付文杰，王清亮，栗 軍

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050056)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜在城網(wǎng)改造中大量應(yīng)用。電纜在潮濕環(huán)境中運(yùn)行，難以避免的有水分侵入，在絕緣體內(nèi)產(chǎn)生水樹枝，水樹枝老化是電纜絕緣破壞的主要原因之一[1-2]。近年來，雖然電纜工藝得到改善，在干燥環(huán)境中電纜絕緣的電氣性能十分優(yōu)越，但電纜多為直埋方式，環(huán)境潮濕，因此水樹枝老化仍是電纜擊穿的主要原因之一[3]。避免電纜水樹枝老化的主要技術(shù)手段是采取相應(yīng)措施改變交聯(lián)聚乙烯成分，通過添加劑來降低電纜絕緣體的憎水性，從而達(dá)到抑制水樹枝的目的[4-5]。

目前，電纜的防水性能已得到較大改善，但中低壓電纜的設(shè)計(jì)壽命通常都在20年以上，國內(nèi)2000年以前生產(chǎn)的中低壓交聯(lián)聚乙烯電纜，其工藝較為落后，經(jīng)過十幾年的運(yùn)行后，絕緣體的水樹枝老化問題比較突出。這些電纜如果繼續(xù)運(yùn)行，則可能導(dǎo)致電纜擊穿損壞；如果全部更換，費(fèi)用巨大，而且施工難度相當(dāng)大。因此，在保證電網(wǎng)安全的情況下，在電纜損壞之前，前瞻性的修復(fù)水樹枝老化的電纜，不僅能節(jié)約大量電纜成本，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也具有重要意義。

電纜水樹枝修復(fù)技術(shù)是一種電介質(zhì)增強(qiáng)技術(shù)，操作方便，成本低廉，可以提高電纜整體的絕緣水平，延長電纜使用壽命，與更換電纜相比具有很大的經(jīng)濟(jì)性和便捷性。美國已有相關(guān)應(yīng)用[6-7]，國內(nèi)對(duì)該技術(shù)的認(rèn)識(shí)剛剛起步。

1 電纜水樹枝的形成及發(fā)展

水樹枝是交聯(lián)聚乙烯絕緣材料在長時(shí)間與水共存的狀態(tài)下，因交變電場作用而產(chǎn)生的充滿了水的各種樹枝狀細(xì)微通道。由于早期的中低壓交聯(lián)聚乙烯電纜防水性不佳，電纜運(yùn)行的環(huán)境大多陰暗潮濕，特別是直埋電纜工作環(huán)境更為惡劣，水分和潮氣易進(jìn)入電纜內(nèi)部。同時(shí)在電纜的制造、施工和運(yùn)行過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一些微觀缺陷。由介電電泳效應(yīng)可知，液體中介電常數(shù)較大的離子會(huì)向電場集中的地方運(yùn)動(dòng)，而其中交聯(lián)聚乙烯的介電常數(shù)為2.3左右，水的介電常數(shù)則約為80，因而在電場力作用下水分向高場強(qiáng)區(qū)即缺陷處運(yùn)動(dòng)，造成缺陷處水分大量聚集。

由于交聯(lián)聚乙烯是一種結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)共存的固體高聚物結(jié)構(gòu)形式，在電纜絕緣生產(chǎn)過程中，聚乙烯分子交聯(lián)過程及冷卻過程均是從外層向纜芯進(jìn)行，因而會(huì)在絕緣內(nèi)晶區(qū)與非晶區(qū)的界面以及非晶區(qū)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和微裂紋。同時(shí)，在電纜制造和施工過程中，也不可避免的給電纜絕緣體造成相應(yīng)損傷，形成缺陷。在電纜投入運(yùn)行后，由于電場的作用，水分會(huì)在缺陷處聚集，濃縮為極小的水滴。在長期交變電場的作用下，微水滴受到周期性的Maxwell電機(jī)械應(yīng)力作用，不斷擠壓絕緣缺陷處，造成局部絕緣材料疲勞損壞，出現(xiàn)充水微孔[8]。隨時(shí)間推移和水分的侵入，電纜中的充水微孔沿電場方向逐漸拉長，不斷發(fā)展，相互連接形成了水樹枝。在顯微鏡下，可以看到充滿水的細(xì)小通道，直徑零點(diǎn)幾微米到幾微米不等。使用亞甲基藍(lán)溶液染色后，即可清晰看到水樹枝，見圖1。

