110 kV电缆长期运行下其电缆附件的老化绝缘性能分析

摘 要：【目的】超过设计使用寿命的电缆附件仍具有良好的电气和机械性能，但目前尚缺乏根据电缆状态评估其使用寿命的有效方法。为了能全方位诊断电缆长期运行中存在的问题，对退役后的电缆附件性能进行深入分析。【方法】对长期运行的电缆附件的老化性能进行分析，采用电缆切片对电缆电气绝缘状态及表面电阻率、体积电阻率进行测试，并通过静电位测量对其电荷陷阱密度进行测试。【结果】结果表明，当退役电缆的绝缘失效的累积概率为63.2%时，击穿电压均在30 kV左右，这说明电缆附件的电气强度具有较高的一致性。然而，样品的表面电阻率和体积电阻率却显著不同，电荷陷阱密度测试结果表明，其陷阱能级存在差异，这也进一步说明了其电荷消散速率不同。【结论】通过分析退役电缆的电气特性，可实现对运行电缆出现的故障及时排查和预警，并为电缆状态诊断提供重要参考。

关键词：退役电缆；电缆端子；寿命设计；绝缘击穿

中图分类号：TM247" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）22-0008-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.002

Analysis of Aging Insulation Performance of Cable Accessories of

110 kV Cable Under Long-Term Operation

Abstract： [Purposes] Power cables accessories that have exceeded their designed service life still have good electrical and mechanical properties. Currently， there is a lack of effective methods to evaluate the service life of cables accessories based on their status. Therefore， in-depth analysis of the performance of retired cables can comprehensively diagnose problems that exist in the long-term operation of cables. [Methods] This paper analyzes the aging performance of cables accessories under long-term operation， uses cable slices to test the electrical insulation status， surface resistivity and volume resistivity of the cables， and tests their charge trap density through electrostatic potential measurement. [Findings] The results show that the breakdown voltage of retired cables is around 30kV at 63.2%， indicating a high consistency of the electrical strength of cable accessories. However， the surface resistivity and volume resistivity of the samples are significantly different， and the charge trap density test results show that there are differences in their trap energy levels， which further illustrates their different charge dissipation rates. [Conclusions] By analyzing the electrical characteristics of decommissioned cables， timely troubleshooting and early warning of operating cable faults can be achieved， providing important reference value for cable status diagnosis.

Keywords： decommissioning cables; cable terminal; life design; insulation breakdown

0 引言

随着城市化进程的不断推进，电力设备朝小型化方向发展。电力电缆因占地面积小、可靠性高、便于维护等独特的优势在配电网中的应用日益广泛，电力电缆使用率随着城市的建设、发展而不断提高［1］。

电缆主要由导体、电缆主绝缘和电缆附件组成。其中，导体是电力传输的关键，电缆主绝缘通常由交联聚乙烯等稳定性强、绝缘性能高的材料制成［2］。电力电缆通常深埋于地下，通常不易发生故障。电缆附件是指用于连接、固定、保护电缆的配件［3］，包括电缆接头、电缆终端等。目前，三元乙丙橡胶和硅橡胶是预制或冷缩电缆附件使用较多的绝缘材料，主要用于改变电缆接头或终端的电场分布，保证电缆能长期稳定运行［4］。

由于电缆附件长期承受不均匀的电场环境及机械应力，导致电缆附件成为电缆电力传输中容易出故障的位点［5］。统计结果表明，电缆电力传输中由电缆附件引发的故障占比在85.5%以上。因此，对电缆附件的性能进行研究具有重要意义［6-7］。

电力电缆的设计寿命通常为20～30 a。一般情况下，优质的电缆在正常使用条件下的设计寿命在20 a以上。然而，有些特殊要求的电缆的设计寿命可能更长，甚至在40 a以上［8-9］。通常情况下，为了保证电力的安全运行，会保留更多的设计盈度。一些电缆即便达到了使用年限，仍具有良好的电气和机械性能，按照使用设计要求而不得不退役，更换电缆［10］。因此，对退役的电缆性能进行深入分析，能全方位诊断电缆在长期运行中存在的问题，为电缆附件设计及寿命评估提供重要的参考依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

在长期运行过程中，电缆附件的绝缘材料、电阻率、击穿电场等因素会发生明显变化，而这些因素会对电缆的电气性能产生显著影响［11］。通过分析退役电缆的电气特性，可实现对运行电缆故障及时排查和预警，为电缆状态诊断提供重要的参考。

