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本文基本信息 來源：《絕緣材料》2019年第2期 作者：周凱，陳澤龍，尹游，李天華 單位：四川大學 電氣信息學院隨著電纜運行年限的增加，我國許多城市電網(wǎng)的電纜線路老齡化問題愈加嚴重，引起了工業(yè)界和研究學者的廣泛關注。數(shù)十年的運行經(jīng)驗表明，除安裝不當和外力破壞外，電纜的絕緣老化是導致電纜停電事故最主要的原因，而水樹老化是電纜絕緣老化和壽命縮短的主要誘因之一。由于我國早期在電纜安裝、敷設和運行環(huán)節(jié)的重視不夠，出現(xiàn)如電纜共溝率高、電纜溝積水等問題，其運行環(huán)境不佳。水分會在電場的作用下聚集在微觀缺陷處，最終在電纜的絕緣內(nèi)部形成水樹。水樹的出現(xiàn)將導致電纜的絕緣水平與擊穿電壓顯著下降，當系統(tǒng)中有過電壓侵入時，水樹極易轉化為電樹從而導致絕緣直接擊穿，引發(fā)停電事故。 本文對交聯(lián)聚乙烯電纜的水樹老化及其診斷技術的研究進展進行回顧，介紹交聯(lián)聚乙烯電纜中的水樹老化現(xiàn)象及其潛在的危害，對水樹的定義、特征、生長機理及其生長過程中的影響因素等方面的研究成果進行闡述。分析并比較水樹的各種診斷技術，包括微觀表征、傳統(tǒng)介電性能測試以及新型診斷測試技術。 1.1 水樹的定義 關于水樹的定義，R ROSS等認為，水樹是發(fā)生在絕緣內(nèi)部的一種永久性的材料降解現(xiàn)象，由內(nèi)部充滿水的空洞群組成。水樹枝結構包括許多微米級的親水性孔洞和存在于無定形區(qū)的納米級通道，這些通道將孤立的親水性空洞連接成一片水樹劣化區(qū)域。因此，水樹枝結構也可以被描述為由微米級孔洞和納米級通道形成的樹枝發(fā)散狀的絕緣缺陷，通?？捎谩罢渲榇蹦Ｐ蛠砻枋鏊畼渲Φ慕Y構形態(tài)，如圖1所示。 圖1 水樹的珍珠串模型 1.2 水樹的特征 XLPE中的樹枝狀絕緣老化缺陷通?？梢苑譃樗畼浜碗姌鋬煞N，根據(jù)文獻顯示，典型的水樹結構通常具有以下幾個特征： ①永久性：水樹是一種永久的絕緣材料降解現(xiàn)象，這種樹枝狀結構一旦形成，不會因為水樹區(qū)域的水分進出和干濕狀態(tài)轉換而消失。 ②親水性：水樹區(qū)域表現(xiàn)出親水性，其典型的水分含量為1%，遠高于電線電纜制造規(guī)范要求的電纜絕緣含水量（一般為0.01%）。 ③可染色性：通過亞甲基藍溶液對水樹進行染色能夠在光學顯微鏡下輕易將其與周圍的交聯(lián)聚乙烯基體區(qū)分開。 ④自愈性：由于水樹被視為由充滿水的空洞和通道構成，且XLPE是一種具有蠕變性質的材料，當施加電場消失后，伴隨著材料內(nèi)存儲的電機械應力的釋放，水樹通道由打開轉向關閉，水樹通道由濕至干狀態(tài)轉變，電纜絕緣出現(xiàn)有所提升和恢復的特性。 ⑤非線性：水樹的介電響應呈現(xiàn)非線性的特性。 1.3 水樹的生長機理 根據(jù)當前相關的研究成果，可將普遍認同的水樹生長機理歸為4 類：電機械理論、擴散理論、電化學氧化理論和條件依靠理論。一般認為，電機械理論適用于分析運行環(huán)境中水樹的形成，而電化學理論則適用于分析實驗室加速老化實驗中水樹的形成。 1.4 水樹生長的影響因素 水樹的生長過程中水分、電場、電壓頻率、離子和溫度等諸多因素均能對水樹的引發(fā)及生長產(chǎn)生影響。 （1）外施電壓：外施電壓的幅值、頻率與極性等與水樹的生長過程關系密切，隨著電壓幅值的升高，水樹的生長速率和長度顯著提升。 （2）離子：離子在水樹生長過程中在電場的作用下進入水樹內(nèi)部并成為其主體的一部分。大多數(shù)離子均能促進水樹的生長，極少數(shù)離子（Fe3+、Cu2+、Al3+等）能抑制水樹的引發(fā)與生長。 （3）機械應力：通常機械張力促進水樹生長，而機械壓力則是抑制水樹生長。 （4）溫度：相關學者認為，溫度越高水樹枝生長越緩慢、水樹體積越小，也有研究發(fā)現(xiàn)，水樹生長存在轉折溫度，在轉折溫度處水樹生長受到一定抑制。 （5）取向：研究發(fā)現(xiàn)水樹在沿取向方向上的生長速度明顯提高，并可能呈現(xiàn)異常的生長形態(tài)，目前材料取向與水樹生長的研究包括電場取向與力學取向。 2.1 材料的微觀表征方法 交聯(lián)聚乙烯為半結晶聚合物，電纜本體絕緣在水樹的生長過程中常伴隨著內(nèi)部晶區(qū)結構的破壞、材料分子鏈的斷裂以及氧化還原反應等。因此可以從電纜絕緣層取樣，采用紅外光譜分析（IR）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、差示掃描量熱分析（DSC）與X 射線衍射分析（XRD）等對水樹老化電纜的微觀結構及理化性能進行表征。 微觀測試手段是衡量電纜水樹老化狀態(tài)最直觀且有效的方法，但由于測試中的絕緣取樣具有破壞性，一般適用于退運電纜和實驗室老化樣本的研究與測試，并不適用于運行電纜的檢測。 2.2 傳統(tǒng)介電性能測試 電纜絕緣中生成水樹缺陷后，由于水樹區(qū)域與周圍XLPE 基體的介電性能相差很大，將會引起絕緣材料宏觀介電性能的變化。因此研究者通過對電纜絕緣的擊穿電壓、泄漏電流、介質損耗因數(shù)、絕緣電阻等介電性能進行測試，對比新電纜樣本的參數(shù)，評估電纜的相對老化程度。此外，由于水樹結構具有直流下的極性效應與交流下的整流效應，可以采用直流成分法、直流疊加法、諧波分量法、交流疊加法等檢測水樹老化電纜的特征信號，判斷電纜是否發(fā)生了水樹老化。 然而，傳統(tǒng)的介電性能測試均存在著不同程度的局限性，擊穿電壓測試對絕緣本體具有破壞性，泄漏電流、介質損耗因數(shù)、絕緣電阻測試等能夠間接反映絕緣的整體狀態(tài)，但不能直接反映電纜的局部水樹老化。 2.3 新型診斷測試技術 2.3.1 超低頻介損法 在阻性損耗為主的情況下，tanδ在頻率較低時具有更大的數(shù)值，因此在低頻下測量電纜的介損能夠更靈敏地反映其絕緣狀態(tài)。IEEE Std 400.2TM-2013 也將0.1 Hz 下的介損測試列入電纜現(xiàn)場實驗和評估的手段之一。然而，需要指出的是，超低頻下的介損能否等效代替工頻介損，用以反映工頻下運行電纜的絕緣狀態(tài)仍然值得進一步研究。其次，由于采用的是高達1.5U0的0.1 Hz超低頻電壓，極有可能激發(fā)絕緣中的潛在缺陷對電纜造成二次傷害。 2.3.2 空間電荷法 近年來，有研究者通過測量空間電荷來表征水樹老化程度，取得了良好的效果?？臻g電荷法作為一種非破壞性測試，能夠獲取介質內(nèi)部空間電荷分布等諸多信息?？臻g電荷的測試方法主要有3種：電聲脈沖法（PEA）、壓力波法（PWP）與熱脈沖法（TSM）。 目前空間電荷測試中，PEA法由于受干擾相對較小、測試簡單等優(yōu)點而使用較多，而TSM法由于能夠針對實際全尺寸電纜測試，最具實際應用前景?；赑EA 法的空間電荷測試分辨率與靈敏度較高，能夠實現(xiàn)薄片XLPE試樣空間電荷的無損、精確測量，但目前針對絕緣較厚的實際全尺寸電纜進行測量存在困難。除此之外，PEA法對壓電傳感器精度、信號處理與重構算法等有較高要求?