(四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065)

0 引 言

水樹是導致XLPE電纜老化的重要原因之一[1-5]。在電纜敷設及運行過程中，在機械外力作用下電纜外護套可能發(fā)生破損，導致水分侵入電纜絕緣，并進而引發(fā)水樹。如何有效診斷水樹老化電纜是業(yè)界共同面臨的問題。相比于傳統(tǒng)的老化電纜介電性能測試方法，如直流成分法、直流疊加法、諧波分量法等，極化-去極化電流(polarization-depolarization current，PDC)法因其具有測試時間短、準確度高等優(yōu)點，近年來在水樹老化電纜診斷中得到廣泛應用。

已有研究表明，采用PDC法中不同的測量或擬合參數(shù)能夠診斷出具有水樹老化的電纜并且判斷水樹電纜老化程度。例如，文獻[6]研究表明低頻介質損耗譜不僅能發(fā)現(xiàn)橋接絕緣較長的水樹老化缺陷，而且能診斷出絕緣受潮或長度較短的水樹。文獻[7]提出利用直流電導率和非線性系數(shù)變化判別電纜絕緣中的水樹老化問題。文獻[8]認為PDC方法獲取的低頻介電響應譜和電導率能較好地判定電纜絕緣狀態(tài)，DONL非線性系數(shù)能較好地分辨絕緣水樹老化與受潮情況。另外，文獻[9]提出利用PDC測量中的低頻介質損耗與直流電導率非線性特性判斷水樹老化電纜以及判斷水樹長度。然而，該文獻尚未研究水樹含水量和水樹電纜電氣性能之間的關系。水樹區(qū)域含水量直接關系著水樹區(qū)域的介質損耗和電導率大小，然而在水樹生長過程中水樹區(qū)域的含水量是如何變化的，其是如何影響水樹電纜的電氣性能的，值得進一步研究。

下面，為了研究水樹不同生長階段水樹區(qū)域的含水量變化，通過制作A、B、C三組有針孔缺陷的XLPE電纜樣本，分別對其進行為期30 d、60 d、90 d的加速水樹老化。同時利用顯微鏡觀測水樹的形態(tài)及生長速度，利用紅外光譜儀測量樣本水樹區(qū)域含水量，利用PDC測量樣本不同老化時期的直流電導率和0.1 Hz介損。通過觀測及測試結果，分析水樹電纜電氣性能和含水量之間的關系。

1 實驗設置

1.1 電纜樣本制作及加速水樹老化實驗

實驗選用YJV223×95 8.7/10 kV的交聯(lián)聚乙烯電纜制作實驗樣本。去掉電纜的外護套、鋼鎧、防水層、銅屏蔽層，截斷成大約40 cm長的短電纜。在短電纜的一端露出大約2 cm的纜芯，同時兩端約10 cm的外半導電層，以防止加壓老化時出現(xiàn)沿面放電。在中間保留外半導電層的區(qū)域，用鋼針均勻垂直扎下間隔0.5 cm、深度約3 mm的針孔。最后，套上熱縮管并將其兩端密封，作為容器以便儲存飽和NaCl溶液。在電纜纜芯上施加有效值為7.5 kV、頻率400 Hz的正弦高壓對電纜樣本進行加速水樹老化。加速水樹老化實驗原理如圖1所示[1-4]。

圖1 加速水樹老化實驗原理

1.2 PDC測試

為研究水樹樣本老化過程中的電氣性能變化，采用PDC法對樣本的0.1 Hz介質損耗和直流電導率進行測試。測試時先剝除電纜樣本熱縮管，之后將直流高壓電極和電纜纜芯連接，并在電纜外半導電層包覆銅帶接地電極進行測量。測量中極化時間和去極化時間均為90 s[10]。

1.3 顯微觀測

待電纜樣本老化到一定時間，隨機選取實驗組中的一根短電纜，將電纜絕緣切成厚度大約100 μm的薄片，在90 ℃的溫度下浸在亞甲基藍溶液中染色30 min。待充分染色之后，將薄片外表擦拭干凈，放置在顯微鏡下，使用64倍放大倍數(shù)，分別觀察水樹形態(tài)并統(tǒng)計針孔尖端最長水樹長度。下面提及的水樹形態(tài)和水樹尺寸是將每組XLPE薄片樣本上所有針孔切片后染色觀察、統(tǒng)計分析得出的。