电缆附件主要由绝缘层和半导电层组成，其绝缘材料性能发生劣化时，附件中的应力锥及屏蔽管将不能充分发挥功能，从而发生附件击穿事故。因此，为确保电缆与附件绝缘界面的安全可靠运行，要关注电缆附件在长期运行中的绝缘状态及理化性能。

1 试验装置及测试系统

1.1 样品制备

试验中采用的绝缘样品取自110 kV电缆附件。其中，电缆主绝缘材料为交联聚乙烯，电缆附件的绝缘材料为硅橡胶（SIR），该电缆附件主要来自于电缆终端，如图1所示。选取3个不同运行工况的电缆终端制样，分别命名为电缆终端1、电缆终端2、电缆终端3，并对其相关的电气性能进行分析。

1.2 击穿试验

电缆附件的击穿强度是其重要的电气特性。为了分析110 kV退役电缆的电气性能，对电缆附件进行切样，样品厚度为1 mm，采用交流电源对样品进行耐压测试，升压速率设置为2 kV/s，并逐步提高电压，直至样品击穿，两次击穿时间间隔为1 min。整个测试过程中，装置放置在变压器油中，并将试样完全没入油中，这样能抑制试样的沿边闪络。每组样品重复做10次击穿试验，并统计分析样品的绝缘击穿电压。此外，采用三电极法测试样品的电阻率。

由于影响绝缘材料击穿场强的因素较多，如电压波形、电场的均匀性、电压作用时间、试样厚度的均匀性及试验环境条件等，即使在同等的试验条件下，击穿场强也存在一定的随机性和分散性。因此，不能直接用测得的击穿场强代表材料的击穿场强。威布尔（Weibull）概率分布统计是目前最广泛应用于聚合物击穿场强的统计分析工具

通过比较不同试样Weibull分布的尺度参数，可以判断其介电性能的优越性。

Weibull分布的累积分布函数见式（1）。

式中：U为测得的闪络电压；P为绝缘失效的累积概率；e为自然底数；U0表示P为63.2％时的击穿电压；α为绝缘的可靠性［8］。

每个Weibull配件包括10个测量值。国际标准IEEE 930—2004发布了一种简单的方法来计算电介质的威布尔分布，用Pi来表示，见式（2）。

式中：i是将U的值按升序排序时的第i个结果；n是样本数。取每组样本的10个数据从小到大排列，并绘制相应的概率分布图。

2 试验测量结果

2.1 击穿试验结果

试验的绝缘性能可用威布尔分布概率表示，测量结果如图2所示。由图2可知，退役电缆附件终端仍具有较高的绝缘强度，63.2％时的击穿电压均在30 kV左右，相差不大，这说明其仍具有较高的一致性，为同一批次的电缆状态绝缘监测提供试验参数。进一步对比数据后发现，电缆终端1的分散性较大，电缆终端2和电缆终端3的绝缘击穿强度基本上保持一致。由此可知，电缆终端在长时间运行后仍保持较好的绝缘特性。因此，在电缆寿命设计时应充分考虑电缆终端的击穿强度，可考虑在更长的运行寿命情况下的运行工况，在实现电缆长期稳定运行的同时，节省运行成本。

2.2 体积电阻率和表面电阻率

通常情况下，电缆主绝缘的击穿强度要远高于电缆附件，即电缆附件的使用寿命对整个电缆的安全稳定运行具有重要影响［12］。电缆附件的电气性能除了受击穿电压影响外，电阻率也会对其稳定运行产生影响。因此，本研究对电缆附件的体积电阻率和表面电阻率进行测量，采用三电极测试法分别对3个电缆终端进行测量。表面电阻率是指材料表面单位面积的电阻值，是描述材料表面导电性能的重要参数，其反映了材料表面对电流的阻抗程度，即表面单位面积上通过的电流与施加在表面上的电压之比。体积电阻率是指材料内部单位体积的电阻值，是描述材料导电性能的重要参数，其反映了材料内部对电流的阻抗程度，即单位体积内通过的电流与施加在材料内部的电压之比。

