕緣狀態分析和運行維護提供了方法。