國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司 楊春飛

1 引言

20世紀(jì)八十年代，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜已經(jīng)在國內(nèi)許多城市進行應(yīng)用，但是由于XLPE 電纜在長期應(yīng)用過程中，因為受熱、潮濕、化學(xué)品或電氣因子的作用，物理性質(zhì)及化學(xué)變化也可能發(fā)生變化，由此造成的電纜絕緣能力逐漸減弱，更會出現(xiàn)絕緣斷裂的問題[1]。通過大量試驗證實，在低頻下測量電纜介質(zhì)損耗，能夠精確反應(yīng)絕緣導(dǎo)線的老化情況，鑒于中國電纜和外國產(chǎn)品相比在材質(zhì)、設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)等方面都存在著差別，為了處理這些情況，我國提供比較全面的標(biāo)準(zhǔn)評價框架以確定最優(yōu)分類評價閾值的標(biāo)準(zhǔn)方法，通過與IEEE400.2-2013標(biāo)準(zhǔn)對照，為構(gòu)建比較適合我國電纜情況的評價方法提供借鑒。

2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化原因

2.1 外部原因

交聯(lián)聚乙烯電纜運行時的負(fù)載電流會產(chǎn)生一定熱量，使內(nèi)部交聯(lián)聚乙烯分子的C-H 鍵中氫原子脫離，發(fā)生氧化自由基鏈反應(yīng)，從而降低電纜抗拉強度、斷裂強度等性能，老化現(xiàn)象有裂紋和氧化裂紋。當(dāng)電纜在工作電壓下長期工作時，D228壽命模型為指數(shù)律時，根據(jù)電纜缺陷、尺寸、形狀的不同，會出現(xiàn)不同程度的電壓老化現(xiàn)象。同時，在運輸期間也會受到外界的影響和擠壓所帶來的影響，從而出現(xiàn)一些裂紋和微變形，造成機械老化。交聯(lián)聚乙烯電纜在含硫化物環(huán)境工作時，如果硫化物穿過保護護套與銅線反應(yīng)生成氧化銅、硫化銅等物質(zhì)，一旦進入內(nèi)部絕緣缺陷，就會產(chǎn)生化學(xué)分支的老化現(xiàn)象。

2.2 內(nèi)部原因

交聯(lián)聚乙烯內(nèi)部的氣隙、裂紋等缺陷是較為常見的缺陷類型，在實際高壓電場所帶來的作用下會出現(xiàn)局部放電的情況，其中帶電粒子沖擊會使絕緣材料中分子鏈斷裂，而氧化分解產(chǎn)生熱量引起的反應(yīng)會使絕緣材料表面被腐蝕，從而形成腐蝕坑，腐蝕坑引起的電軸不斷擴張，最終導(dǎo)致絕緣擊穿和放電局部老化。在電纜所在環(huán)境中，由于濕度和電場共同作用下，材料內(nèi)部還可能存在由充滿水微孔相連的樹枝狀通道，在表面親水的情況下，樹枝不斷擴大。出現(xiàn)老化的枝晶現(xiàn)象[2]。尤其是當(dāng)絕緣材料中混入金屬物質(zhì)后，很易產(chǎn)生局部電荷集中、電樹、水樹等問題，從而造成絕緣性能的急劇減少甚至喪失。

3 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化的影響因素

3.1 水樹老化

水樹老化是指電纜等隔熱材料在交流電場和濕度共同影響下出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，在周圍環(huán)境影響下，終極點中會逐漸發(fā)育出某些微通道，從而產(chǎn)生水樹，當(dāng)水樹發(fā)育到一定階段之后，便會迅速成為帶電作業(yè)的樹枝，進而產(chǎn)生充放電，從而加快絕緣老化過程，并在最后造成隔熱層破壞。水樹老化因素較為復(fù)雜，其中涉及的環(huán)境溫度、水分子含量、外部運動、土壤及其自身水分子特征均能影響其生長發(fā)育，溫度與水樹的生長發(fā)育速率以及從水樹向電樹的過渡情況有關(guān)。但科學(xué)研究已經(jīng)證實，水樹的生長發(fā)育速率在較高溫時也有提高，是由于氣溫上升可以減少水樹的動力學(xué)特性，如微孔增加和水含量提高以及鹽分子的擴大等，都是由非均勻分布的熱運動情況所決定的，在溫度下，還能在一定程度上提高水樹生長發(fā)育速率等[3]。在同等條件下，與自來水環(huán)境相比，含有Cl-、SO44+等離子的水會使XLPE電纜更容易產(chǎn)生水樹，而水樹生長速度是自來水環(huán)境的3～4倍，所以水樹木在NaCl，KCl，F(xiàn)eCl，F(xiàn)eSO4等溶液中生長速度會進一步加快，即使在同一根電纜上，絕緣上的機械應(yīng)力因位置而異。與靜態(tài)參考電纜相比，在機械應(yīng)力最大點發(fā)現(xiàn)水樹的密度明顯更高。