；赑WP法測試系統(tǒng)的分辨率與PEA 法處于同一數(shù)量級，但PWP法的高壓回路與信號回路只存在耦合電離，其信號極易受到外部干擾噪聲的影響。TSM法則能夠針對實際全尺寸電纜進行測量，但實際測試過程中脈沖電流幅值往往較小，信號的抗干擾與后續(xù)處理等需要進一步研究。 2.3.3 殘余電荷法 傳統(tǒng)的殘余電荷法首先向水樹老化電纜施加直流電壓，這時水樹區(qū)域會積累空間電荷，一段時間后接地，此時仍有部分被深陷阱捕獲的空間電荷（即殘余電荷）存在于絕緣中，隨后向電纜施加交流電壓，殘余電荷得以釋放，通過對比不同電纜樣本在此過程中的直流成分及其對時間積分的差異，可以評價絕緣水樹的老化程度。 殘余電荷法的相關研究雖然較多，但實際工業(yè)應用卻未見相關報道。其次，殘余電荷法的測試設備體積較大、如何去除直流雜散電流的干擾以及建立不同長度電纜的測試數(shù)據(jù)庫以準確評估電纜的水樹老化程度等問題也有待進一步研究。此外，在直流電壓預壓下，電纜絕緣內(nèi)部注入的空間電荷是否會對絕緣造成二次損傷也未有相關評估。 2.3.4 極化去極化電流法 極化去極化電流法（polarization and depolarization current，PDC）是一種非破壞性并且可靠的測試手段，通過測量材料的介電響應并從中提取相應的老化特征參數(shù)，能夠有效診斷電纜絕緣的水樹老化程度。 PDC測試通常對測試樣本施加直流電壓，一段時間后將樣本短接，如圖4 所示，通過測試回路中產(chǎn)生的極化與去極化電流，分析絕緣的直流電導率、非線性系數(shù)、老化因子等特征參數(shù)，以此衡量絕緣的老化程度。 圖2 極化去極化電流測試結果示意圖 需要指出的是，PDC法雖然能夠較好地判斷水樹老化電纜的劣化程度，但目前并不能對未知電纜的具體老化形式（水樹老化、熱老化、絕緣受潮等）作出準確判斷。其次，由于水樹通常被視為非線性元件，水樹老化電纜絕緣的介電響應往往也是非線性的，即其測試結果（電導率、介電常數(shù)、介質損耗因數(shù)等）通常隨測試電壓的不同而呈現(xiàn)較大的差別，因此進一步研究測試電壓對這些參數(shù)的影響成為該方法能否工業(yè)化應用的關鍵。 3.1 水樹的抑制和解決措施 水樹是絕緣內(nèi)部缺陷在水分與電場的長期作用下形成的，因此，針對XLPE 電纜中的水樹，未來的抑制與解決思路主要有以下幾種： ①改變交聯(lián)方式：改變交聯(lián)方式能夠有效減少電纜絕緣中的含水量和微孔數(shù)量及尺寸（如將濕法交聯(lián)改為干法交聯(lián)），抑制水樹的引發(fā)起始點與必要的生長條件。 ②材料的凈化處理：將材料進行超凈化處理，消除局部的電場集中。目前電纜擠出生產(chǎn)線采用“三層共擠”技術，能夠同時擠出絕緣層和絕緣屏蔽層，大幅度減少了絕緣和雜質接觸的機會。 ③ 材料改性：采用抗水樹交聯(lián)聚乙烯（TR-XLPE）作為電纜的絕緣材料，或對絕緣材料進行改性，抑制水分在電場下的遷移，從而達到抑制水樹生長的目的。 ④絕緣修復技術：對于已經(jīng)產(chǎn)生水樹老化的電纜，采用基于硅氧烷注入的絕緣修復技術，能夠在填充水樹區(qū)域的同時，提高電纜的絕緣性能。 3.2 診斷技術的改進 未來的診斷技術應在已有研究的基礎上，實現(xiàn)水樹老化電纜絕緣狀態(tài)的無損檢測與直觀評估，同時為了減少停電時間，診斷技術應向在線檢測與耗時較少的方向發(fā)展。 版權聲明：此文為作者原創(chuàng)。 |
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