李懷政，朱燕，龍文，張歡，何高輝

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司，重慶 400015；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院智能電網(wǎng)及裝備新技術(shù)國際研發(fā)中心，重慶 400715)

電力電纜能夠傳輸電磁能量和實現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著電力傳輸?shù)闹匾饔?。電力電纜基本采取直埋敷設(shè)的方式埋于地下，相對架空線路而言，不易受到惡劣天氣和極端氣候的影響[1-2]，能夠有效節(jié)省占地面積[3]；電纜芯線與接地屏蔽層產(chǎn)生的容性無功分量能夠補償線路感性無功分量，有利于提高線路功率因數(shù)，降低線路電能損耗[4]；電力電纜能夠適應(yīng)多種敷設(shè)方式和使用環(huán)境，在地下、水中、豎井、隧道等環(huán)境中均可使用。鑒于以上優(yōu)點，電力電纜被廣泛應(yīng)用于電氣裝備、輸電線路等各方面[5]。

由于長期處在高負荷運行狀態(tài)下，電力電纜絕緣層的物理性能會逐漸下降，絕緣層受到腐蝕后發(fā)生穿孔甚至開裂，造成故障發(fā)生[6-7]。除電纜本體外，在某些電力設(shè)施(如10 kV環(huán)網(wǎng)柜)中，由于彎曲受力、安裝工藝等原因也會造成電纜終端接頭的絕緣損傷[8]。電纜敷設(shè)于地下管道中，一旦出現(xiàn)故障，故障點難以被直接觀測和定位，同時安裝電纜的位置或設(shè)施一般內(nèi)部空間都較為狹小(例如部分電纜溝內(nèi)難以直立行走，裝有三通絕緣套管的10 kV配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜可操作空間僅有6 cm[9])，狹小的作業(yè)空間會導(dǎo)致維修困難，故障在短時間內(nèi)難以被消除，極易擴大停電事故影響范圍，威脅電力系統(tǒng)安全和產(chǎn)生不良社會影響。

目前，國內(nèi)外針對電力電纜及其終端接頭修復(fù)技術(shù)開展了較為廣泛的研究，能夠適用于不同類型的電纜絕緣劣化現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)分析電力電纜及終端接頭的故障原因，對目前常見的修復(fù)技術(shù)和原理加以梳理，進而針對電力電纜及終端接頭修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢進行展望并提出相關(guān)研究建議。

1 電力電纜及終端接頭劣化機理

1.1 電力電纜絕緣劣化機理

電力電纜在長期高負荷甚至超負荷運行的情況下，疊加了外界環(huán)境、機械應(yīng)力等多種因素的綜合作用[10]，隨著運行時間增加，電力電纜內(nèi)部會出現(xiàn)雜質(zhì)、裂紋、氣泡等缺陷，導(dǎo)致絕緣性能降低和穩(wěn)定運行性能下降，極端情況下會導(dǎo)致絕緣失效和擊穿等故障出現(xiàn)，致使電網(wǎng)運行受阻，嚴(yán)重影響供電可靠性。目前電力電纜劣化方式主要包括電樹枝劣化和水樹枝劣化。

電樹枝劣化也稱電樹劣化，是指電纜內(nèi)部絕緣在雜質(zhì)、溫度、施加電壓等因素影響下產(chǎn)生電場畸變，從而造成局部擊穿而使電纜絕緣產(chǎn)生細微開裂，形成細小內(nèi)空通道[11]。電樹枝的成因和發(fā)展相對復(fù)雜，但是電樹枝一旦出現(xiàn)，在持續(xù)的電壓和電場作用下會不斷擴張發(fā)展，直至在電纜內(nèi)部形成貫穿的放電通道，產(chǎn)生電擊穿而使絕緣失效。從電樹枝出現(xiàn)后到絕緣被擊穿的時間沒有明顯規(guī)律(微秒到數(shù)十天都有可能)。雖然電樹枝擊穿時間規(guī)律性不強，但電纜絕緣被擊穿之前都會產(chǎn)生電樹枝的規(guī)律十分明顯。

水樹枝是指由于低強度電場長時間作用于受潮電纜后，在電纜介質(zhì)內(nèi)部絕緣薄弱處會形成樹枝狀的局部微通道，該微通道主要由微小的水滴及連接它們的水絲組成[12]。失去水分之后水樹枝消失，受潮之后水樹枝又會重新出現(xiàn)。當(dāng)水樹枝發(fā)展到一定程度后，會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲π纬煞烹娡ǖ?，在電樹枝作用下最終使得絕緣失效。目前對于水樹枝形成機理的研究較為廣泛，尚無統(tǒng)一看法，但電場和水分的存在和作用是電纜絕緣介質(zhì)出現(xiàn)水樹枝的主要因素。

