周 凱，熊 慶，趙 威，劉 凡，堯 廣

(1．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065;2．四川電力科學(xué)研究院，四川 成都610072; 3．四川瀘州電業(yè)局，四川 瀘州646000)

水樹(shù)老化XLPE電纜絕緣的修復(fù)技術(shù)及微觀結(jié)構(gòu)分析

周 凱1，熊 慶1，趙 威1，劉 凡2，堯 廣3

(1．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065;2．四川電力科學(xué)研究院，四川 成都610072; 3．四川瀘州電業(yè)局，四川 瀘州646000)

為解決城市電網(wǎng)中的電纜絕緣老化問(wèn)題，本文從電纜的纜芯壓力注入一種有機(jī)硅液體以延長(zhǎng)老化后交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的壽命，對(duì)其實(shí)現(xiàn)方法、效果和微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究。討論了水樹(shù)的生長(zhǎng)和修復(fù)原理，并對(duì)滲透的微觀過(guò)程進(jìn)行了分析。將新電纜試樣進(jìn)行水樹(shù)加速老化形成明顯的水樹(shù)，通過(guò)修復(fù)液壓力注入進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后試樣的阻性電流迅速下降，擊穿電壓提高。通過(guò)SEM(掃描電子顯微鏡)和XPS(X射線能譜分析)觀察電纜切片，發(fā)現(xiàn)了水樹(shù)區(qū)的膠狀填充物，其成分為Si和Ti的氧化物。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電纜進(jìn)行了絕緣修復(fù)實(shí)驗(yàn)，修復(fù)后介質(zhì)損耗正切值明顯下降。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和微觀分析說(shuō)明，該方法對(duì)老化電纜的絕緣有較明顯的改善作用，水樹(shù)空洞生成的填充物具有良好的填充和絕緣性。

水樹(shù);老化;XLPE電纜;絕緣修復(fù);阻性電流

1 引言

隨著我國(guó)在2000年以后開(kāi)始的大規(guī)模城市電網(wǎng)改造，大量10kV架空線改為入地電纜，以XLPE絕緣為代表的聚合物絕緣電力電纜在我國(guó)被廣泛應(yīng)用。目前各大城市的中心城區(qū)幾乎很難看到架空線路，大量的XLPE電纜被敷設(shè)在地下，而且這一趨勢(shì)還在逐漸擴(kuò)大?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在城市電網(wǎng)中，電纜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和電壓等級(jí)都將逐漸增加。

由于XLPE電纜在制造、施工和運(yùn)行過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一些微觀缺陷，水分會(huì)在電場(chǎng)的作用下聚集在微觀缺陷處形成水樹(shù)。水樹(shù)既不是短路或擊穿，也并非所有水樹(shù)都會(huì)導(dǎo)致電纜事故，但運(yùn)行電纜在長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷、頻繁的雷電入侵和開(kāi)關(guān)操作沖擊等作用下，部分水樹(shù)可能誘發(fā)電樹(shù)，導(dǎo)致電纜絕緣本體的擊穿［1，2］。但如果全部更換這些老化電纜將產(chǎn)生巨大的工程量和費(fèi)用。如能對(duì)目前大量的水樹(shù)老化的運(yùn)行電纜恢復(fù)其絕緣強(qiáng)度并擴(kuò)展其使用壽命，而不是簡(jiǎn)單地加以更換，將是一項(xiàng)很有意義的工作［3］。

根據(jù)Connecticut大學(xué)材料研究所 Steven Boggs教授的研究報(bào)告，普通的 XLPE電纜在運(yùn)行15年后，剩余擊穿電壓下降嚴(yán)重，最大下降可達(dá)50%左右，進(jìn)入故障高發(fā)期［1］。根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司2009年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)行超過(guò)10年的XLPE電纜占總鋪設(shè)電纜的比例接近40%。電纜的事故率會(huì)隨著運(yùn)行年限增加而逐步增加。而過(guò)去的電纜運(yùn)行管理技術(shù)主要是依靠預(yù)防性試驗(yàn)方法，隨著電纜網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和運(yùn)行年限的增加，試驗(yàn)成本和工作量會(huì)迅速增加，而難以全面開(kāi)展定期的預(yù)防性試驗(yàn)工作?，F(xiàn)在運(yùn)行單位大多是基于事故后快速搶修的方法，但通常在負(fù)荷高峰期，電網(wǎng)的搶險(xiǎn)工作任務(wù)艱巨，這嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電的可靠性。

