交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣診斷技術(shù)研究

鄭小虎

（國網(wǎng)荊州供電公司，湖北 荊州 434000）

近年來，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)用電、居民用電的需求逐漸增加，電力行業(yè)的重要作用愈加明顯，對電力領(lǐng)域的上游、下游企業(yè)也提出了更高的要求。在供配電系統(tǒng)中，電力電纜的應(yīng)用較為廣泛。其類型主要包括交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜、橡膠電纜、油浸式電纜等，這些電纜的主要區(qū)別是其絕緣材料的不同而導(dǎo)致其電氣性能差異。其中，XLPE 電纜因其具有較長的使用壽命、易于安裝并且在電力輸送方面具有高性能等優(yōu)點在城市配電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。

實際運用中XLPE 電纜在運輸及安裝過程中易受到機械外力帶來的損傷。不僅如此，XLPE 電纜在施工時也常因不規(guī)范操作而致使其過早退役，如過度彎曲、表皮刮傷、電纜接頭部分破損等。除此之外，XLPE電纜由于存在敷設(shè)線路長，運行環(huán)境復(fù)雜等特點，容易受到溫度、濕度、機械外力、化學(xué)成分腐蝕絕緣材料等外部因素的影響，致使其絕緣材料的性能下降，嚴重時可能發(fā)生較大的電力事故。據(jù)文獻記載，電纜絕緣材料老化是電纜退役的主要原因，電纜絕緣內(nèi)部由于多種復(fù)雜因素出現(xiàn)水樹，水樹不斷生長最終導(dǎo)致絕緣失效，因此如何診斷XLPE 電纜的絕緣情況極為重要。

針對XLPE 電纜絕緣老化診斷國內(nèi)外已開展大量研究。其中，利用拉升度對電纜進行機械強度測試判斷其老化程度，但此方法對電纜本體造成永久損傷，因此類似于拉力等理化試驗并不適用于現(xiàn)場無損診斷。近些年來，基于介質(zhì)響應(yīng)理論的無損檢測技術(shù)被廣泛使用，電介質(zhì)在外電場的作用下，會產(chǎn)生電介質(zhì)電導(dǎo)和極化現(xiàn)象，利用介電響應(yīng)技術(shù)可將介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與宏觀介電參數(shù)聯(lián)系起來，進而實現(xiàn)對介質(zhì)絕緣老化狀態(tài)的有效評估。目前，以極化/去極化電流（PDC）法和頻域介電譜法為代表的介電響應(yīng)技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于XLPE 電纜的絕緣診斷。

1 交聯(lián)聚乙烯電纜老化機理及絕緣診斷方法

1.1 交聯(lián)聚乙烯電纜老化機理

交聯(lián)聚乙烯電纜主要由銅芯、聚乙烯絕緣層、半導(dǎo)體層、屏蔽層等組成，單相XLPE 電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于XLPE 電纜絕緣而言，聚乙烯絕緣層是其最重要的絕緣保護結(jié)構(gòu)。在實際制作XLPE 電纜的過程中，由于制作工藝水平有限，聚乙烯絕緣部分難以避免混入微量污染顆粒，污染顆粒主要指交聯(lián)劑和抗氧化劑。

圖1 交聯(lián)聚乙烯電纜結(jié)構(gòu)

實際運行中的電纜常受到溫度、水分等多種因素的影響。已有研究表明，受潮濕影響或有水樹的電纜中通常存在充水微孔隙。隨著電纜運行年數(shù)的增加，電纜絕緣部分的水樹通道不斷擴張，同時污染顆粒可能在電場和水樹老化的雙重的作用下逐步發(fā)生形變，聚乙烯絕緣不斷惡化。通常認為，老化是聚乙烯內(nèi)部由電應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的變化，導(dǎo)致宏觀降解，從而失去絕緣性能。極化/去極化測試回路如圖2 所示。

圖2 極化/去極化測試回路

1.2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣診斷技術(shù)

目前，常見的電纜絕緣老化診斷技術(shù)有耐壓試驗法、在線監(jiān)測方法、基于介電特性的檢測方法等。這些方法有其各自的優(yōu)缺點，如表1 所示。本文綜合考慮試驗要素與現(xiàn)有條件，采用介電響應(yīng)技術(shù)中的PDC法對不同服役年限的XLPE 電纜開展試驗。

表1 電纜絕緣老化診斷方法

2 PDC 試驗及結(jié)果

首先將運行3 年、8 年電壓等級為10 kV 的XLPE電纜均截取5 m，分別標記為A1、A2。隨后對樣本進行剝皮處理，對樣本進行切片、染色后放置于顯微鏡下觀測，發(fā)現(xiàn)A1 電纜有微量氣泡狀小孔，無水樹，而在A2 中發(fā)現(xiàn)一個水樹，其長度約為326 μm，如圖3所示。將樣品按圖2 所示的回路相連接進行PDC 試驗。測試結(jié)果如圖4 所示，2 條曲線擬合程度分別為0.965、0.947。

圖3 水樹照片

圖4 A1、A2 電纜極化電流

由圖4 可以看出，A2 電纜極化電流初始值明顯高于A1，10 s 內(nèi)極化電流值迅速下降，最后趨于穩(wěn)定值。隨著電纜運行年限的增加，其受到更多外部因素影響，導(dǎo)致絕緣老化較為嚴重，其極化電流曲線呈上升趨勢。由于運行年限較長，受水分、溫度的影響較大，其絕緣內(nèi)部水分含量可能增加，絕緣內(nèi)部缺陷增多。同時，受老化較為嚴重的電纜的絕緣內(nèi)部分子鏈斷裂并發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生少量羰基、羧基等極性基團，最終導(dǎo)致極化電流值增加。

實驗表明，極化/去極化電流法能夠反映交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化程度，但由于現(xiàn)場干擾因素較多，使得極化電流曲線較不平滑。交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣性能較好，其極化電流值約為10A 量級，電流值極小，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)人為走動或發(fā)聲都會對極化電流產(chǎn)生較大的波動。因此，極化/去極化電流法存在一定的局限性，在實際電纜診斷中可以結(jié)合掃頻法等多種診斷方法對交聯(lián)聚乙烯電纜實現(xiàn)綜合診斷。

3 總結(jié)

本文通過介電響應(yīng)技術(shù)中的極化/去極化法對實際運行年限的交聯(lián)聚乙烯電纜進行絕緣狀態(tài)診斷，結(jié)果表明，極化電流曲線隨著XLPE 電纜絕緣老化程度的加深整體上移，因此極化/去極化法可以反映電纜絕緣老化程度。在實際測試現(xiàn)場，該方法極易受到環(huán)境因素的干擾導(dǎo)致極化/去極化電流值產(chǎn)生較大波動，電纜絕緣老化診斷結(jié)果可能有一定程度的誤差，因此該方法可以輔助現(xiàn)場測量。極化/去極化電流法通過對介質(zhì)充電和放電，極化電流值反映充電過程電流的變化，而去極化電流反映介質(zhì)放電過程中的電流變化，本文僅對極化電流進行研究，其去極化電流同樣存在豐富的信息，本文為后續(xù)開展去極化電流的分析以及深入探討電纜絕緣老化機理奠定一定的基礎(chǔ)。