敖偉

摘 要：電力電纜是電力系統(tǒng)中的重要組成成分，對于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。文章對于電力電纜的可靠性進(jìn)行了研究，為系統(tǒng)運(yùn)行人員檢修和操作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電力電纜；電力系統(tǒng)；可靠性

1 影響電力電纜附件運(yùn)行可靠性的因素分析

在電纜輸電線路中，必然會存在電纜終端頭和中間接頭。與電纜本體故障相比，電纜中間接頭和終端頭絕緣介質(zhì)中的電場畸變，會導(dǎo)致局部放電的發(fā)生。由于電纜附件改變了電纜本體的結(jié)構(gòu)，電纜中的內(nèi)外半導(dǎo)體屏蔽層被切斷，改變了電纜中的電位和電場強(qiáng)度的分布。特別是中，高壓以上的電纜終端頭以及中間接頭在外金屬屏蔽層切斷處電場強(qiáng)度最為集中，發(fā)生突變的可能性最大。

電纜附件發(fā)生絕緣故障與其選用，制作工藝和結(jié)構(gòu)等有著密切的關(guān)系。接下來將從以下幾個方面對其進(jìn)行分析：

（1）電纜接頭繞包的絕緣層過厚，散熱困難導(dǎo)致發(fā)熱故障

繞包式絕緣材料的體積電阻率，介電系數(shù)與電纜相比要小一些。強(qiáng)電場作用下，電纜附件絕緣材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗以及泄露電流的增加會造成電纜附件發(fā)熱。絕緣材料繞包過多，由于絕緣的加厚，使得熱量難以散發(fā)，當(dāng)絕緣材料內(nèi)部熱量積累到一定程度時，絕緣材料分子會受到破壞造成熱擊穿事故。故在保證電纜接頭電氣絕緣性能和機(jī)械性能的前提下，要求絕緣的熱阻盡可能小一些。

（2）電纜附件選用的材料質(zhì)量和施工質(zhì)量的影響

電纜附件由于其特殊性，在安裝前是不存在完整的產(chǎn)品電纜附件中繞包用的絕緣帶，半導(dǎo)電帶等材料性能的好壞對電纜的安全運(yùn)行至關(guān)重要，電纜附件的絕緣水平和運(yùn)行壽命在很大程度上取決于材料的優(yōu)劣。比如劣質(zhì)的壓接管會出現(xiàn)砂眼，裂紋，外表粗糙，管壁薄厚不均勻，出現(xiàn)毛刺等問題，在長期負(fù)荷運(yùn)行下使得導(dǎo)線芯的接觸電阻增大，引起電場嚴(yán)重畸變。

（3）電纜附件應(yīng)力管的體積電阻率和介電常數(shù)的影響

應(yīng)力管的介電常數(shù)大，有利于改善電場畸變時的電位分布，但是過大的介電常數(shù)會引起電容電流產(chǎn)生熱量，造成應(yīng)力控制材料老化。由于絕緣材料本身的限制，介電常數(shù)難以提的過高，而體積電阻率也不允許太低。對于電纜中間接頭和終端頭而言，電場分布與電纜本體相比復(fù)雜得多，電場更為集中，等位面彎曲嚴(yán)重，若不及時妥善的處理，在一定條件下，將會形成閃絡(luò)，損傷電纜及其附件的絕緣介質(zhì)。

2 絕緣材料的老化特性

2.1 絕緣的熱老化

與電纜本體一樣，接頭和終端也同樣長期處于較高的溫度下運(yùn)行。但是兩者也有區(qū)別，運(yùn)行中的電纜里只有兩個熱源，一是導(dǎo)體通過電流產(chǎn)生的損耗（I2R）轉(zhuǎn)變成熱能；另一個是在絕緣材料在電壓作用下產(chǎn)生的損耗（U2ωCtgδ）也轉(zhuǎn)變成熱能。除此之外，電纜附件（接頭和終端）里還多了一個熱源，那就是導(dǎo)體連接處的接觸電阻，在通過電流時也要產(chǎn)生損耗，變成熱能。尤其是電纜接頭，若導(dǎo)體連接不可靠，運(yùn)行一段時間后就會因?yàn)檫^熱而擊穿。

熱場不僅與熱源有關(guān)，還與熱阻有關(guān)。熱阻大，散熱困難，溫度就高。從這個角度來看電纜附件也比電纜本體差。就接頭而言，因成型條件差，加上電場畸變，故絕緣厚度比電纜本體的絕緣厚。為了密封和機(jī)械保護(hù)，接頭外面還要加很多防護(hù)層，使得總的熱阻要比電纜熱阻大很多?？梢姡谔幚聿划?dāng)?shù)那闆r下，接頭絕緣的熱老化要比電纜本體嚴(yán)重得多。