3.2 電樹老化

電纜絕緣層存在雜質(zhì)、氣泡或凸起等缺陷，會使電場局部集中，引起局部電氣故障，形成樹枝狀放電通道。電軸從開始到長大是一種非常復(fù)雜的電腐蝕現(xiàn)象，會受到電纜狀態(tài)、介質(zhì)類型和微觀結(jié)構(gòu)的影響，電樹一旦形成，就會在電場作用下不斷發(fā)展，直至完全擊破絕緣層，形成穿透性放電通路，使交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣層失去原有絕緣能力，最終導(dǎo)致斷電。交聯(lián)聚乙烯電纜在運行過程中始終承受不同的交流電壓，不同類型電壓對電樹的萌生和發(fā)展有重大影響，發(fā)現(xiàn)初始鎖定電壓與升壓速度有關(guān)，兩者呈負(fù)相關(guān)，升壓速度越快，初始鎖定電壓越低，在電纜上施加不同電壓直至絕緣擊穿，電樹擊穿通道的形狀是不同的。隨著外加電壓的升高，電樹啟動時間縮短，電纜絕緣擊穿時間縮短，電樹平均生長速度也會處于減慢的情況。在相同外部條件下，正極性直流電場下的電樹平均生長速率均高于負(fù)極性，且電樹的生長速率隨直流電壓升高呈明顯增加趨勢，若外加電場是疊加的沖擊電流，當(dāng)預(yù)設(shè)壓力值低于單片作用電軸起始壓力閾值的40%時，在交聯(lián)聚乙烯電纜中電軸起始壓力將由外加電流確定，但是，當(dāng)交流壓力增加至閾值以上時，擊穿電流將會由于使用的交流電壓提高而減小，所以空間電荷在使用電軸時起關(guān)鍵作用[4]。

4 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化超低頻介損試驗分析

4.1 超低頻介損檢測原理

交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣材料在一定壓力時會出現(xiàn)電壓損失，這個消耗定義為介電損耗，是由電解質(zhì)電導(dǎo)、局部放電和極化現(xiàn)象等因素導(dǎo)致。通常材料損耗角的數(shù)值只和材料特性相關(guān)，隨著時間的增加，介電損耗數(shù)值也會減小，而隨著工作年限增長，導(dǎo)線絕緣時也會發(fā)生部分老化現(xiàn)象，會使得其有功功率變化極小，可忽略或不計，而絕緣線路在老化時材料消耗值比一般情況更高。因此，可用于評估絕緣老化情況，并可以通過計算材料消耗來確定交聯(lián)聚乙烯電纜的老化情況，將導(dǎo)線介電損耗值分為電導(dǎo)損耗、極化損耗和部分放電的損失值[5]。

在一般情況下，導(dǎo)線介電常數(shù)和外部電流頻率無關(guān)，但一旦導(dǎo)線內(nèi)部老化，導(dǎo)線內(nèi)部就需要相應(yīng)的電流以解決內(nèi)部摩擦力。試驗結(jié)果表明，在超低頻介損試驗后，由于電纜內(nèi)部極化情況很明顯，所以對介質(zhì)損耗影響并不明顯，而一旦采用超低頻電壓，對介質(zhì)損耗的改變就會很大，介質(zhì)損耗隨時間變動軌跡如圖1所顯示，因而，利用超低頻介損試驗測量電纜介質(zhì)損失有著重大價值，有利于迅速檢測設(shè)備磨損和線路結(jié)構(gòu)老化。