值得注意的是，美國(guó)在20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始了對(duì)運(yùn)行的老化電纜進(jìn)行絕緣修復(fù)，通過(guò)壓力從電纜的纜芯注入一種硅氧烷液體，讓其擴(kuò)散、滲透并與XLPE電纜水樹(shù)缺陷里面的微水進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后殘留的硅樹(shù)脂將水樹(shù)空洞填充以延長(zhǎng)電纜壽命［4］。但是該技術(shù)的修復(fù)液具體成分、修復(fù)方法都未公開(kāi)。國(guó)內(nèi)的研究也表明該技術(shù)對(duì)老化電纜的修復(fù)效果較好［3］，但對(duì)于修復(fù)的微觀作用過(guò)程尚未進(jìn)行深入闡述。

根據(jù)我國(guó)城市電纜網(wǎng)快速發(fā)展的實(shí)際情況和國(guó)外二十多年的工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于城市電網(wǎng)老化電纜的絕緣修復(fù)研究具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。本文結(jié)合最近三年的研究成果和對(duì)水樹(shù)發(fā)生、發(fā)展的理解，對(duì)電纜的水樹(shù)形成機(jī)理及絕緣修復(fù)機(jī)理進(jìn)行分析討論。

2 水樹(shù)生長(zhǎng)及修復(fù)原理

2.1 水樹(shù)及生長(zhǎng)

R．Ross對(duì)水樹(shù)特征有如下描述［5］:永久的親水性，盡管水樹(shù)內(nèi)的水可能變干，但當(dāng)環(huán)境潮濕后又可能重新濕潤(rùn)，在PE(聚乙烯)中水的含量典型值在1%左右，水樹(shù)結(jié)構(gòu)包括了許多微米級(jí)的空洞，但是連接這些空洞的是存在于無(wú)定形區(qū)的納米級(jí)通道，無(wú)定型區(qū)和結(jié)晶行為等可能影響水樹(shù)的生長(zhǎng)。因此，水樹(shù)結(jié)構(gòu)通常被描述為，由納米級(jí)通道和微米級(jí)空洞(該空洞通常充滿(mǎn)了水，并具有親水性)所形成的樹(shù)枝發(fā)散狀的絕緣缺陷，通常可用珍珠串模型來(lái)描述水樹(shù)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如圖 1(a)所示［6］。圖 1 (b)是在實(shí)驗(yàn)室中電纜老化800h后，通過(guò)切片機(jī)切片后觀察到的水樹(shù)，長(zhǎng)度大約在400μm。在水樹(shù)區(qū)由μm級(jí)的微孔和一些水樹(shù)通道組成，類(lèi)似珍珠串，微孔中被水所充滿(mǎn)。

水樹(shù)形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程(包括電、機(jī)械、擴(kuò)散和化學(xué)等多個(gè)過(guò)程)，電場(chǎng)是水樹(shù)形成的主要驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)水樹(shù)劣化后的產(chǎn)物決定其主要過(guò)程:由于氧化產(chǎn)物的存在表明有氧化過(guò)程發(fā)生;空洞和羧化物基團(tuán)的存在則表明有斷鏈的發(fā)生(因?yàn)闄C(jī)械或化學(xué)過(guò)程都可能導(dǎo)致分子鏈斷裂);因?yàn)槲廴疚?、離子和電解質(zhì)的存在表明有擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生。Jean-Pierre Crine也在文章中發(fā)表類(lèi)似的觀點(diǎn)，認(rèn)為水樹(shù)是多個(gè)物理、化學(xué)過(guò)程協(xié)同作用的結(jié)果［7］。

2.2 水樹(shù)的修復(fù)原理

電場(chǎng)、水和離子是水樹(shù)形成、生長(zhǎng)的主要原因，如能將水樹(shù)通道中的水通過(guò)化學(xué)反應(yīng)去除，從而將水樹(shù)空洞重新生成多聚物填充空洞，消除電場(chǎng)畸變，阻止水分重新進(jìn)入到水樹(shù)通道，必將延長(zhǎng)電纜的壽命。這就要求水樹(shù)修復(fù)后的生成物的電氣性能和XLPE要比較接近，而且是一種固體狀，不會(huì)流走，修復(fù)后的電氣強(qiáng)度要有大幅度提高。圍繞以上問(wèn)題，下面對(duì)本文所提出的修復(fù)液的性能進(jìn)行研究和闡述。