圖1 電纜中的水樹枝

水樹枝形成的空洞不會(huì)自行消失，即使水分完全消失，空洞也會(huì)繼續(xù)存在下去，并能在極少的潮氣和較低的電場下繼續(xù)生長。隨運(yùn)行時(shí)間的增加，在潮濕的環(huán)境中敷設(shè)的電纜水分不斷浸入，水樹枝在絕緣體內(nèi)部大量產(chǎn)生，長度不斷增加，使電纜的整體絕緣性能下降。

水樹枝生長時(shí)因水中還可能含有各種離子成分，這些離子特別是金屬離子的存在使充水微孔形成過程中還伴隨著氧化腐蝕和化學(xué)腐蝕等作用。有學(xué)者通過試驗(yàn)證實(shí)，微孔壁及微裂紋內(nèi)有羥基(-OH)、羧基(-COON)等極性端基團(tuán)存在[9]。這表明在水樹枝引發(fā)和增長過程中，水樹枝內(nèi)有氧化降解反應(yīng)產(chǎn)生。這些親水基團(tuán)使得微孔壁由憎水性變成親水性，水分易于沿微孔壁形成連續(xù)水膜，使得整個(gè)水樹枝的導(dǎo)電能力大為增加，從而在水樹枝的尖端形成高場強(qiáng)區(qū)。

水樹枝尖端的電場強(qiáng)度隨樹枝長度的增加不斷增強(qiáng)，當(dāng)水樹枝增長到一定程度，尖端將發(fā)生放電現(xiàn)象，引發(fā)電樹枝。研究表明，電樹枝出現(xiàn)后絕緣將在短時(shí)間內(nèi)擊穿，特別是受到系統(tǒng)中各種過電壓作用時(shí)，電樹枝將很快擊穿[10]。對(duì)不含水樹枝和含有水樹枝的電纜進(jìn)行擊穿電壓測試，發(fā)現(xiàn)在工頻電壓作用下，含有水樹枝的電纜比不含水樹枝的電纜擊穿電壓大約下降了1/3，而在低頻0.1 Hz 電壓作用下，擊穿電壓幾乎下降了2/3[11]。調(diào)研表明，由于水樹枝老化造成的電纜故障約占電纜總故障的30%，僅次于外力破壞。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，水樹枝發(fā)生的原因是局部高電場和該部位有水存在，如圖2所示。交流電場、水分和局部缺陷3個(gè)因素達(dá)到合適的條件后就會(huì)在交聯(lián)聚乙烯內(nèi)部引起水樹枝，因此，要防止水樹枝，必須從限制這3個(gè)條件入手。

圖2 電纜水樹枝形成及發(fā)展過程

2 電纜水樹枝修復(fù)技術(shù)

消除交聯(lián)聚乙烯電纜內(nèi)的水分是防止電纜絕緣中水樹枝生成和繼續(xù)發(fā)展的一種方法。但是由于電纜的特殊結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部水分無法用常規(guī)的干燥技術(shù)來消除。文獻(xiàn)[4]將水樹枝內(nèi)的水分去除并注入變壓器油，介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度即可得到恢復(fù)。國外的實(shí)踐和國內(nèi)的初步研究表明，利用電纜線芯絞線間隙作為通道，將具有消除微水功能的化學(xué)修復(fù)液注入電纜內(nèi)部，可以消除電纜中的水分，修復(fù)電纜絕緣[12]。

2.1 修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

在國外，美國研究電纜修復(fù)技術(shù)比較早，并在美國本土范圍內(nèi)應(yīng)用，修復(fù)電纜長度已達(dá)10萬km。修復(fù)后運(yùn)行超過12年的約有2萬km。由于電纜本體缺陷引發(fā)的故障與這些電纜故障總數(shù)的百分比小于0.5%。

國內(nèi)方面, 天津電力科學(xué)研究院最早開始研究，研制了修復(fù)液和壓力注入裝置。天津市電力公司試點(diǎn)應(yīng)用該技術(shù)，并對(duì)市區(qū)核心區(qū)7條難以破土動(dòng)工的老化電纜進(jìn)行了水樹枝老化修復(fù)，電纜絕緣水平得到一定的提高[14]。但是目前還未見到后續(xù)跟蹤檢測。