圖1 介質(zhì)損耗隨頻率變化曲線

4.2 超低頻介損現(xiàn)場測試方法

2018年我國制定了《35kV 及以下超低頻（0.1Hz）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜耐壓試驗方法》，在通過大量測試之后證明，如果能夠通過這種檢測方法，就可以確保使用超低頻高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的電流可以更加合理地檢測，在檢測中，還可以通過自行設(shè)置0.1Hz 主系統(tǒng)的測量系數(shù)，使其在校正好的超低頻介損時產(chǎn)生正弦波，對正在測試的電纜施加低頻電壓時，將采集到的結(jié)果信息上傳。具體的測試方案主要是在測試前，需要確定導(dǎo)線上的電源全部斷開后，使待測導(dǎo)線全部通過懸垂達(dá)到所要求的安全位置后撤離現(xiàn)場，通過兆歐表檢查被測導(dǎo)線的絕緣電阻，為保證測試安全，在測試前必須進行放電工作，被測導(dǎo)線的近端通過跨線橋連接至主機箱，要求應(yīng)確保其處于安全連接的基礎(chǔ)上，并估算被測導(dǎo)線在通過0.5Uo、溫度系數(shù)Uo 和1.5Ub 三個電壓等級后的介質(zhì)損耗。

4.3 測試結(jié)果及分析

對某區(qū)域的10kV 以上配電電纜線路開展超低頻介質(zhì)損失的檢測，現(xiàn)場測量結(jié)果如圖2所顯示，基于已獲取的電纜檢測信息，按照IEEE400.2-2013考核指標(biāo)，將多個正處在不需要檢修行為階段的電纜，綜合推薦進行監(jiān)測和需要檢修行為階段的情況下，建立總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)。隨著試驗距離的增長，不需維持操作的電纜與需維持操作狀態(tài)電纜之間的介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)大多都處在慢慢回升至基本恒定值情況下，在經(jīng)過進一步推薦試驗時間后測試，電纜介質(zhì)損耗值明顯高于不維持操作情況下的電纜，也就是在電纜上浸水后。由于負(fù)載的增加，電纜的絕緣線破裂，從而加快水樹的生長速度，造成LLD 介質(zhì)損耗值的上升，這也就反映出標(biāo)準(zhǔn)IEEE400.2-2013中的介質(zhì)消耗變化值。

圖2 現(xiàn)場測試

此外，由于外部電流的增加，水分子劇烈振蕩，使得電纜導(dǎo)電能力逐漸降低，進而提高損耗，線路老化情況越嚴(yán)重，介質(zhì)損失值愈高，說明線路處于嚴(yán)重老化的情況，要想滿足絕緣線路的整體運行水平，需要達(dá)到線路沒有局部退化的基本前提。

5 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化超低頻介損評價規(guī)程研究

目前，IEEE 400.2-2013國際標(biāo)準(zhǔn)共有三個標(biāo)準(zhǔn)，即介質(zhì)損耗隨時間穩(wěn)定性、介質(zhì)損耗變化率和介質(zhì)損耗的平均值，利用這一國際規(guī)定，可以初步判斷交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化程度。但需要強調(diào)的是，IEEE 400.2-2013的評估標(biāo)準(zhǔn)是建立在數(shù)千條電纜實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，判斷閾值的實際情況主要是利用經(jīng)驗累積分布函數(shù)得出，這一階段已有的研究成果指出，電纜構(gòu)造條件也可能會影響介損測量，如對電纜屏蔽及護套、絕緣層材質(zhì)的選用以及電纜的生產(chǎn)年份等。但評價標(biāo)準(zhǔn)的制訂環(huán)境不同，無法全面應(yīng)用到我國，因此，在交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化超低頻介損試驗期間應(yīng)以IEEE400.2-2013標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，形成適應(yīng)中國的評價框架，這也是十分重要的內(nèi)容。

6 結(jié)語

在交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化分析期間，使用超低頻介損試驗就可以將其老化特性直接表現(xiàn)出來，由此可見，兩者之間具有較強的相關(guān)性特征，如果使用傳統(tǒng)的工頻電壓測試方法則無法將其實際情況反映出來，而使用超低頻介損試驗則可以將其電纜老化的具體指標(biāo)表現(xiàn)出來，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的局部退化與老化現(xiàn)象時，測得的介損耗值會增加，介損耗很難達(dá)到準(zhǔn)確反應(yīng)整條電纜的老化情況，因此，在使用介損耗判斷整條電纜運行時，應(yīng)注意電纜處有沒有嚴(yán)重的局部劣化。在此基礎(chǔ)上，主要采用超低頻介損試驗的方式就可以對現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)進行分析，確定適合我國使用的特低頻介質(zhì)損耗評價標(biāo)準(zhǔn)，為交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化的檢測提供依據(jù)。