沈 策，周 凱，吳迎霞，袁 林，管順剛，牟秋谷

（1.重慶市電力公司，重慶400014;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065）

水樹老化交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣修復(fù)技術(shù)研究

沈 策1，周 凱2，吳迎霞1，袁 林2，管順剛2，牟秋谷2

（1.重慶市電力公司，重慶400014;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065）

采用一種自制硅氧烷修復(fù)液對水樹老化電纜進(jìn)行絕緣修復(fù)，通過對試驗進(jìn)行對比分析，說明其修復(fù)效果良好。

水樹老化;XLPE電纜;壓力注入;硅氧烷;修復(fù)

0 引言

在潮汽和電場共同的作用下，XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜絕緣中會形成水樹，水樹是誘發(fā)XLPE電纜老化的主要原因［1］。由于水樹會使絕緣高分子鏈裂解，當(dāng)電纜絕緣層中的水樹達(dá)到一定含量時，電纜的電氣性能和機(jī)械性能會急劇下降，并且水樹會緩慢演化成電樹并最終導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，大大減少了電纜運(yùn)行壽命。

在上世紀(jì)80年代末，中壓XLPE電纜在我國被推廣使用，經(jīng)十幾年的運(yùn)行后，其絕緣部分受到水樹嚴(yán)重的劣化，最終可能導(dǎo)致無法運(yùn)行而被迫更新，不僅浪費(fèi)了大量銅、鋁等不可再生資源，廢舊的聚乙烯等有機(jī)物給環(huán)境造成了危害［2］，而且更換全部舊電纜顯然十分困難。國外早在上世紀(jì)90年代就開始應(yīng)用修復(fù)液對老化電纜進(jìn)行修復(fù)。美國截止到2005年經(jīng)過修復(fù)的電纜總長度達(dá)到6000萬英尺，這項技術(shù)為美國各電力公司帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。根據(jù)國外的運(yùn)行數(shù)據(jù)，此項技術(shù)能有效延長電纜壽命長達(dá)20年以上［3］。

國外對于電纜修復(fù)技術(shù)主要是一些商業(yè)公司開展研究，其修復(fù)液具體成分和修復(fù)方法并沒公開，更沒有詳細(xì)的機(jī)理和理論研究［4］。國內(nèi)天津電科院的朱曉輝等人在2003年也對此技術(shù)進(jìn)行了研究，但對于其修復(fù)液的修復(fù)效果及影響規(guī)律等并沒有看到詳細(xì)的實驗報導(dǎo)，僅闡述了工程上的應(yīng)用。本文在總結(jié)國內(nèi)外前沿成果的基礎(chǔ)上，制成了一種以硅氧烷為主要有效成分的修復(fù)液，結(jié)合試驗結(jié)果對該修復(fù)液性能進(jìn)行了實驗分析和討論。

1 水樹修復(fù)原理

對于已運(yùn)行的XLPE電纜，抑制水樹生長的最好方法是將水樹中的水分清除，并生成抗水性物質(zhì)填充水樹枝通道。本試驗使用的自制修復(fù)液基本有效成分有硅氧烷﹑脫水醇和酯類催化劑。修復(fù)液成油狀液體，其修復(fù)原理是:首先與水先發(fā)生水解反應(yīng)，然后水解生成物在催化劑作用下發(fā)生縮合反應(yīng)，產(chǎn)生新的硅氧基團(tuán)有機(jī)化合物和醇類。由于縮合反應(yīng)生成聚合物為具有高耐壓性的半透明膠狀物，可以填充水樹枝并有效沉積，從而電纜絕緣料中的缺陷得到了修補(bǔ)。經(jīng)測定，新生成聚合物的介電常數(shù)為2.2與絕緣料的介電常數(shù)2.3相接近，避免了發(fā)生局部電場畸變。試驗中，通過對老化后未經(jīng)修復(fù)和修復(fù)后電纜電氣性能的比較，來判斷修復(fù)液對老化電纜的修復(fù)效果。

2 實驗

2.1 試樣制作

本試驗用到的電纜規(guī)格如表1所示。首先從一根10kV 50mm2XLPE新電纜上截取長3m的試樣，然后對其進(jìn)行如下處理:（1）將電纜兩端各取25cm剝除外護(hù)層、鋼鎧、內(nèi)護(hù)層和填充物，再將銅屏蔽與三相電纜分離用作接地電極;（2）剝掉三相電纜兩端的外半導(dǎo)電層露出絕緣層，防止在試驗過程中電纜沿半導(dǎo)電層表面放電。再將各相電纜端部剝出長5cm纜芯，用來安裝修復(fù)液適配器，該適配器安裝后與纜芯相連接;（3）在長電纜中間量出15cm剝掉外護(hù)層等，直到露出三相電纜的外半導(dǎo)電層，并用細(xì)針在每相電纜上均勻扎數(shù)十個孔，孔深為20mm，孔徑為0.4mm，扎孔時針尖到內(nèi)半導(dǎo)電層的距離為6.66mm左右;（4）將半導(dǎo)電層表面處理干凈，將針孔部分浸入裝有20%NaCl的水槽中。最終制備好的試樣如圖1所示。

