针对常用XLPE电力电缆运行中的失效形式分析

罗平+胡骏

摘 要：XLPE电力电缆自运行投运以来，凭借着自身优良的电气性能和机械性能逐渐地取代了传统的充油电缆和油浸纸电缆，从而被广泛地应用于城市配电网中，并且逐步应用到高压和超高压电网中。但大量实践表明，电缆在运行中由于绝缘老化导致的故障也屡见不鲜，老化现象进一步导致各种失效，各种检修工作带来巨大的人力与物力资源的浪费。

关键词：XLPE电缆；老化；失效

中图分类号：TM247 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0173-02

引言

在电能传输的过程中，电能传输随着国民经济的增强，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆及附件制造、安装、运行管理技术水平的提高，城市电网的电缆化率有了飞速的发展，中高压电力电缆年投运量10万公里以上，并且呈逐年上升的趋势。电缆由于敷设于地下，不占地面空间，有利于市容美观；而且同一地下电缆通道可以容纳多回线路，输送容量适应性强；受自然条件和周围环境影响较小，配合环网柜、分接箱等设备，可进行多线路联络，运行方式较为灵活，可大大减少停电次数和停电范围，使得配网供电可靠性得以提高。

1 LPE电力电缆的性能要求

容量越大、电能损耗与电压损耗越小、传输电能载体的正常使用寿命越长，则电能传输就越经济，其电力电缆结构图如下：

XLPE电力电缆作为电能传输的一种载体，为满足电能传输的经济性要求，需具备的主要性能有以下四点。

1.1 优良的导电性能

导电性能是针对电缆导体而言的，导电性能越好，电能损耗与电压损耗越小，电能输送的成本越低以及电压质量也越高。

1.2 优良的绝缘性能

绝缘性能是针对绝缘层而言的，绝缘性能越好，电能损耗越小，电能输送越经济。绝缘性能的特征量有绝缘电阻、介电常数、介质损耗、击穿场强等。绝缘电阻与介电常数决定了泄漏电流的大小；泄露电流越小，绝缘层引起的损耗即介质损耗就越小；击穿场强越高，则电缆抗高压冲击性越好，电缆越不易破坏，因而正常使用寿命越长。

1.3 优良的机械性能

机械性能是针对电缆整体而言的，机械性能越好，电缆正常使用寿命越长。机械性能的特征量主要有拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度、硬度等。电缆在制造、运输、敷设的过程中会产生拉应力、弯曲应力、摩擦力等，这些对寿命都有决定性作用。

2 XLPE电力电缆运行中常见失效形式

交联聚乙烯（XLPE）电力电缆失效指失去其应有的功能。失效即失去原有功能的含义包括三种情况：（1）组成元件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从而完全丧失其功能。（2）组成元件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能。（3）组成元件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。

XLPE电力电缆失效形式：

根据XLPE电力电缆实际的运行检修及故障统计可知，XLPE电力电缆常见的失效部位是绝缘层和外护套；绝缘层的失效形式主要表现为击穿和老化，外护套的失效形式主要表现为腐蚀。

（1）绝缘击穿和绝缘老化。绝缘击穿在XLPE电力电缆工程实际中是一种较为普遍的现象；绝缘击穿后直接导致电缆丧失传输电能的功能。（2）外护套腐蚀。外护套的腐蚀是由于活性介质如外界强电场、化学元素、微生物、辐照等作用导致护套开裂、穿孔的现象，从而丧失对电缆绝缘层的保护功能。

综上所述，XLPE电力电缆的绝缘老化是引起电缆失效的关键原因，也是导致XLPE电力电缆后期运行中故障频发的决定性因素，因而是影响XLPE电力电缆正常使用寿命的关键因素，直接决定了XLPE电力电缆的正常使用寿命，即绝缘老化过程持续时间越长，XLPE电力电缆的正常使用寿命越长，绝缘老化过程持续时间越短，则XLPE电力电缆的正常使用寿命越短。

3 XLPE电力电缆绝缘老化特性分析

3.1 化学反应速率

化学反应速率是指在给定条件下反应物转变成生成物的速率；速率的快慢通常用平均速率或瞬时速率来衡量。目前，在国内外影响较大、理论本身较为直观、理论发展较为成熟的化学反应速率理论是有效碰撞理论。