電工設(shè)備長期在運(yùn)行溫度作用下，由于絕緣材料發(fā)生熱分解和熱氧化裂解等反應(yīng)，造成分子量、交聯(lián)度、結(jié)晶度的變化，使材料發(fā)脆、厚度減薄、形成氣隙，生成新的離子雜質(zhì)和揮發(fā)物，導(dǎo)致材料的性能劣化。

熱分解和熱氧化裂解的反應(yīng)速度v隨溫度T升高而增加，可用阿倫尼烏斯方程表示：

■ （1）

式中R為氣體常數(shù)，A為常數(shù)，E為活化能。多數(shù)材料的E約為（8～10）×104（J/mol）。

熱氧老化屬于自由基鏈?zhǔn)阶源呋趸磻?yīng)，機(jī)理如下：

鏈引發(fā)

RH→R.+.H（熱、氧、光或催化劑作用）（2）

鏈增長

R.+O2→ROO （3）

ROO.+RH→ROOH+R. （4）

鏈轉(zhuǎn)移

ROOH→RO.+.OH （5）

2ROOH→RO.+ROO.+H2O （6）

鏈終止

R.+R.→R-R （7）

ROO.+ROO.→穩(wěn)定產(chǎn)物+O2 （8）

R.+ROO.→ROOR （9）

上述式中RH表示橡膠大分子，R.表示自由基，RO.表示氧化自由基，ROO.表示過氧化自由基。

研究表明：天然橡膠、乙丙橡膠、丁基橡膠和硅橡膠等，在使用過程中的熱氧老化都屬于此種形式。

2.2 絕緣的電老化

電纜接頭與終端里的電場分布要比電纜本體復(fù)雜得多。電纜絕緣內(nèi)，徑向電位分布是不均勻的，軸（縱）向電位分布基本上是均勻的，但是在電纜附件里就不然，不僅徑向電位分布不均勻，軸（縱）向電位分布也是不均勻的，出現(xiàn)了軸向電場。對于接頭，是因?yàn)閮?nèi)外電極（即導(dǎo)體連接處和絕緣外屏蔽層）結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而引起的。戶內(nèi)、外終端就更復(fù)雜了，由于導(dǎo)電線芯引出在外，終端絕緣外表面就有了電位，而且分布很不均勻。

由此可見，電纜附件里的電場分布遠(yuǎn)比電纜復(fù)雜，而且局部地方電場強(qiáng)度很高，若處理不當(dāng)，就會引起絕緣擊穿或閃絡(luò)（終端）。高壓電工設(shè)備中因介質(zhì)不均勻或電場分布不均勻，特別是在固體或液體材料內(nèi)部或表面存在氣體，就可能產(chǎn)生局部放電。放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)會直接轟擊絕緣材料，使材料分解；在放電點(diǎn)可產(chǎn)生很高的溫度，使材料發(fā)生熱裂解或碳化；放電也可能產(chǎn)生各種新的生成物（如臭氧等）而腐蝕材料；放電會發(fā)出各種射線及聲波，對材料也會起破壞作用。這些都會引起絕緣材料老化。

2.3 其他老化因素

絕緣材料在許多場合下要承受各種機(jī)械應(yīng)力的作用，有恒定的、振動的，有熱脹冷縮循環(huán)的。這些應(yīng)力會導(dǎo)致蠕變破壞或疲勞破壞。在戶外使用的絕緣材料受日光直接照射，在紫外線作用下也會發(fā)生老化。在核反應(yīng)堆、X射線裝置中用的絕緣材料受到輻射作用，均會發(fā)生老化。絕緣材料受潮會使電導(dǎo)增大，加大損耗。水還會溶解許多物質(zhì)，加速導(dǎo)致老化的各種化學(xué)反應(yīng)。酸、臭氧等也會導(dǎo)致化學(xué)老化。對于某些絕緣材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的電場強(qiáng)度下也會發(fā)生樹枝現(xiàn)象（見固體電介質(zhì)擊穿）。此外，在溫?zé)釒У貐^(qū)絕緣材料會受到各種微生物的損害，即所謂微生物老化。

電纜附件的成型環(huán)境遠(yuǎn)不如電纜，電纜是在工廠內(nèi)由機(jī)器生產(chǎn)出來的，而電纜附件是靠施工人員現(xiàn)場手工操作完成的，兩者的環(huán)境條件（包括溫度、濕度、清潔度等等）相差很大。其質(zhì)量控制遠(yuǎn)不如在工廠內(nèi)由機(jī)器生產(chǎn)的電纜優(yōu)越。

3 結(jié)束語

綜上所述，無論是從熱場分布，還是電場分布；成型（或生產(chǎn)）過程，還是成型（或生產(chǎn)）的環(huán)境條件，電纜附件都比電纜本體差得多，所以運(yùn)行故障率高也是必然的。

絕緣材料在使用或貯存過程中，其性能隨時間發(fā)生的不可逆的劣化。造成絕緣材料老化的因素很多，排除環(huán)境因素對絕緣材料的影響，絕緣材料的老化主要是電老化、熱老化和機(jī)械老化等。