電樹枝劣化和水樹枝劣化的誘發(fā)和發(fā)展十分復(fù)雜，大多數(shù)情況下是多種因素聯(lián)合作用導(dǎo)致的結(jié)果。以下介紹影響電樹枝和水樹枝形成和發(fā)展的主要因素及作用機理。

1.1.1 溫度對電纜絕緣劣化的影響

絕緣介質(zhì)的溫度與水樹枝的出現(xiàn)和發(fā)展有著密切聯(lián)系[13]，研究表明溫度與水樹枝的發(fā)展速率成正相關(guān)關(guān)系。影響機理為：隨著溫度上升，電纜絕緣介質(zhì)受熱膨脹，介質(zhì)內(nèi)部的微孔隨之膨脹擴大；同時介質(zhì)的彈性模量和屈服應(yīng)力大幅下降。由于溫度升高和微孔擴大，分子熱運動加劇[14]，離子擴散變得更加容易，因此水分子會更容易進入介質(zhì)內(nèi)部，形成水樹枝。

相對于恒定高溫的持續(xù)作用加快水樹枝的生長速度，有研究表明溫度的循環(huán)變化也會產(chǎn)生同樣效果。試驗[15]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在0～60 ℃范圍內(nèi)循環(huán)進行升溫至降溫操作時，溫度由高到低變化時水樹枝生長速度加快，而由低到高進行升溫時，水樹枝的發(fā)展速度會進一步加快。文獻[16]認為在溫度較低時，分子鏈取向行為的作用也會促進水樹枝生長，因此在溫度循環(huán)變化時，絕緣介質(zhì)的分子鏈不斷發(fā)生取向-解取向的過程，使低溫時的水樹枝仍保持一定的生長速度。在溫度促進水樹枝生長的過程中，水樹枝逐漸粗密[17]，發(fā)展到一定程度后，水樹枝會向電樹枝轉(zhuǎn)變。

溫度對電樹枝的出現(xiàn)和生長同樣具有一定的促進作用[18]，當(dāng)電力電纜運行溫度超過110 ℃，溫度和電場的疊加作用會在短時間內(nèi)誘發(fā)電纜產(chǎn)生電樹枝[19]。電樹枝產(chǎn)生后，生長速度會受到溫度和電壓極性的聯(lián)合作用。當(dāng)電壓為負極性直流時，在溫度超過90 ℃后，升溫才會促進電樹枝的生長；而當(dāng)電壓為正極性直流時，任意溫度范圍內(nèi)，電樹枝的生長速率都隨著溫度上升而逐漸加快。在低溫環(huán)境下電樹枝的出現(xiàn)和生長都會受到抑制，溫度越低，生長速率抑制越嚴(yán)重，呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[20-21]。

1.1.2 機械應(yīng)力對電纜絕緣劣化的影響

電力電纜受到的機械應(yīng)力主要分為機械壓力和機械張力，二者都對水樹枝的誘發(fā)和生長有較大的影響。首先在機械張力的作用下，電纜絕緣介質(zhì)呈現(xiàn)向外擴張和膨脹的趨勢，從而使得材料內(nèi)部的微孔增大。如1.1.1節(jié)所述，微孔增大后水分子進入絕緣內(nèi)部更加便捷，從而促進水樹枝的生長。相反地，在機械壓力的作用下，電纜整體呈現(xiàn)內(nèi)縮趨勢，材料內(nèi)部微孔的大小和密度都會相應(yīng)減小[22]，增大水分子進入的難度，從而抑制水樹枝的生長。

機械應(yīng)力對水樹枝的影響也可從水樹枝的生長方向上得到驗證[23]。在研究溫度和機械應(yīng)力對水樹枝生長的聯(lián)合作用時發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下，受到機械應(yīng)力作用的電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)力學(xué)取向的概率增大，并且水樹枝的生長方向會以力學(xué)取向為生長方向進行擴展，同時生長速度明顯高于未施加機械應(yīng)力的水樹枝。

