水樹老化附件對XLPE電纜檢測影響的研究

鄭小虎

（國網荊州供電公司，湖北 荊州 434000）

1 研究背景

電力電纜在運行過程中受電應力或電纜制造上局部缺陷的影響，其絕緣介質會發生局部的電擊穿和化學分解，使整體材料的絕緣性能下降，即電纜絕緣受到不同程度的老化。

為了對電纜老化狀態進行評估，基于各種原理的電力電纜絕緣診斷方法相繼被開發出來，但這些方法往往針對的是電纜本體的絕緣檢測。在一條電纜輸配電線路中，往往存在幾十個中間接頭和終端，電纜及電纜附件都會經受電場、機械應力以及外界環境的影響。隨著運行時間的推移，電纜附件也勢必會發生老化，同時，考慮到電纜附件中電場分布不均勻，在絕緣斷口處存在電應力集中的現象，且電纜附件整體絕緣性能與現場手工制作工藝相關，電纜附件的老化狀態在一定程度上要比電纜本體更加嚴重[1]。因此，研究電纜附件發生老化后對電纜本體檢測的影響是必要的。

國內外學者研究表明，直埋中壓電力電纜運行環境復雜，長期受到水分、電場、溫度等因素的影響，XLPE電纜中水樹的生長是不可避免的，水樹枝是導致交聯聚乙烯電纜絕緣壽命縮短的主要因素[2]。電纜附件的附加絕緣在惡劣環境下也會生成水樹枝或電樹枝老化，使介質損耗增大導致局部過熱擊穿。在中壓電纜的水樹研究中，發現水樹老化XLPE電纜絕緣具有介電非線性現象，介電頻譜和介電常數等電氣參數對水樹枝較為敏感。隨著水樹老化程度的增加，低頻處的介質損耗因數會出現顯著增高，低頻下的介質損耗因數與XLPE電纜的水樹枝具有強烈的相關性。在最新的IEEE Std.400.2—2013規程中，已明確提出采用低頻下介質損耗因數作為評價電纜絕緣狀態的重要指標。

本文中電纜及附件的老化因素主要考慮的是水樹老化，建立電纜及附件等相關模型，以低頻下的介質損耗因數反映水樹老化附件對電纜本體絕緣的影響。

2 電纜及附件相關模型的建立

為了研究水樹老化附件對電纜本體檢測的影響，需建立電纜模型和附件模型，并將它們進行組合，設置了2組對照組。組1用來研究完好絕緣或水樹老化附件對完好絕緣電纜在低頻下介質損耗因數測量的影響，分別為完好電纜與完好附件組合、完好電纜與水樹老化附件組合、無附件的完好電纜；組2用來研究完好絕緣或水樹老化附件對水樹老化電纜低頻下介質損耗因數測量的影響，分別為水樹老化電纜與完好附件組合、水樹老化電纜與水樹老化附件組合、無附件的水樹老化電纜。

其中完好電纜與完好附件的組合是指2段完好絕緣的電纜中間由1個完好絕緣的中間接頭所連接。同理，完好電纜與水樹老化附件組合是指2段完好絕緣的電纜中間由1個水樹老化的中間接頭所連接。無附件的完好電纜是指2段完好絕緣電纜，中間沒有中間接頭。水樹老化電纜與完好附件組合是指2段水樹老化絕緣的電纜中間由1個完好絕緣的中間接頭所連接。水樹老化電纜與水樹老化附件組合是指2段水樹老化絕緣的電纜中間由1個水樹老化的中間接頭所連接。無附件的水樹老化電纜組合是指2段水樹老化電纜直接連接，無中間接頭。

為了接近實際運行情況，電纜模型中每段電纜長度采用200 m，所選取的電纜為XLPE電纜，線芯面積為240 mm2，絕緣厚度為4.5 mm，額定電壓為15 kV，適用于10 kV輸電網絡系統。

加拿大魁北克水力研究所的研究人員采用頻域介電譜法對一些電纜接頭和電纜終端進行了一系列的研究[3]。中間接頭分為完好絕緣、人為老化和現場老化3種情況，通過實驗測量獲取每個附件在0.01 Hz下的虛部電容（C″）。因此，本文采用文獻[3]中所提供的附件數據對電纜附件進行建立模型，J1為未老化預制接頭附件，虛部電容為1 pF；J4為現場老化預制接頭附件，虛部電容為4.6 pF。