表1 試驗電纜規(guī)格

圖1 電纜試樣

2.2 加速老化裝置

本實驗采用介質(zhì)損耗因數(shù)對電纜試樣水樹老化程度進(jìn)行評估。試驗使用的加速老化裝置如圖2所示，試驗中通過試驗變壓器將工頻電壓升高到老化電壓，適配器用于加試驗電壓和修復(fù)液注入，銅屏蔽層作接地電極。裝置中水電阻用來限制擊穿和放電時的短路電流以及防止在高壓側(cè)出現(xiàn)電壓振蕩。自制電源控制箱主要對裝置起到過流保護(hù)的作用，防止短路時損壞設(shè)備。水槽中裝有20%NaCl溶液，用來浸泡扎空部分電纜。

圖2 加速老化裝置

2.3 實驗過程

2.3.1 電纜加速老化實驗

老化試驗前先對10kV三相電纜進(jìn)行編號，分別為1#、2#、3#試樣，并對它們的介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)均在0～0.2%范圍內(nèi)，表明絕緣良好。將電纜放在試驗架上，將兩端固定好，試驗溫度為25℃。為了能快速得到老化試樣，對試樣予以如下的處理:加壓前將20%NaCl通過修復(fù)液適配器注入到電纜芯內(nèi)，老化期間每隔10天注入一次20%NaCl，加速絕緣層內(nèi)部水樹枝生長;老化試驗電壓為2.5倍額定電壓;將電纜中間扎孔部分浸入到20%NaCl水槽中，造成電場局部不均勻，加速絕緣層外部水樹枝生長。每隔10天用介質(zhì)損耗測試儀對其介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行測量，為避免測量值偏大，測量之前已通過空氣壓縮機(jī)將電纜芯吹干，測量時采用正接法，適配器和銅屏蔽層作為測試電極。老化過程中介質(zhì)損耗測試數(shù)據(jù)如圖3所示。持續(xù)加壓110天，總共加壓1320小時，其間1#試樣被擊穿，經(jīng)測試剩下的2根試樣介質(zhì)損耗因數(shù)都達(dá)到2%左右，說明電纜絕緣層已生長較多水樹枝，停止對試樣進(jìn)行老化。

圖3 老化試驗數(shù)據(jù)

2.3.2 老化電纜的修復(fù)實驗

實驗表明20%濃度硅氧烷修復(fù)液對電纜的修復(fù)效果最佳，其粘度小，擴(kuò)散性好［5］。將提前配置好的含20%硅氧烷修復(fù)液注入到修復(fù)液罐內(nèi)，對兩根老化試樣分別進(jìn)行修復(fù)，壓力注入修復(fù)系統(tǒng)如圖4所示。通過空氣壓力將修復(fù)液通過適配器注入到電纜纜芯，電纜另一端設(shè)有余液收集罐收集余液。修復(fù)液和電纜中水分反應(yīng)程度主要受兩個因素影響:催化劑濃度是否適宜;修復(fù)液能否充分滲透到絕緣層缺陷中去。為使修復(fù)液充分注入到絕緣層中，修復(fù)液流通試樣后關(guān)閉試樣末端分接頭端閥門，保持壓力2小時后取下試樣。然后將試樣取下放在試驗臺上，并在兩周內(nèi)對試樣介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

2.3.3 試樣微觀觀測

為深入了解水樹生長情況和修復(fù)液對水樹作用效果，分別從新電纜，老化后及修復(fù)后試樣針孔附近切取2mm±0.02mm的切片。然后用高倍顯微鏡將切片放大160倍進(jìn)行觀察，重點(diǎn)觀察每種試樣切片的針尖處及半導(dǎo)電層和絕緣層交界處，通過分別比較三種試樣微觀結(jié)構(gòu)變化，分析水樹枝生長情況及修復(fù)前后水樹枝顏色和形態(tài)變化。

圖4 壓力注入修復(fù)系統(tǒng)

3 分析和討論

修復(fù)試驗中兩根試樣數(shù)據(jù)如圖5所示，其直觀反應(yīng)了修復(fù)效果隨修復(fù)時間變化的情況。修復(fù)后試樣介質(zhì)損耗因數(shù)隨時間的推移整體上不斷降低，修復(fù)后4小時內(nèi)下降速率最大，8小時后下降速率逐漸減小，修復(fù)后24小時介質(zhì)損耗因數(shù)都達(dá)到0.5%以下。兩周后，試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)達(dá)到新電纜水平，其中2#試樣修復(fù)后的介質(zhì)損耗因數(shù)僅為修復(fù)前的1/9。兩個試樣介質(zhì)損耗曲線在修復(fù)后24小時內(nèi)出現(xiàn)小幅度波動。