另外，機械應(yīng)力也會對電樹枝產(chǎn)生影響，應(yīng)力會導(dǎo)致電力電纜絕緣介質(zhì)分子的分子鍵發(fā)生拉伸甚至斷裂，導(dǎo)致其絕緣性能下降，從而更有利于電樹枝的形成和發(fā)展[24]。研究表明，機械應(yīng)力會使電樹枝發(fā)生的起始電壓明顯減小，電樹枝更容易在低電壓下發(fā)生。同時機械應(yīng)力也會縮短電樹枝的誘發(fā)時間和加快其生長速度[25]。

1.1.3 外加電壓對電纜絕緣劣化的影響

外加電壓的頻率、極性和升壓速率等都會對電樹枝的產(chǎn)生有顯著影響。文獻[26]發(fā)現(xiàn)電壓頻率會影響電樹枝的形貌，在低頻下電樹枝的形貌結(jié)構(gòu)較為豐富(存在枝狀、叢狀及二者混合狀多種結(jié)構(gòu))。當(dāng)電壓頻率升高后，電纜內(nèi)部則僅出現(xiàn)枝狀電樹枝。枝狀電樹枝存在時的電纜絕緣較存在叢狀電樹枝時更易被擊穿，即電壓頻率可以通過改變電樹枝的生長結(jié)構(gòu)進而影響電纜的絕緣性能。

另外，電樹枝的誘發(fā)與外加電壓的升壓速率關(guān)聯(lián)緊密[27]，二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，升壓越快，出現(xiàn)電樹枝的起始電壓就越低，越容易形成電樹枝。電壓性質(zhì)也會對電樹枝的發(fā)展起到重要作用，研究表明正極性直流電壓下電樹枝的出現(xiàn)和生長速度都大于負極性直流，且呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[28]。而當(dāng)施加電壓為交流與沖擊電壓疊加時，若交流電壓小于其單獨作用下電樹枝誘發(fā)電壓的40%，電樹枝的出現(xiàn)僅與沖擊電壓相關(guān)，一旦達到該閾值，電樹枝出現(xiàn)概率會隨著交流電壓的增加而增大[29]。

電壓極性和頻率改變都會對電纜絕緣內(nèi)空間電荷的生成和分布產(chǎn)生影響，空間電荷對電樹枝的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用[30]。當(dāng)電力電纜存在外加電場作用時，空間電荷從電極處通過肖特基效應(yīng)和隧道效應(yīng)注入絕緣介質(zhì)內(nèi)部。空間電荷在電纜絕緣內(nèi)不斷積聚促使介質(zhì)劣化，進而加快電樹枝產(chǎn)生。

1.2 電纜終端接頭劣化機理

高壓電力電纜的劣化和故障大多發(fā)生在電纜本體上，而10 kV電纜的故障多集中發(fā)生在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的電纜終端接頭位置。終端接頭與電纜連接后長期處在不均勻電場的作用下，電場線與電纜終端接頭表面幾乎成90°，接頭法蘭處介質(zhì)表面電流密度和電位梯度最大，一旦終端接頭出現(xiàn)缺陷，極易造成絕緣失效。終端接頭劣化及故障原因如下：

a)長期受力不均[31]。以10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電纜及終端接頭為例，國內(nèi)采用的三芯電纜在柜內(nèi)與其他設(shè)備連接時，必須彎曲電纜以配合安裝，同時需要通過外力扭動加以固定，但是在后期自身重力、電動力等的影響下，扭動形成的應(yīng)力會逐步釋放，產(chǎn)生力矩并作用于終端接頭，造成終端接頭受力不均而損傷和開裂。另外，隨著用電負荷逐年增加，電纜載流量逐步提高，導(dǎo)致電纜及終端接頭發(fā)熱，熱脹冷縮效應(yīng)使得終端接頭膨脹變形，產(chǎn)生作用于終端接頭的外力。

研究表明，當(dāng)10 kV環(huán)網(wǎng)柜與三芯電力電纜連接時，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)終端接頭高度增加能夠使接頭受力減小，但減小幅度會逐漸減緩。終端接頭的受力也與電纜的安裝方式有一定關(guān)聯(lián)，當(dāng)電纜頂部傾斜安裝時，接頭所受作用力會顯著降低，最大可以比正常安裝時降低60%左右，在安全距離以內(nèi)傾斜安裝可以延長電纜終端接頭的使用壽命。另外，接頭處受力會隨著套管間距的減小而增大，并且存在一定的線性關(guān)系，即每當(dāng)間距縮小20 mm時，套管受力最大能夠增加300 N。而當(dāng)電纜溫度上升時，電纜與接頭連接處的作用力會隨之變大。若柜內(nèi)電纜長度為0.5 m，當(dāng)溫度從20 ℃升至90 ℃時，接頭處的作用力能夠增加大約191%，而當(dāng)柜內(nèi)電纜長度為0.9 m時，作用力能夠增加大約160%，溫升導(dǎo)致的電纜接頭受力變化效應(yīng)十分明顯。