圖1 水樹(shù)及描述水樹(shù)的珍珠串模型Fig．1 Water tree observed and pearl train model of water tree

本文采用的修復(fù)液的有效成分為硅氧烷(可與水發(fā)生反應(yīng)生成硅醇多聚體，并且具有絕緣性)、酮溶劑和酯類(lèi)催化劑。硅氧烷的水解-縮合反應(yīng)產(chǎn)生新的硅氧基團(tuán)有機(jī)縮合物，這可能包括二聚體、三聚體、多聚體和醇類(lèi)。水解-縮合反應(yīng)如式(1)和式(2)所示［4］:

注:Me和Ph為甲基和苯基。

2.3 修復(fù)生成物的介電性能

為了驗(yàn)證上述反應(yīng)基本原理，將水和修復(fù)液直接反應(yīng)，在1個(gè)月后該反應(yīng)趨于穩(wěn)定，縮合反應(yīng)生成的有機(jī)物呈半透明膠狀，如圖2(a)所示。采用RLC電橋TH2820測(cè)量，測(cè)量電路和方法如圖2(b)所示，測(cè)量時(shí)要盡量減小極板距離，而且電極要對(duì)稱(chēng)居中。反應(yīng)生成物的電阻率高，可達(dá)到1011Ω·m以上。其相對(duì)介電常數(shù)與 XLPE的相接近(在2.8左右，XLPE為2.3)，不會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)嚴(yán)重畸變?？s合物能夠填充水樹(shù)空洞，并能均勻水樹(shù)尖端電場(chǎng)。

圖2 直接反應(yīng)產(chǎn)物介電性能測(cè)試Fig．2 Dielectric property test of direct reaction products

2.4 修復(fù)液體在電纜中的擴(kuò)散

修復(fù)液從電纜接頭一端的纜芯處注入，在壓力作用下，首先從接頭的一端流向另外一端。同時(shí)，修復(fù)液也開(kāi)始從纜芯向絕緣層擴(kuò)散。電纜的纜芯結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散示意圖如圖3所示，盡管從肉眼看上去XLPE絕緣層沒(méi)有縫隙，但事實(shí)上，因?yàn)榻宦?lián)聚乙烯是半結(jié)晶聚合物，包括了晶區(qū)和非晶區(qū)，通常晶體結(jié)構(gòu)較為致密。在晶體之間大約有數(shù)百個(gè)納米的距離，很多C-C鍵相互纏繞，包含了很多的自由體積，如圖3所示。事實(shí)上，修復(fù)液小分子在壓力作用下是可以滲透過(guò)去的，這就是為什么修復(fù)液可以滲透到絕緣缺陷處的原理。

3 實(shí)驗(yàn)室修復(fù)前后的介電性能

根據(jù)文獻(xiàn)［8］所描述的方法進(jìn)行老化，樣本及老化裝置如圖4所示。在老化800h左右，阻性電流Ir＞10μA，介質(zhì)損耗值達(dá)到10%以上，絕緣性能大幅下降，隨機(jī)抽取其中的一個(gè)樣本通過(guò)切片機(jī)進(jìn)行切片，通過(guò)顯微鏡能明顯觀察到水樹(shù)的存在。

3.1 修復(fù)后介電性能

將老化后的3個(gè)樣本分別測(cè)量阻性電流［9］，觀察修復(fù)后不同時(shí)間阻性電流的變化規(guī)律。從圖5可以看到，老化電纜在修復(fù)2h內(nèi)阻性電流下降速率最大，6h后阻性電流下降了近70%。試樣的絕緣性能在短期內(nèi)的恢復(fù)效果良好，根據(jù)硅氧烷與水的反應(yīng)式(1)、式(2)可知，硅氧烷消耗掉水樹(shù)中的水分，阻性電流迅速下降。修復(fù)8h后下降速率變緩，可能是修復(fù)液的縮聚反應(yīng)速率接近穩(wěn)定。修復(fù)24h后，試樣的阻性電流與新試樣的(3.5μA左右)相接近，達(dá)到良好絕緣狀態(tài)。隨著浸泡修復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)，反應(yīng)生成的小分子液體在壓力作用下會(huì)慢慢滲出XLPE層，最終完全排出，能使阻性電流值進(jìn)一步緩慢下降。同時(shí)，也做了介質(zhì)損耗角正切值測(cè)試，其規(guī)律和阻性電流結(jié)果接近，在大約24h左右基本接近新電纜水平。