圖5 老化電纜修復(fù)后效果

修復(fù)液和水的反應(yīng)速率主要由兩個因素決定:

（1）電纜的絕緣材料種類，即不同絕緣材料的分子間隙大小不同，間隙越大，修復(fù)液充分滲透到絕緣料中的時間越短，反應(yīng)速率越大。

（2）催化劑濃度，只有將合理濃度的催化劑與修復(fù)液均勻混合才能保證水解和縮合反應(yīng)充分進(jìn)行。

由上說明該濃度修復(fù)液能在8小時內(nèi)充分滲透到XLPE絕緣料中，在催化劑作用下與水分發(fā)生水解和初步縮合反應(yīng)，在24小時內(nèi)逐步生成的聚合物能基本填充水樹枝，兩周后水樹枝被充分填充。

由此可以得出這樣的結(jié)論:修復(fù)液注入電纜后，能在短時間內(nèi)對試樣的老化程度逐漸進(jìn)行改善，很好地對試樣中水樹缺陷予以填充修補(bǔ)，并且修復(fù)很長時間后，修復(fù)液仍能繼續(xù)起作用，修復(fù)過程中電纜介質(zhì)損耗因數(shù)有微小變化，但總體上仍不斷減小。

為便于觀察，老化時食鹽水中加入了亞甲基藍(lán)，因而水樹枝呈不透明深藍(lán)色。經(jīng)過顯微觀測，發(fā)現(xiàn)老化110天試樣的針孔附近長出大量的水樹，尤其是半導(dǎo)電層和絕緣層交界處及針尖處，如圖6（b）所示為針尖附近的顯微圖，這些水樹大都為孤立枝狀，而群狀水樹極少，最大長度為絕緣半徑的40%，而在絕緣層內(nèi)部只發(fā)現(xiàn)極少且較小的水樹枝和斑點(diǎn)狀雜質(zhì)。圖6（a）為新電纜切片顯微結(jié)構(gòu)，未觀察到水樹，但偶爾能發(fā)現(xiàn)斑狀雜質(zhì)。由此說明:實驗室內(nèi)短期加速電纜老化試驗可能得到孤立的和分散的水樹枝，而很少可以看到大面積的水樹區(qū)域。

圖6 老化前后試樣顯微鏡觀察圖

圖7（a）和7（b）分別為未修復(fù)和修復(fù)后24小時試樣切片圖。通過對比可發(fā)現(xiàn)，老化電纜經(jīng)修復(fù)，水樹枝由不透明深藍(lán)色變?yōu)榘胪该魃?。?jīng)修復(fù)后水樹枝充滿了半透明膠狀物，取代了水樹中的水和雜質(zhì)。以上觀察可以說明:修復(fù)后24小時修復(fù)液充分滲透到了絕緣缺陷中，與水發(fā)生水解反應(yīng)，再由縮合反應(yīng)生成半透明膠狀物，并填充了原有的缺陷，缺陷中水分被耗盡。

圖7 修復(fù)前后試樣顯微鏡觀察圖

4 結(jié)論

通過本文的實驗研究可得出如下結(jié)論:

（1）本實驗硅氧烷修復(fù)液能在短時間內(nèi)有效修復(fù)嚴(yán)重水樹老化電纜，隨時間的延長，效果會越來越明顯。

（2）在催化劑作用下，電纜中修復(fù)液長時間后仍能與水繼續(xù)發(fā)生水解反應(yīng)，具有持久修復(fù)性能。

（3）修復(fù)液與水反應(yīng)生成了半透明聚合物并填充水樹空洞，能對絕緣料中水樹缺陷形成保護(hù)。

［1］ 黨智敏，亢婕，屠德民.新型抗水樹聚乙烯絕緣電纜［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2002，（1）.

［2］ R.Ross.Inception and Propagation Mechanism of Water Treeing［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，（6）.

［3］ S.Boggs，J.Xu.Water.Treeing-Filled Versus Unfilled Cable Insulation［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2001，（1）.

［4］ Jean-Pierre Crine，Jinder Jow.A Water Treeing Model［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2005，（4）.

［5］ 朱曉輝.修復(fù)水樹老化XLPE電纜的修復(fù)液注入技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2004，（S1）.

The Application of Siloxane Injection Technology in Water Tree Aging XLPE Cables

SHEN Ce1，ZHOU Kai2，WU Ying-xia1，YUAN Lin2，GUAN Shun-gang2，MU Qiu-gu2
（1.Chongqing Electric Power Corporation，Chongqing 400014，China;2.School of Electrical Engineering and Information of Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China）

This essay introduces the application of a siloxane liquid rejuvenation technology in water tree aging XLPE cables，the effectiveness of which has been verified through contrastive analyses.

water tree aging;XLPE cables;injection;siloxane;rejuvenation

TM247.4

B

1008-8032（2011）01-0062-03

2011-01-29

沈 策（1954－），工程師，研究方向:電力系統(tǒng)運(yùn)行。