交联聚乙烯电缆绝缘诊断技术研究

郑小虎

（国网荆州供电公司，湖北 荆州 434000）

近年来，随着经济快速发展，工业用电、居民用电的需求逐渐增加，电力行业的重要作用愈加明显，对电力领域的上游、下游企业也提出了更高的要求。在供配电系统中，电力电缆的应用较为广泛。其类型主要包括交联聚乙烯（XLPE）电缆、橡胶电缆、油浸式电缆等，这些电缆的主要区别是其绝缘材料的不同而导致其电气性能差异。其中，XLPE 电缆因其具有较长的使用寿命、易于安装并且在电力输送方面具有高性能等优点在城市配电网中发挥着重要作用。

实际运用中XLPE 电缆在运输及安装过程中易受到机械外力带来的损伤。不仅如此，XLPE 电缆在施工时也常因不规范操作而致使其过早退役，如过度弯曲、表皮刮伤、电缆接头部分破损等。除此之外，XLPE电缆由于存在敷设线路长，运行环境复杂等特点，容易受到温度、湿度、机械外力、化学成分腐蚀绝缘材料等外部因素的影响，致使其绝缘材料的性能下降，严重时可能发生较大的电力事故。据文献记载，电缆绝缘材料老化是电缆退役的主要原因，电缆绝缘内部由于多种复杂因素出现水树，水树不断生长最终导致绝缘失效，因此如何诊断XLPE 电缆的绝缘情况极为重要。

针对XLPE 电缆绝缘老化诊断国内外已开展大量研究。其中，利用拉升度对电缆进行机械强度测试判断其老化程度，但此方法对电缆本体造成永久损伤，因此类似于拉力等理化试验并不适用于现场无损诊断。近些年来，基于介质响应理论的无损检测技术被广泛使用，电介质在外电场的作用下，会产生电介质电导和极化现象，利用介电响应技术可将介质内部微观结构与宏观介电参数联系起来，进而实现对介质绝缘老化状态的有效评估。目前，以极化/去极化电流（PDC）法和频域介电谱法为代表的介电响应技术已逐渐被应用于XLPE 电缆的绝缘诊断。

1 交联聚乙烯电缆老化机理及绝缘诊断方法

1.1 交联聚乙烯电缆老化机理

交联聚乙烯电缆主要由铜芯、聚乙烯绝缘层、半导体层、屏蔽层等组成，单相XLPE 电缆结构如图1所示。对于XLPE 电缆绝缘而言，聚乙烯绝缘层是其最重要的绝缘保护结构。在实际制作XLPE 电缆的过程中，由于制作工艺水平有限，聚乙烯绝缘部分难以避免混入微量污染颗粒，污染颗粒主要指交联剂和抗氧化剂。

图1 交联聚乙烯电缆结构

实际运行中的电缆常受到温度、水分等多种因素的影响。已有研究表明，受潮湿影响或有水树的电缆中通常存在充水微孔隙。随着电缆运行年数的增加，电缆绝缘部分的水树通道不断扩张，同时污染颗粒可能在电场和水树老化的双重的作用下逐步发生形变，聚乙烯绝缘不断恶化。通常认为，老化是聚乙烯内部由电应力和热应力引起的变化，导致宏观降解，从而失去绝缘性能。极化/去极化测试回路如图2 所示。

图2 极化/去极化测试回路

1.2 交联聚乙烯电缆绝缘诊断技术

目前，常见的电缆绝缘老化诊断技术有耐压试验法、在线监测方法、基于介电特性的检测方法等。这些方法有其各自的优缺点，如表1 所示。本文综合考虑试验要素与现有条件，采用介电响应技术中的PDC法对不同服役年限的XLPE 电缆开展试验。

表1 电缆绝缘老化诊断方法

2 PDC 试验及结果

首先将运行3 年、8 年电压等级为10 kV 的XLPE电缆均截取5 m，分别标记为A1、A2。随后对样本进行剥皮处理，对样本进行切片、染色后放置于显微镜下观测，发现A1 电缆有微量气泡状小孔，无水树，而在A2 中发现一个水树，其长度约为326 μm，如图3所示。将样品按图2 所示的回路相连接进行PDC 试验。测试结果如图4 所示，2 条曲线拟合程度分别为0.965、0.947。

图3 水树照片

图4 A1、A2 电缆极化电流

由图4 可以看出，A2 电缆极化电流初始值明显高于A1，10 s 内极化电流值迅速下降，最后趋于稳定值。随着电缆运行年限的增加，其受到更多外部因素影响，导致绝缘老化较为严重，其极化电流曲线呈上升趋势。由于运行年限较长，受水分、温度的影响较大，其绝缘内部水分含量可能增加，绝缘内部缺陷增多。同时，受老化较为严重的电缆的绝缘内部分子链断裂并发生一系列化学反应，产生少量羰基、羧基等极性基团，最终导致极化电流值增加。

实验表明，极化/去极化电流法能够反映交联聚乙烯电缆绝缘老化程度，但由于现场干扰因素较多，使得极化电流曲线较不平滑。交联聚乙烯电缆绝缘性能较好，其极化电流值约为10A 量级，电流值极小，在实验过程中发现人为走动或发声都会对极化电流产生较大的波动。因此，极化/去极化电流法存在一定的局限性，在实际电缆诊断中可以结合扫频法等多种诊断方法对交联聚乙烯电缆实现综合诊断。

3 总结

本文通过介电响应技术中的极化/去极化法对实际运行年限的交联聚乙烯电缆进行绝缘状态诊断，结果表明，极化电流曲线随着XLPE 电缆绝缘老化程度的加深整体上移，因此极化/去极化法可以反映电缆绝缘老化程度。在实际测试现场，该方法极易受到环境因素的干扰导致极化/去极化电流值产生较大波动，电缆绝缘老化诊断结果可能有一定程度的误差，因此该方法可以辅助现场测量。极化/去极化电流法通过对介质充电和放电，极化电流值反映充电过程电流的变化，而去极化电流反映介质放电过程中的电流变化，本文仅对极化电流进行研究，其去极化电流同样存在丰富的信息，本文为后续开展去极化电流的分析以及深入探讨电缆绝缘老化机理奠定一定的基础。