四川大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)短電纜水樹枝進(jìn)行修復(fù)，試驗(yàn)24 h后，電纜介質(zhì)損耗因數(shù)從2%下降到0.5%左右，泄露電流從10 mA下降到1 μA。水樹中充滿了半透明的膠狀物，水分被耗盡，水樹枝得到修復(fù)，并且在長時(shí)間后，修復(fù)液仍能繼續(xù)起作用。但目前未見有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

2.2 修復(fù)技術(shù)的基本原理

電纜水樹枝修復(fù)液的主要成分為硅氧烷以及催化劑。在催化劑的作用下，修復(fù)液中的硅氧烷與水發(fā)生聚合反應(yīng)，生成新的硅氧基團(tuán)高聚物和醇類，從而消除了電纜中的水分。其化學(xué)反應(yīng)過程為：

修復(fù)液在電纜內(nèi)部主要有三方面的作用：一是，硅氧烷與水不斷發(fā)生縮合反應(yīng)，消除電纜中的水分；二是，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的聚合物分子量不斷增大，粘稠度不斷提高，并填充在水樹枝內(nèi)部，修復(fù)水樹枝產(chǎn)生的微孔；三是，大量絕緣性能優(yōu)良的修復(fù)液長期存在于電纜內(nèi)部，浸泡絕緣主體，使絕緣主體絕緣性能保持在一個(gè)較高的水平，延長了電纜壽命。

修復(fù)液對(duì)電纜的修復(fù)作用是逐漸體現(xiàn)的。修復(fù)液注入后，電纜介質(zhì)損耗逐步降低，24 h內(nèi)介質(zhì)損耗會(huì)有明顯降低[13]。美國中心電力機(jī)構(gòu)(CEC)研究表明，修復(fù)液注入后，電纜老化損壞和電纜故障全部停止，電纜電氣強(qiáng)度每天增加0.5%或每60天增加30%，直至電纜的電氣強(qiáng)度超過全新電纜，該項(xiàng)技術(shù)可以增加電纜使用壽命20年[7]。

由于交聯(lián)聚乙烯是一種結(jié)晶狀和無定形狀共存的固體高聚物結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)部存在極為細(xì)小的微裂紋，硅氧烷分子可以通過這些微裂紋慢慢滲透。對(duì)于10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜，修復(fù)液可以緩慢浸透整個(gè)絕緣主體，因此修復(fù)液對(duì)電纜外層水樹也具有修復(fù)作用。但是對(duì)于35 kV及以上電壓等級(jí)的交聯(lián)聚乙烯電纜，由于主絕緣層過厚，修復(fù)液難以完全滲透，對(duì)外層水樹修復(fù)力差。

在修復(fù)液的浸泡下，絕緣性能得以持續(xù)提高，一般在2年后達(dá)到并穩(wěn)定在較高水平。但是當(dāng)絕緣發(fā)生電樹枝時(shí)，放電通道會(huì)發(fā)生碳化現(xiàn)象，電纜修復(fù)液不能消除或去掉碳分子，因此它對(duì)電樹枝類缺陷不能起到修復(fù)作用。

2.3 修復(fù)液的注入工藝

在電纜實(shí)施修復(fù)之前要了解電纜的規(guī)格型號(hào)，并需要檢測電纜老化程度，修復(fù)液在電纜中的流動(dòng)阻力，可能阻滯液體流通的位置等信息，根據(jù)檢測結(jié)果確定電纜修復(fù)方案。

修復(fù)時(shí)將原有電纜終端接頭換為特制的帶有注液孔的終端頭，首先通入高壓氮?dú)?，檢測電纜內(nèi)芯是否可以通過修復(fù)液，以及檢測電纜接頭是否有泄露，然后連接電纜修復(fù)液注入系統(tǒng)，進(jìn)行修復(fù)工作。注入系統(tǒng)主要由氣體壓力罐、修復(fù)液罐、連接管路和出液管構(gòu)成，在連接管路上安裝有限壓閥、壓力傳感器和流速觀察器等。修復(fù)液從電纜兩端的芯線處經(jīng)由芯線之間的縫隙注入，見圖3。為提高注入速度，并抽出電纜中的積水和空氣，便于修復(fù)液完全浸泡電纜絕緣主體，一般將電纜的另一端與真空筒連接，抽出纜芯空氣。通過向修復(fù)液注入筒充入氮體，使修復(fù)液獲得一定的注入壓力。在注入筒正壓力和真空筒負(fù)壓力的雙重作用下，修復(fù)液由注入筒緩緩流入電纜體內(nèi)，電纜體內(nèi)積水同時(shí)從纜芯中排到真空筒。當(dāng)真空端流出修復(fù)液時(shí)，注入工作結(jié)束，將兩端終端頭更換為普通終端頭，并采取相應(yīng)封堵措施，防止修復(fù)液流出。電纜修復(fù)所需時(shí)間因電纜型號(hào)、截面積和長度而不同，對(duì)于線芯間隙較大的早期交聯(lián)聚乙烯電纜，一般在幾小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)之間。

