蔡玉汝，張 靜，吳俊杰，楊 旭，陳 佳，黃立才，程立豐

（1南瑞集團(tuán)/國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京 211106；2國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074）

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷進(jìn)步和城市化進(jìn)程的不斷加快，傳統(tǒng)的架空電線已經(jīng)被埋于地下的電纜替代。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜具有結(jié)構(gòu)輕便、易于彎曲、電氣性能良好、耐熱性能好、傳輸容量大、安裝方便、附件制作簡單等優(yōu)點(diǎn)，是最常見的輸電電纜［1］。XLPE 電纜的絕緣在運(yùn)行中易將潮氣吸進(jìn)界面，造成電纜絕緣老化，引發(fā)水樹等缺陷，或者浸入電纜中間接頭界面，最終導(dǎo)致中間接頭絕緣閃絡(luò)擊穿，嚴(yán)重地影響了 XLPE 絕緣電力電纜的安全運(yùn)行。

在電力電纜水分驅(qū)除技術(shù)方面，Ave［2］研究了美國制造商使用氮?dú)獯祾咭韵逃煤蛙娪脩?yīng)用中的光電系統(tǒng)的殘余濕度。Crine［3］通過分別采用氮?dú)夂涂諝庾鳛楦稍锝橘|(zhì)對XLPE電力電纜進(jìn)行了去潮處理的模擬試驗(yàn)，討論了氮?dú)夂涂諝獾娜コ毙剩岢隹諝饨橘|(zhì)基本能夠滿足受潮電纜的去潮要求，適合于運(yùn)行現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。云南電網(wǎng)公司昆明供電局［4］介紹了在工程中遇到的電纜進(jìn)水的兩種情況，提出進(jìn)水后抽真空對電纜的處理方法，采用濕度表作為水分檢測手段，對電纜及敷設(shè)的現(xiàn)狀提出了改進(jìn)建議。廣東電網(wǎng)公司佛山供電局［5］通過利用抽水和真空干燥方法對電纜進(jìn)水問題進(jìn)行處理，采用硅膠不變色作為水分檢測手段，得出了10kV電力電纜進(jìn)水問題的處理方法。

總結(jié)來看，現(xiàn)有的電纜潮氣及水分驅(qū)除方法主要分為三類：氣體壓入法［6］，真空析出法［7］和加熱蒸發(fā)法［8］。實(shí)際工程中，由于電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密封條件、真空泵功率等因素影響，氣化的水在達(dá)到飽和蒸氣壓以后又會重新回到液態(tài)，因此驅(qū)水處理時間長、效率較低［9-10］。并且現(xiàn)有的方式在工藝參數(shù)控制方面及潮氣、水分檢出方面，鮮有針對高壓電纜的研究數(shù)據(jù)以及干燥前后對緩沖層性能影響，導(dǎo)致工程應(yīng)用上主要依靠經(jīng)驗(yàn)對電纜進(jìn)行干燥。本文針對110kV電纜結(jié)構(gòu)提出了氣體吹掃與加熱的水分驅(qū)除方案，搭建了水分驅(qū)除平臺，研究了電纜長度、溫度及氮?dú)饬魉俚裙に噮?shù)，探究了浸濕后干燥對緩沖層機(jī)械及電氣性能的影響。

1 110kV電纜驅(qū)水試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

針對110kV進(jìn)水電纜，本文擬先采用空氣泵驅(qū)除電纜大部分液態(tài)水，待液態(tài)水被大部分吹掃出來后，再使用高純干燥氮?dú)獯祾邅硖岣唠娎|內(nèi)部水分表面的流速，從而加快水分蒸發(fā)，并隨著干燥氮?dú)庖徊⑴懦鲭娎|內(nèi)部，利用工業(yè)加熱墊進(jìn)行輔助加熱，并通過測量吹掃出的剩余氮?dú)庵械暮恳约皽y量進(jìn)水電纜的絕緣性能參數(shù)（介質(zhì)損耗因數(shù)、絕緣電阻）來判斷驅(qū)水的有效性，水分驅(qū)除平臺如圖1所示。

圖1 驅(qū)水實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of water drive experiment