圖3 修復(fù)液的擴(kuò)散原理Fig．3 Diffusion principle of rejuvenation liquid

圖4 電纜試樣Fig．4 Cable sample

為直接驗(yàn)證修復(fù)前后的電氣強(qiáng)度，將試樣進(jìn)行工頻逐級(jí)擊穿試驗(yàn)后，對(duì)修復(fù)前后的試樣各5個(gè)樣本數(shù)據(jù)利用Weibull分布，得到試樣逐級(jí)擊穿電壓的概率分布如圖6所示。水樹(shù)老化后為14.2kV，修復(fù)后為17.5kV。由此說(shuō)明修復(fù)液與水反應(yīng)的生成物能夠修復(fù)絕緣缺陷，提高電氣強(qiáng)度。

圖5 阻性電流隨修復(fù)時(shí)間的變化Fig．5 Resistive current changes with increase in curing time

圖6 擊穿電壓Weibull分布Fig．6 Weibull distribution of breakdown voltage

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1(b)為試樣加速老化后在針電極附近絕緣層中形成的水樹(shù)，長(zhǎng)度大約在400μm。將同一批次老化后的水樹(shù)樣本進(jìn)行液氮脆斷，進(jìn)行SEM(掃描電鏡)觀察，如圖7(a)所示，可以看到，在水樹(shù)區(qū)(針尖附近)有大小不等的微孔，尺寸在0.5μm左右甚至更小，表明在水樹(shù)老化后會(huì)形成許多小的微孔。將修復(fù)后樣本也進(jìn)行SEM對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)修復(fù)后水樹(shù)通道顏色較淺，內(nèi)部有膠狀物質(zhì)存在，如圖7(b)所示，水樹(shù)通道內(nèi)的填充物即是硅氧烷與水反應(yīng)生成的硅氧基團(tuán)有機(jī)聚合物。經(jīng)以上觀察可以說(shuō)明:硅氧烷修復(fù)液充分滲透到了絕緣層的水樹(shù)中，與水發(fā)生聚合反應(yīng)生成膠狀物，并填充了原有缺陷。

通過(guò)XPS(X射線光電子能譜)進(jìn)一步對(duì)修復(fù)后填充物的成分進(jìn)行分析，如圖7(c)所示，Au和Cu是干擾元素，而C、O是有機(jī)物通常含有的元素。實(shí)事上，可以看出，填充物的主要成分是Si、Ti，這與式(1)和式(2)中的化學(xué)反應(yīng)符合，硅是修復(fù)液成分，Ti則是使用的金屬催化劑成分，而且通過(guò)反應(yīng)，形成了填充效應(yīng)。進(jìn)一步分析其各元素具體成分見(jiàn)表1，可以看到，該成分主要是 Si聚合物，包括了少量的Ti。而Si的縮合物通常具有良好的絕緣性和穩(wěn)定性，因此修復(fù)填充物可能具有長(zhǎng)期的修復(fù)效果和電化學(xué)穩(wěn)定性。

圖7 老化及修復(fù)后試樣微觀結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Micro-structure observation of aged samples and cured samples

表1 XPS元素含量表Tab．1 XPS element content

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在四川省電力公司某220kV變電站，對(duì)10kV補(bǔ)償電抗器的連接電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)絕緣修復(fù)實(shí)驗(yàn)。該電纜長(zhǎng)度為25m、185mm2，載流量280A左右，選取了介質(zhì)損耗偏大的B相進(jìn)行絕緣修復(fù)，而A、C相不進(jìn)行修復(fù)，僅作為對(duì)比。首先停電，安裝好修復(fù)適配器后，通過(guò)壓力將修復(fù)液注入到電纜的纜芯，對(duì)電纜進(jìn)行絕緣修復(fù)［8］。整個(gè)注入時(shí)間大約在30min左右，整個(gè)修復(fù)液全部注通，并觀察到液體從另外一端流出，通過(guò)余液收集瓶收集殘余液體。