采用三电极法对3个试样的表面电阻率进行测试，结果如图3所示。电缆附件的主要作用之一是避免电场分布出现畸变，实现电压均压，从而避免电缆事故的发生，表面电阻率对界面电场和表面电位分布有重要作用，适当减小绝缘表面电阻率，能有效抑制绝缘的沿面放电发生［13］。由图3可知，电缆终端1的表面电阻率最大，其次是电缆终端2，电缆终端3的表面电阻率最小，且表面电阻率都有较大的波动，这说明在长时间的运行下，电缆附件的表面电阻率有一定程度的下降和性能损伤，且同批次中电缆附件的表面电阻率波动值比较大。因此，应在电缆检修过程中重点关注该参数的变化。

体积电阻率的测试结果如图4所示。由图4可知，体积电阻率和表面电阻率并没有明显的关系，电缆终端3的体积电阻率最大，而其表面电阻率比较低。对电缆终端3来说，导体产生的电流主要从表面泄漏，长期运行下导致其表面电阻率下降，而通过体积垂直方向的电流比较小，因此其具有较高的提交电阻率。电缆终端1则表现出与之相反的规律，其表面电阻率较高，而体积电阻率较小，导体的泄漏电流经体积电阻路径流出。

用等温表面电位衰减法探究电缆附件绝缘表面的电荷积聚及消散特性，通过测量样品表面电位来表征绝缘材料表面电荷的分布特性。通过等温表面电位衰减理论计算的三种样品的陷阱参数分布如图5所示。结果表明，电缆终端2的陷阱密

度最大，有双峰结构且以浅陷阱为主，主陷阱能级约为0.93 eV，浅陷阱能级密度远高于深陷阱能级；电缆终端3的电荷陷阱与电缆终端1基本一致；电缆终端1以深陷阱密度为主，且主陷阱能级约为1.05 eV，这说明电缆终端1的电荷消散速度更慢。

3 结语

本研究对110 kV退役电缆附件的电气性能和材料的绝缘状态进行分析，对电缆附件进行切样处理，开展电缆附件的绝缘击穿性能测试和表面电阻率及体积电阻率进行测试，并对其电荷陷阱密度进行测试。结果表明，退役电缆终端仍具有较高的绝缘特性，且3个电缆终端的击穿电压具有较好的一致性。然而，样品的表面电阻率和体积电阻率却显著不同，电荷陷阱密度测试结果也进一步说明了其电荷消散速率不同。因此，退役电缆附件仍具有较好的电气特性，研究结果为电缆的寿命设计和状态监测提供试验依据和数据支撑，具有潜在的工程应用价值。

参考文献：

［1］龚黎翔.高压电力电缆故障分析及诊断处理策略［J］. 电力系统装备，2018（9）：117，119.

［2］费益军，张云霄，周远翔.硅橡胶热老化特性及其对电缆附件运行可靠性的影响［J］.电工电能新技术，2014，33（12）：30-34.

［3］黄锋，郭金明，唐捷.一起110 kV XLPE电缆中间接头故障原因分析及防范措施［J］.红水河，2018，37（3）：63-65.

［4］张瑞敏，张沛红，宋淑伟，等.界面空间电荷对高压直流电缆终端电场分布的影响［J］.高电压技术，2019，45（6）：1762-1766.

［5］刘淑军，吴启仁，李栋，等.高压直流电缆附件用EPDM与XLPE电气性能匹配关系研究［J］.绝缘材料，2022，55（12）：75-79.

［6］王连辉，张世炼.高压电力电缆典型缺陷分析［J］.电力安全技术，2023，25（9）：17-19.

［7］赵洋，魏思芸，马宪伟，等.±320 kV直流电缆终端界面气隙缺陷的直流局放试验电压确定方法［J］.绝缘材料，2023，56（3）：61-69.

［8］吴宇红，莫金龙，徐国华，等.电缆终端热缺陷预警方法研究［J］.电气应用，2023，42（5）：46-50.

［9］HE D X，MENG F S，LIU H S，et al. The influence mechanism of semiconductive material on space charge accumulation in HVDC cable accessory［J］. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2019，26（5）：1479-1486.

［10］缪皓亮.110 kV高压电缆施工中的关键技术分析［J］.集成电路应用，2023，40（2）：274-276.

［11］祝贺，何峻旭，郑亚松，等.电缆终端应力锥错位缺陷对界面温度及应力分布的影响［J］.电工技术学报，2024，39（1）：65-75.

［12］胡磊磊.电缆附件高频局部放电检测技术及应用［J］.电气时代，2024（1）：120-122，130.

［13］戴征宇，姜芸，罗俊华.预制型电缆附件沿面放电试验研究［J］.高电压技术，2002（9）：7-8.