1.4 紅外光譜儀測試

為了研究電纜樣本水樹區(qū)域的含水量，水樹老化結束后對三組老化樣本分別進行紅外檢測。檢測過程如下：利用切片機在垂直于樣本表面的方向上沿針孔邊緣將電纜切為薄片，在針孔正前方水樹區(qū)域取點進行紅外光譜(infrared spectrometer，IR)分析，得到樣本的紅外光譜。

2 實驗結果

2.1 PDC測試結果

樣本的PDC測試結果如圖2所示，水樹老化30 d以前，樣本介質損耗因數(shù)較低，約為0.5%，而在老化30d后樣本介質損耗因數(shù)開始快速上升；類似地，老化30 d前水樹老化樣本和受潮樣本(僅浸泡在水中)的直流電導率基本相同，而在30 d后水樹老化樣本的直流電導率顯著高于受潮樣本。上述結果說明，水樹老化30 d后樣本的電氣性能開始顯著下降。

圖2 樣本電氣性能變化

2.2 水樹分析

A、B、C三組樣本(分別對應30 d、60 d、90 d)中的水樹形態(tài)如圖3所示。由水樹形態(tài)統(tǒng)計水樹尺寸，三組樣本中的水樹尺寸及生長速率統(tǒng)計結果如圖4所示。

圖3 三組樣本水樹觀測

圖4 三組樣本水樹尺寸及生長速率變化

由圖3和圖4可知：老化30 d時水樹長度為229.2 μm，水樹生長速率較高，達到了7.64 μm/d。老化30～60 d，水樹生長速率顯著降低，僅為1.24 μm/d。水樹長度基本維持不變，但水樹染色加深。老化60～90 d，水樹生長速率再次加快，為7.92 μm/d，老化90 d時水樹長度顯著增加至504 μm。

2.3 IR檢測結果

三組樣本的IR檢測結果如圖5所示。根據(jù)IR譜圖中3400 cm-1水分吸收特征峰統(tǒng)計三組樣本水樹區(qū)域含水量[11]。統(tǒng)計結果如表1所示。由表1可知，老化30 d時水樹區(qū)域含水量較低，而老化60 d后水樹區(qū)域含水量顯著增加。

圖5 三組樣本水樹區(qū)域IR結果

表1 三組樣本水樹區(qū)域含水量統(tǒng)計

2.4 實驗結果分析

從以上試驗可以看出：

A組：水樹老化30 d以前，雖然水樹平均長度較長(229.2 μm)，但水樹區(qū)域染色較淺，含水量較小(0.000 4)，因而此時樣本的介質損耗因數(shù)和電導率較小，由圖2可見。

B組：水樹老化至60 d時，雖然水樹長度增加不多(增加至266.4 μm)，但水樹區(qū)域染色明顯變深，含水量顯著增加(從0.000 4增加至0.001 6)，因而此時樣本的介質損耗因數(shù)和電導率顯著增加，分別增加至5.5%和2.0×10-12S/m。

C組：水樹老化至90 d，樣本水樹長度(504 μm)和染色深度進一步增加，水樹區(qū)域含水量(0.002 7)繼續(xù)增加，因而樣本的介質損耗因數(shù)和電導率繼續(xù)增加，分別達到8.1 %和7.0×10-12S/m。

由此可見，水樹老化電纜的電氣性能和水樹長度不呈正相關關系，而和水樹區(qū)域含水量具有密切關系。當水樹區(qū)域含水量較低時，電纜電氣性能較好，而當水樹區(qū)域含水量顯著增加時，電纜電氣性能將顯著降低。

3 結 語

前面通過電纜加速老化實驗，利用PDC測試、顯微觀測及紅外光譜儀測量，研究了水樹老化電纜電氣性能和水樹長度及水樹區(qū)域含水量之間的關系，得出以下結論：

1)水樹老化電纜電氣性能和水樹長度不呈正相關關系。

2)水樹老化電纜電氣性能和水樹區(qū)域含水量關系密切。當水樹區(qū)域含水量較低時，電纜電氣性能較好，而當水樹區(qū)域含水量顯著增加時，電纜電氣性能將顯著降低。