搭建的氮?dú)獯祾邔?shí)驗(yàn)平臺如圖2所示，主要設(shè)備包括氮?dú)馄?、減壓閥、氣管、密封適配器、硅膠加熱墊、受潮電纜、閥門以及精密露點(diǎn)儀。氮?dú)馄咳莘e為40L，充滿氣時壓強(qiáng)為1.3MPa，能夠容納520L氮?dú)?，可供長時間通氮?dú)獾脑囼?yàn)使用。減壓閥可控制氮?dú)鈮簭?qiáng)在0~2 MPa范圍內(nèi)可調(diào)。采用硅膠加熱墊作為電纜加熱設(shè)備，能夠保證一定的保溫與隔水的作用，膠加熱墊的溫度調(diào)節(jié)范圍在30~80 ℃，保持硅膠加熱墊的溫度恒定來控制電纜段在驅(qū)水過程中的加熱溫度。電纜的兩端采用定制的漏斗狀的密封適配器，一端連接電纜橫切面，一端鏈接8mm氣體連接管。

圖2 氮?dú)獯祾邔?shí)驗(yàn)平臺Fig.2 Nitrogen purging experimental platform

在干燥氮?dú)獯祾哌^程中，對如下三個參數(shù)進(jìn)行測量：電纜末端吹出氮?dú)獾暮俊㈦娎|的介質(zhì)損耗因數(shù)、電纜的絕緣電阻值。通過測量三個參數(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中隨時間的變化值，來研究電纜長度、電纜加熱溫度、氣體流速對驅(qū)水效果的影響。

利用變色硅膠定性判斷電纜中吹掃過的氣體中是否含有水分，利用精密智能露點(diǎn)儀裝置定量實(shí)時分析流出氣體中的含水量來判斷電纜的干燥程度。綜合考慮精密露點(diǎn)儀配備氣體流速要求、電纜除水經(jīng)濟(jì)性和整體設(shè)備的氣密性，通過調(diào)節(jié)閥門保證流速在40L/h左右。

本實(shí)驗(yàn)通過AI-6000E介質(zhì)損耗測量儀測量電纜段的介質(zhì)損耗。由于試驗(yàn)電纜浸水后絕緣性能下降過多，在進(jìn)行10kV實(shí)驗(yàn)時出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。因此本實(shí)驗(yàn)采用5kV下的變頻反接法測量電纜在驅(qū)水過程中的介質(zhì)損耗因素。采用兆歐表測量電纜的絕緣電阻，兆歐表的正極連接到電纜中心的銅芯，而負(fù)極連接到電纜的鋼帶處，鋼帶位于緩沖層和外護(hù)套之間。

1.2 試驗(yàn)過程

在進(jìn)水較嚴(yán)重情況下，會有大量液態(tài)水從護(hù)套破損處或電纜接口入侵到電纜的緩沖層與線芯中。針對110kV的電纜，通過浸泡和注水兩種方式來模擬電纜的嚴(yán)重進(jìn)水情況。浸泡方式是將電纜樣品放置于容器中，浸沒于水面下；注水方式是將電纜截面浸于水面下，同時用注射器向緩沖層中注水。

本實(shí)驗(yàn)采用的電纜長度有三種0.3m、0.6m和1.2m。其中0.3m和0.6m可以采用浸泡和注水兩種方式，而1.2m的電纜段由于其長度較長，浸泡需要較長時間，僅使用注水的方式進(jìn)行模擬進(jìn)水。

在初期通過壓縮泵直吹電纜，以最大的流速吹掃4h，初始可以看到電纜出口有水分與氣泡析出，4h后電纜出口沒有大量氣泡，證明此時電纜內(nèi)部以流動液體形式存在的水分大部分已經(jīng)流出。后打開加熱墊電源，設(shè)備入口連接氣體鋼瓶，通過減壓閥向電纜輸送氮?dú)?，出口同樣放置密封適配器將氣體導(dǎo)入到變色劑和微水儀。在加熱后可以觀察到電纜出口熱水蒸汽凝結(jié)成的液珠，與之連接的吸水硅膠由藍(lán)色變成紅色。

從圖3可以看出，雖然空氣吹掃后電纜內(nèi)的液體形式存在水分已經(jīng)大部分被去除，但是電纜內(nèi)部特別是緩沖層中還是存在大量水分由于擴(kuò)散和吸收效應(yīng)進(jìn)入了材料的內(nèi)部。僅靠空氣吹掃無法完全干燥受潮電纜。

圖3 空氣吹掃后的尾氣含水情況Fig.3 Water content of tail gas after air purging

將氮?dú)夤拗械牡獨(dú)庵苯訉?dǎo)入到儀器中，測量得到氮?dú)夤拗械暮吭?00~850 μL/L之間，后將利用空氣泵出水后接入氮?dú)獯祾叩碾娎|廢氣導(dǎo)入儀器測量其含水量發(fā)現(xiàn)其含水量在5800~6000 μL/L之間，待吹出電纜的廢氣氮?dú)夂孔x數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時作為氮?dú)獯祾唑?qū)水實(shí)驗(yàn)的結(jié)束節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 驅(qū)水工藝的影響