2.1 完好絕緣的電纜建模

完好絕緣的單芯電纜可以等效為電阻電容并聯電路，其中電阻R、電容C參數可以由式（1）求得：

式（1）中：σ為電導率；l為介質長度；Dc為線芯導體直徑；Δ為絕緣厚度；ε0為真空介電常數；εr為介質相對介電常數。

2.2 完好絕緣的中間接頭建模

完好中間接頭采用文獻[3]中J1預制接頭。為了簡化電纜附件存在電應力分布不均勻等復雜情況，可采用一定長度的完好絕緣電纜進行替代。

利用介質損耗因數定義和已獲得未老化中間接頭的虛部電容參數，利用式（2）可得附件的實部電容：

由式（1）可得單位長度完好電纜的電容為306.8 pF/m，完好電纜在0.01 Hz下介質損耗因數值取10-4。該中間接頭等效完好電纜的長度為：

通過上述計算可得J1中間接頭可等效為32.595 m長的完好絕緣電纜，進而可用已建立的電纜并聯RC模型表征J1中間接頭的參數電阻為R0(J1)、電容為C0(J1)。

2.3 水樹老化的電纜建模

聚合物絕緣材料中會均勻地分布一些微小的空穴，在足夠的電場應力下，水分會經過材料的無定型區滲透到自由體積空穴中，一段時候后會在小空穴中聚集起來，形成充水微孔。與此同時，聚合物基體受到電應力的擠壓，充水微孔逐漸變成橢球形，電纜絕緣缺陷處容易形成高電場強度區，缺陷周圍的XLPE分子鏈受到幅值不斷變化的麥克斯韋應力的作用，電場畸變越嚴重處的XLPE材料分子鏈斷裂越嚴重[4-5]。隨著水分的侵入，水樹以細枝的形態發展，逐漸形成水樹通道和含水微孔。水樹老化電纜截面可用雙層環形介質表征，其中外圍環形區域為水樹區域，內部環形區域為完好絕緣區域。利用雙層介質理論，含有水樹的電纜絕緣可以表征為水樹區域等效電阻電容并聯，完好絕緣區域等效電阻電容并聯，兩者串聯后即為含有水樹的電纜絕緣等值電路。

水樹電纜的模型受到水樹長度及水樹數量的影響。通常現場退出運行電纜中水樹長度占到電纜絕緣總厚度的40%，對部分經過15～25年現場運行的電纜進行切片，最長水樹已占到絕緣厚度的70%[6]。因此，考慮到最嚴重的情況，選取水樹平均長度已達到絕緣厚度的70%，且水樹均勻生長在絕緣層中的一個同心圓環區域。假設近似單個水樹為圓柱形狀，貫穿水樹區域，水樹均勻生長在厚度為0.5 mm的電纜片中，則單位厚度一周電纜中相當于n1個水樹并聯。1 m長度水樹老化電纜相當于n2片電纜片并聯而成，單位長度水樹等效電阻、電容參數可通過模型計算得出。

2.4 水樹老化的中間接頭建模

水樹老化中間接頭參數選取現場老化預制接頭J4。類似于完好絕緣的中間接頭的建模方法，將水樹老化中間接頭等效為一定長度的水樹老化電纜。已知0.01 Hz下現場老化預制接頭J4的虛部電容為4.6 pF，因此利用水樹老化電纜的模型參數計算0.01 Hz下介質損耗因數值，得到等效水樹老化電纜的長度，最終獲得等效并聯的R、C參數。

2.5 各模型參數計算結果

通過計算獲得各模型參數，200 m完好電纜等效并聯R、C參數分別為3.3×1012Ω和61×10-8nF，水樹老化電纜的等效并聯R、C參數分別為6.6×109Ω和1.6×10-7nF。水樹老化電纜的電阻參數遠小于完好電纜的電阻參數，但老化電纜的電容參數大于完好電纜的。水樹老化的電纜和附件等效R、C參數均發生了一定的變化。老化后電纜和附件的絕緣電阻減小，電容增大。

按照電纜及附件對照組的分類，將4種模型參數放入等效電路，完好電纜、水樹老化電纜、完好附件、水樹老化附件、無附件的完好電纜、無附件的水樹老化電纜共計6種情況分別計算等效電路的參數，并求出在0.01 Hz下其整體介質損耗因數，分析水樹老化附件對電纜本體檢測的影響。

通過計算得出，完好附件對無附件的完好電纜的整體介質損耗因數的影響可以忽略不計；具備老化附件的完好電纜相比于具備完好附件的完好電纜，其介質損耗因數增大約1倍，但整體介質損耗因數量級仍保持在10-4數量級，具備老化附件的完好電纜對完好電纜的整體介質損耗因數的影響有限；擁有完好附件的老化電纜會減小無附件的老化電纜的整體介質損耗因數，擁有老化附件的老化電纜對無附件的老化電纜的影響可以忽略，不影響對電纜本體老化狀態的評估。

3 結論

本文利用國外文獻中電纜附件的測量數據，就低頻介質損耗因數檢測中電纜附件對電纜本體檢測的影響進行了研究，建立了理想的完好附件、水樹老化附件、完好電纜與老化電纜模型，針對附件絕緣完好、絕緣老化2種情況進行了討論得出：完好附件對電纜整體介質損耗因數影響可以忽略，老化附件僅在電纜本體絕緣完好情況下會對電纜整體存在有限的影響，考慮到數量級增長很小，老化附件不會影響電纜整體介質損耗因數的測量。