圖3 修復(fù)液注入工藝示意

3 應(yīng)用修復(fù)技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題

電纜修復(fù)技術(shù)在我國尚處于試驗(yàn)研究和小規(guī)模試用階段，國外也只有美國應(yīng)用，尚未全面推廣。該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際電纜修復(fù)工作中，還需要進(jìn)一步研究解決如下問題。

3.1 準(zhǔn)確檢測電纜老化狀態(tài)

為確定電纜修復(fù)方案，確保電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，應(yīng)及時(shí)掌握電纜絕緣的老化狀態(tài)。電纜水樹枝檢測方法主要分為離線和在線2種。離線方法主要是測量絕緣電阻、泄露電流、介質(zhì)損耗和耐壓試驗(yàn)；在線監(jiān)測主要有直流疊加法、超低頻法、交流疊加法和諧波分量法等[15-19]。這些檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但目前對(duì)水樹枝老化程度的檢查缺乏廣泛認(rèn)可的代表性方法，采用以上檢測技術(shù)尚難以對(duì)電纜的絕緣狀態(tài)及其剩余壽命進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。此外，關(guān)于電纜絕緣老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)積累也較少，需進(jìn)一步研究電纜老化程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和公認(rèn)的可推廣的在線檢測技術(shù)。

3.2 論證修復(fù)液物理化學(xué)特性

目前，雖然對(duì)修復(fù)技術(shù)的基本原理已有所了解，但為了大面積應(yīng)用電纜修復(fù)技術(shù)，修復(fù)液的具體成分還需研究優(yōu)化。修復(fù)液的成分、流動(dòng)性、絕緣性、修復(fù)力以及揮發(fā)、阻燃特性、無毒化等方面缺少定量數(shù)據(jù)。由于修復(fù)液將長期存在于電纜內(nèi)部，其在強(qiáng)電場中的穩(wěn)定性、體積隨溫度變化特性、溶沸點(diǎn)以及與電纜接頭材料的共存性等物理化學(xué)特性，均需要深入研究、論證。

3.3 完善修復(fù)液注入工藝需要

電纜修復(fù)液的注入需要幾小時(shí)，對(duì)于線芯間隙較小的新電纜，注入時(shí)間更長。研究帶電修復(fù)技術(shù)，可以顯著減少停電時(shí)間，但是帶電修復(fù)面臨系統(tǒng)安全穩(wěn)定的挑戰(zhàn)，需要慎重選擇修復(fù)方案。同時(shí)，加快注入速度、就需要增加注入壓力，但壓力過大又可能造成電纜接頭處變形，如何確定合理的注入壓力仍需要進(jìn)一步研究。修復(fù)液注入后，需要選擇合適的絕緣封堵材料和合適的封堵方式，防止修復(fù)液從電纜兩端流出。目前，電纜修復(fù)液注入技術(shù)在我國還處于研究初期，還沒有電力系統(tǒng)通用的修復(fù)設(shè)備。

4 結(jié)束語

電纜水樹枝老化是引起電纜故障的主要原因之一，而且直埋方式輻射的電纜很難避免出現(xiàn)水樹枝老化。我國2000年以前城網(wǎng)改造敷設(shè)的電纜即將步入老齡化，水樹枝問題將嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和供電的可靠性。因此，應(yīng)深入開展電纜老化水平的檢測研究，積累相關(guān)數(shù)據(jù)，掌握電纜老化程度；研究出安全高效的修復(fù)液和合理的注入技術(shù)，使電纜修復(fù)技術(shù)得到推廣應(yīng)用。開展電纜修復(fù)技術(shù)研究，對(duì)于提高電纜電氣強(qiáng)度，延長電纜使用壽命，節(jié)約電纜投入，提高安全可靠供電水平具有重要意義。

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