3.2 化学反应速率的影响因素

根据化学常识，影响化学反应速率的因素主要有反应物的浓度、反应进行时的温度以及外加的催化剂。

（1）浓度对反应速率的影响；（2）温度对反应速率的影响。

根据化学反应速率与反应物浓度的函数关系可知，反应物的浓度与化学反应速率常数同时决定着化学反应速率的快慢。阿雷尼乌斯定律定量描绘了温度与化学反应速率常数间的函数关系见式：

式中：kc-表示化学反应速率常数；A0-表示指前因子；e-表示自然對数的底；Ea-表示活化能；R-表示气体常数。

（3）催化剂对反应速率的影响

4 XLPE电力电缆绝缘老化

因温度是影响XLPE电力电缆绝缘老化的主要因素，由温度引起的老化通常称为热老化。XLPE电力电缆绝缘热老化过程中发生的化学反应主要是热降解反应。降解反应分为解聚反应、无规断链反应和侧基消去反应。解聚反应是由于分子中的薄弱点在热能的作用下链节脱落形成单体并在脱落部位产生游离基；无规断链反应的过程是分子主链中弱键断裂产生游离基的过程；侧基消去反应的过程就是侧基的断裂产生游离基的过程。XLPE电力电缆绝缘热老化过程中发生的化学反应主要是热降解反应。降解反应分为解聚反应、无规断链反应和侧基消去反应。解聚反应是由于分子中的薄弱点在热能的作用下链节脱落形成单体并在脱落部位产生游离基；无规断链反应的过程是分子主链中弱键断裂产生游离基的过程；侧基消去反应的过程就是侧基的断裂产生游离基的过程。绝缘层的热降解反应速率由反应速率常数决定，由于温度决定着反应速率常数的大小进而决定了热降解反应的快慢，也即决定了热老化速率的快慢，热老化速率随着温度的升高而加快。

XLPE电力电缆绝缘老化的表现特征：

由于XLPE电力电缆绝缘热老化的过程是一个物理变化与化学变化的过程，随着物理变化与化学变化的进行，必然伴随着绝缘材料性能的变化，主要是机械性能和电气性能的变化。

（1）机械性能变化。描述交联聚乙烯机械性能的特征量有断裂伸长率、冲击强度、拉伸强度、弯曲强度、硬度等。

（2）断裂伸长率。断裂伸长率是表征交联聚乙烯弹性性能的指标，通过拉伸试验可以测量到。断裂伸长率的值为试样在拉断时伸长的长度与原长的比值。由于交联聚乙烯在温度影响下其断裂伸长率的变化明显且呈单调变化形式，所以常作为交联聚乙烯热老化程度评判的重要特征量。

（3）冲击强度。冲击强度是由冲击试验测得的指标，它能量度塑料在高速负荷下的韧性，所以亦称作冲击韧性。交联聚乙烯的冲击强度随着其老化程度的加剧而逐渐减小。冲击强度在评定韧性大而伸长不太大的老化时是较常用、且灵敏和可取的指标。

（4）电气性能变化。描述交联聚乙烯的电气性能的特征量主要有绝缘电阻、介质损耗tg？啄、泄露电流、击穿场强等。电容充电电流；属于无功电流分量，是由电容和材料的弹性极化引起的，与材料结构、形状、尺寸大小与外加电压等因素有关而与绝缘能力的强弱无关；介质吸收电流，包含有功电流分量与无功电流分量，是由材料松弛极化所引起的电流，它与材料的结构、性能、温度、外加电压等因素有关；泄露电流，属于有功电流分量，是由绝缘材料的电导率与外加电压所决定。

5 结束语

尽管XLPE电力电缆有许多值得被广泛应用的优点，但是热、电、氧、机械应力、化学元素、外界环境条件等恶劣的运行环境使电缆绝缘老化与绝缘破坏导致故障发生的例子已屡见不鲜，所以展开对电缆的绝缘老化方面研究是具有一定性意义。

参考文献：

[1]李红雷，张丽，李莉华.交联聚乙烯电力電缆在线监测与检测[J].2010，43（12）：31-34.

[2]祁双庆.66千伏及以上电力电缆绝缘在线监测系统研发与应用[D].北京：华北电力大学，2011.

[3]戴金源.交联聚乙烯电缆局部放电在线检测研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[4]俞钟祺.电缆工作寿命的评定方法[J].天津商学院学报，2002，22（3）：32-34.