2.1.1 電纜長度

對比氮?dú)饬魉?0L/h、環(huán)境溫度25°C下，0.3m、0.6m、1.2m電纜的氮?dú)獯祾邥r間與電纜中流出的氣體含水量之間的關(guān)系，與干燥過程中電纜的絕緣電阻和介質(zhì)損耗隨吹掃時間的變化，如圖4~圖6所示。

圖4 不同長度電纜含水量隨吹掃時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between water content of cables with different lengths and purging time

圖6 不同長度電纜介質(zhì)損耗隨吹掃時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between dielectric loss of cables with different lengths and purging time

由圖4看出，三種長度的電纜在進(jìn)行氮?dú)怛?qū)水初始?xì)怏w含水量都在5900~6000 μL/L之間，驅(qū)水實(shí)驗(yàn)結(jié)束時含水量穩(wěn)定在900μL/L附近不再下降。隨著電纜長度的增加，所需驅(qū)水時間變長，但未見明顯線性關(guān)系。0.3m電纜達(dá)到穩(wěn)定耗時4h，0.6m電纜耗時8h，1.2m電纜耗時約10h。驅(qū)水過程的最初1h內(nèi)0.3m長的電纜段含水量下降了約2800μL/L，0.6m長的電纜含水量下降了約2200μL/L，1.2m長的電纜下降了約1300 μL/L，之后含水量下降速率逐漸減少至0。電纜長度增加到一定程度以后，只要?dú)饴反蛲?，在保證流速一定的情況下，電纜的驅(qū)水進(jìn)度不會因長度增加而成倍的增加。

進(jìn)水操作前，實(shí)驗(yàn)測得電纜在良好絕緣條件下，電纜的絕緣電阻在85~95 GΩ之間。由圖5看出，電纜浸水后，測量得到的絕緣電阻下降到了MΩ級別，介質(zhì)損耗的測量過程也會出現(xiàn)放電的現(xiàn)象。經(jīng)過氮?dú)怛?qū)水過程后，0.3m的電纜絕緣電阻恢復(fù)到了80GΩ，0.6m和1.2m的電纜恢復(fù)到了90GΩ。實(shí)驗(yàn)表明氮?dú)怛?qū)水實(shí)驗(yàn)對電纜的絕緣電阻恢復(fù)效果較好，分別在3h、6h以及8h各個長度的電纜絕緣電阻就回復(fù)到了近70GΩ。

圖5 不同長度電纜絕緣電阻隨吹掃時間關(guān)系Fig.5 Relationship between insulation resistance of cables with different lengths and purging time

進(jìn)水操作前，實(shí)驗(yàn)測得0.3m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為0.578%，0.6m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為0.417%，1.2m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為0.363%。由圖6看出，受潮后0.3m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為3.103%，0.6m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為3.539%，1.2m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為2.713%，進(jìn)水后電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)顯著增加。經(jīng)過電纜驅(qū)水后0.3m電纜恢復(fù)到0.630%，0.6m恢復(fù)到0.468%，1.2m電纜恢復(fù)到0.312%。實(shí)驗(yàn)表明氮?dú)怛?qū)水實(shí)驗(yàn)對電纜的介質(zhì)損耗恢復(fù)效果較好，干燥后的電纜介質(zhì)損耗因數(shù)能夠接近干燥狀態(tài)下的電纜介質(zhì)損耗因數(shù)，整個介質(zhì)損耗也呈現(xiàn)一個先快后慢的過程。

2.1.2 溫度

控制氮?dú)饬魉贋?0L/h不變，分別設(shè)置外部硅膠加熱套為25℃、50℃和70℃，樣品電纜長度為0.3m。得到氮?dú)獯祾邥r間與電纜中出來的氣體含水量之間的關(guān)系，與干燥過程中電纜的絕緣電阻和介質(zhì)損耗的變化，如圖7~圖9所示。

圖7 不同溫度下電纜含水量隨吹掃時間關(guān)系Fig.7 Relationship between cable water content and purging time at different temperatures

圖8 不同溫度下電纜絕緣電阻隨吹掃時間關(guān)系Fig.8 Relationship between cable insulation resistance and purging time at different temperatures

圖9 不同溫度下電纜介質(zhì)損耗因素隨吹掃時間的關(guān)系Fig.9 Relationship between cable dielectric loss factor and purging time at different temperatures