保持壓力一定時(shí)間后，移除修復(fù)裝置，測(cè)試其介質(zhì)損耗和絕緣電阻。修復(fù)前后的絕緣電阻都很高，都符合規(guī)程要求，并無(wú)明顯變化，因?yàn)樵撾娎|的絕緣依然良好，并無(wú)大的水樹(shù)生成。介質(zhì)損耗的測(cè)試電壓為10kV，環(huán)境溫度為22℃，采用國(guó)產(chǎn)的金源全自動(dòng)抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)，B相電纜介質(zhì)損耗由修復(fù)前的0.049%下降至0.026%，降幅達(dá)47%，絕緣性能有了明顯提高，而修復(fù)前后的電容量并沒(méi)有顯著變化。

表2 現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)效果的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab．2 Test data of field curing effect

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)XLPE電纜中的水樹(shù)形成及修復(fù)機(jī)理的研究和修復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論:

(1)硅氧烷修復(fù)液能夠擴(kuò)散進(jìn)入水樹(shù)空洞并與水反應(yīng)，修復(fù)6h后阻性電流下降了近70%，修復(fù)后試樣的工頻擊穿電壓較修復(fù)前明顯提高。

(2)對(duì)比修復(fù)前后電纜絕緣層水樹(shù)枝的微觀結(jié)構(gòu)，證實(shí)了修復(fù)液與水反應(yīng)的生成物能夠有效填充水樹(shù)空洞，修復(fù)老化電纜的絕緣。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)實(shí)際運(yùn)行電纜的絕緣也有明顯改善作用。

［1］S Boggs，J Xu．Water treeing-filled versus unfilled cable insulation［J］．IEEE Electrical Insulation Magazine，2001，17(1):23-29．

［2］Steven Boggs，John Densley，Jinbo Kuang．Mechanism for impulse conversion of water trees to electrical trees of XLPE［J］．IEEE Trans．on Power Delivery，1998，13 (2):310-315．

［3］朱曉輝 (Zhu Xiaohui)．修復(fù)水樹(shù)老化XLPE電纜的修復(fù)液注入技術(shù) (The repair liquid injection technology of XLPE cable for repairing water tree) ［J］．高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2004，30(S1):16-17．

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Insulation rejuvenation techniques and micro-structure analysis for water tree aged XLPE cables

ZHOU Kai1，XIONG Qing1，ZHAO Wei1，LIU Fan2，YAO Guang3
(1．School of Electrical Engineering and Information，Chengdu 610065，China; 2．Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China; 3．Sichuan Luzhou Electric Power Company，Luzhou 646000，China)

In order to solve problems of aging cables in an urban distribution grid，a siloxane liquid is used to cure water tree in aged XLPE cables by a pressure injecting method．By understanding the principle of water tree growth and the diffuse process of the liquid，the rejuvenation mechanism is well explained．Cable samples are aged until obvious water tree is observed in the sample．The water tree is cured by a rejuvenated liquid with a pressured system．Comparing the insulation performances of aged samples and rejuvenated samples，resistive current of the rejuvenated samples decreases and breakdown voltage of the rejuvenated samples is obviously increased．Depending on analysis of SEM and XPS for the water tree region，the filling compound is observed in the water tree voids，which is mainly composed of Ti and Si element．Moreover，a rejuvenation experiment is performed on site for a cable and dielectric loss factor of the injected cable is clearly reduced．According to the results of the experiment and the micro analysis，the injecting technique can greatly improve the insulation of aged cables，and the filling compound in the water tree voids have the good effect of filling and insulation．

water tree;aging;XLPE cable;rejuvenation;resistive current

TM247.1;TM206

A

1003-3076(2014)04-0061-06

2012-08-03

四川省電力公司科技基金資助項(xiàng)目(11H1027)

周 凱(1975-)，男，四川籍，副教授，博士，從事高電壓與絕緣技術(shù)研究;熊 慶(1990-)，女，四川籍，碩士研究生，研究方向?yàn)檫^(guò)電壓監(jiān)測(cè)。