電纜的起始含水量均在6000μL/L左右，25℃下，經(jīng)過4h的氮?dú)獯祾吆糠€(wěn)定在900μL/L，絕緣電阻從18GΩ恢復(fù)到80GΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)從3.104%恢復(fù)到0.631%；50℃下，經(jīng)過3.5h的氮?dú)獯祾吆糠€(wěn)定在880μL/L，絕緣電阻從20GΩ恢復(fù)到90GΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)從3.617%恢復(fù)到0.521%；70℃下，經(jīng)過2.5h的氮?dú)獯祾吆糠€(wěn)定在830μL/L，絕緣電阻從20GΩ恢復(fù)到90GΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)從3.421%恢復(fù)到0.581%。最初的0.5h內(nèi)25℃下含水量下降了1700μL/L，50℃下含水量下降了1900μL/L，70℃下含水量下降了2100μL/L。提高氮?dú)獯祾邥r的溫度有助于加速電纜各項(xiàng)絕緣性能指標(biāo)的恢復(fù)。

2.1.3 氮?dú)饬魉?/p>

分別控制氮?dú)饬魉贋?0L/h、40L/h和50L/h，對長度為0.6m電纜的電纜段進(jìn)行驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，較高的流速要求整個設(shè)備具有更好的氣密性，否則過高的氣壓可能造成氣體泄露。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著流速的增加，驅(qū)水處理時間呈現(xiàn)出縮短的趨勢，但是由流速乘以時間得到總用氣量可以看出，30L/h下總用氣量為300L，40L/h下氣體總用量為320L，50L/h下總用氣量為350L/h。氣體含量的增加對設(shè)備整體的氣密性提出了更高的要求，所以要合適選擇氣體的流速。特別是在對較長電纜進(jìn)行驅(qū)水操作時，合理考慮氮?dú)獯祾咚俣仁鞘直匾摹?/p>

2.2 緩沖層干燥后的性能

為了進(jìn)一步探究浸濕后干燥對阻水帶機(jī)械及電氣性能的影響，分別對浸濕前和浸濕干燥后阻水帶的體積電阻率、厚度、單重、縱向斷裂強(qiáng)度、縱向斷裂伸長率、膨脹速率、膨脹高度及含水率八項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了檢測。

常見半導(dǎo)電阻水帶主要有兩種結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)電阻水帶和半導(dǎo)電緩沖阻水帶。半導(dǎo)電阻水帶主要用于電力電纜各部件之間，起阻水、緩沖和屏蔽作用，主要由半導(dǎo)電聚酯纖維非織造布、半導(dǎo)電粘合劑和高速膨脹吸水樹脂制作而成。半導(dǎo)電緩沖阻水帶主要用于電力電纜金屬護(hù)套內(nèi)，由半導(dǎo)電聚酯纖維非織造布、半導(dǎo)電粘合劑、高速膨脹吸水樹脂和半導(dǎo)電蓬松棉制作而成，置于電力電纜的保護(hù)套內(nèi)，起到均勻電場、阻水、緩沖、屏蔽等作用。本文采用了四種阻水帶樣品，1號和3號兩種阻水帶屬于半導(dǎo)電緩沖阻水帶，而2號和4號兩種阻水帶屬于半導(dǎo)體阻水帶。

針對阻水帶浸濕條件，本試驗(yàn)采用直接浸泡阻水帶的方式，阻水帶在浸入水中后迅速吸水膨脹，中間層出現(xiàn)結(jié)晶體；其中較薄的兩種阻水帶浸泡至3s時開始出現(xiàn)輕微掉粉現(xiàn)象，浸泡至5s時出現(xiàn)嚴(yán)重分層掉粉的現(xiàn)象。因此選擇將試樣浸泡2s，阻水帶充分吸水，且水中無明顯晶體物脫落殘留。本試驗(yàn)采用烘箱烘干的方法進(jìn)行浸濕后的阻水帶干燥處理，烘箱溫度設(shè)置為70℃，對于所取2cm×2cm的四種試樣，其完全烘干時間均為2h。

2.2.1 體積電阻率

1~4號阻水帶的體積電阻率的測量結(jié)果見表1，分別相比于處理前變化了-10.3%、14.3%、-5.6%和-14.6%，烘干后的四種阻水帶的體積電阻率均滿足JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》中的技術(shù)指標(biāo)。

表1 電纜阻水帶體積電阻率檢測結(jié)果（Ω?cm）Table 1 Volume resistivity test results of cable buffer layers (Ω?cm)

2.2.2 厚度、單重及膨脹性能變化分析

參考JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》給出的阻水帶參考厚度、單重及其對應(yīng)的膨脹性能技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)值，對表2試驗(yàn)檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

表2 電纜阻水帶厚度、單重及膨脹性能檢測結(jié)果Table 2 Test results of thickness, unit weight and expansion performance of buffer layer

對比分析浸濕烘干前后四種阻水帶的厚度、單重、膨脹速率及膨脹高度變化，可以得出：四種阻水帶的厚度相比于浸濕烘干前均有所增加，2號阻水帶處理前后厚度變化最大，3號變化最小；四種阻水帶的單重相比于浸濕烘干前均有所降低，2號阻水帶處理前后單重變化最大，3號變化最小。

2號和4號阻水帶處理前后的膨脹速率均在參考范圍內(nèi)，變化不大；1、3號阻水帶處理前后的膨脹速率在參考范圍之外。四種阻水帶處理前后的膨脹高度值均落在此參考范圍內(nèi)，1~4號阻水帶膨脹高度分別變化了-16.7%、9.1%、-15.8%和16.0%。

2.2.3 縱向斷裂強(qiáng)度和縱向斷裂伸長率

根據(jù)JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》，半導(dǎo)電阻水帶的斷裂強(qiáng)度的技術(shù)要求為≥40N/cm，試驗(yàn)測量結(jié)果見表3。

表3 電纜阻水帶縱向斷裂強(qiáng)度和縱向斷裂伸長率檢測結(jié)果Table 3 Test results of longitudinal breaking strength and elongation at break of buffer layers

四種阻水帶處理前后的斷裂強(qiáng)度均滿足技術(shù)要求，且斷裂強(qiáng)度均相比于處理前有所增加，1~4號阻水帶的斷裂強(qiáng)度相比于處理前分別增加了20.8%、10.2%、32.4%和1.8%。其中，3號阻水帶的斷裂強(qiáng)度增加幅度最大，而4號阻水帶增加幅度最小，一定程度上可認(rèn)為其基本不變。

JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》中要求半導(dǎo)電阻水帶的縱向斷裂伸長率≥12%，四種阻水帶處理前后的縱向斷裂伸長率均滿足技術(shù)要求，1~4號阻水帶的縱向斷裂伸長率相比于處理前分別變化了0、-11.8%、7.7%和-7.7%。

2.2.4 含水率

阻水帶浸濕烘干前后變化最為顯著的參數(shù)是含水率，表4為四種阻水帶含水率的檢測結(jié)果。

表4 電纜阻水帶含水率檢測結(jié)果（%）Table 4 Test results of moisture content (%)

四種阻水帶的含水率在浸水烘干后均大幅降低，含水量降低幅度均在90%~95%之間，浸水烘干后四種阻水帶的含水率皆在1%及以下，干燥標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)超JB/T 10259-2014所給技術(shù)要求7%，證明烘干操作進(jìn)行得很充分。

3 結(jié)論

針對110kV XLPE電纜水分及潮氣驅(qū)除問題，提出了采用空氣泵驅(qū)除電纜大部分液態(tài)水，再使用高純干燥氮?dú)獯祾邅硖岣唠娎|內(nèi)部水分表面的流速加速蒸發(fā)，利用工業(yè)加熱墊進(jìn)行輔助加熱的驅(qū)水方案。研究了電纜長度、溫度及氮?dú)饬魉俚裙に噮?shù)對驅(qū)水過程影響，探究了浸濕后干燥對緩沖層機(jī)械及電氣性能的影響。

（1）XLPE電纜絕緣層、緩沖層可通過干燥方式將潮氣或水分排出，浸水電纜通過驅(qū)水處理后，尾氣中的水分含量穩(wěn)定在900μL/L，含水量降低幅度達(dá)85%，其絕緣電阻和介質(zhì)損耗均可實(shí)現(xiàn)接近未進(jìn)水前電纜的良好水平，驗(yàn)證了干燥后的電纜能夠滿足重新投運(yùn)的要求。

（2）電纜的驅(qū)水進(jìn)度不會因長度增加而成倍的增加，滿足電纜氣密性要求的情況下，提高氮?dú)獯祾邷囟燃暗獨(dú)饬魉儆兄诩铀偈艹彪娎|的水分驅(qū)除。

（3）采用70℃恒溫烘干4h的方法可以驅(qū)除緩沖層中的水分，干燥后的緩沖層不再具備阻水性能，其機(jī)械性能和電氣性能基本處在可控范圍之內(nèi)，能夠滿足短時投運(yùn)要求。