b)導(dǎo)體接觸不良[32]。生產(chǎn)過程中，終端接頭內(nèi)壁和纜芯位置處的雜質(zhì)等會使得連接松動；在進行電纜壓接時，施工工藝不達標(biāo)會出現(xiàn)電纜壓接不實的現(xiàn)象。接觸不良會導(dǎo)致電纜與終端接頭之間的接觸電阻增大，環(huán)網(wǎng)柜在長期運行過程中由于大電流的持續(xù)通過會產(chǎn)生大量熱量，并且在封閉的環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)熱量不易散發(fā)，會導(dǎo)致終端接頭的溫度急劇上升，致使終端接頭發(fā)熱劣化，熱脹冷縮產(chǎn)生的作用力也會進一步擴大電纜與終端接頭的絕緣缺陷。

c)外界污穢累積[33]。電纜與終端接頭安裝時多在戶外進行，由于長期在惡劣環(huán)境下運行，空氣中的灰塵等雜質(zhì)極易附著在接頭處，在長期帶電運行中，容易在終端接頭處產(chǎn)生爬電和沿面閃絡(luò)，損傷終端接頭絕緣。尤其是在濕度較高的環(huán)境中，親水性電解質(zhì)與強吸水性不溶物質(zhì)會對終端接頭表面的泄漏電流和閃絡(luò)電壓產(chǎn)生直接影響。水中鹽密增大會導(dǎo)致導(dǎo)電離子增多，提高表面凝露的導(dǎo)電率；同時灰密增大意味著強吸水性不溶物質(zhì)增多，對外界水分子有強吸附能力，使得接頭表面水膜擴張，促使接頭表面形成濕潤的污穢帶。上述現(xiàn)象會導(dǎo)致閃絡(luò)電壓大幅降低和泄漏電流幅值急劇上升，均會加速終端接頭的老化速度，增加終端接頭發(fā)生故障的風(fēng)險。在終端接頭老化后，材料表面或內(nèi)部會逐漸出現(xiàn)裂紋等缺陷，這會導(dǎo)致污穢的進一步附著和擴張，繼續(xù)加重老化程度。

d)剝切工藝欠佳[34]。在進行電纜壓接而剝切外層屏蔽層時，容易用力過大損傷電纜絕緣甚至芯線，從而造成電纜與終端接頭處的電場發(fā)生畸變，長期處于局部高場強環(huán)境會加速終端接頭劣化，在劣化過程中逐漸在終端接頭內(nèi)部誘發(fā)電樹枝形成，當(dāng)電樹枝發(fā)展到一定程度后，會造成絕緣失效引發(fā)設(shè)備故障。

在對10 kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電纜的運行狀態(tài)監(jiān)測分析時發(fā)現(xiàn)，在部分發(fā)生接地故障的電纜終端接頭，由于接頭主絕緣部分存在明顯劃痕，造成絕緣缺陷長久存在。而配電網(wǎng)正常工作電壓為10 kV，絕緣裕度本身較小，當(dāng)終端接頭的主絕緣損傷后，局部絕緣性能會大幅下降從而使得局部電場畸變增大，導(dǎo)致接頭處絕緣擊穿。同時，劃痕會在絕緣材料中發(fā)生間隙放電，形成電樹枝，進一步降低接頭的絕緣性能。

2 常見電力電纜劣化修復(fù)技術(shù)

2.1 排潮法

在早期針對水樹枝問題的研究中，通常采用自然排潮的方法[35]，即將受潮后的電纜靜置干燥環(huán)境中(放置時間視受潮程度而定，嚴(yán)重時甚至需要半年以上)，由于電纜外層材料具有一定的彈性，并且材料本身存在微孔，在靜置過程中水分逐漸向空氣中擴散蒸發(fā)，由此達到除潮的目的。由于自然排潮所需時間太長，經(jīng)濟性和效率難以保證，因此也會人為干預(yù)增加排潮速度，通常采用電流加熱和干燥空氣聯(lián)合作用的方法[36]。如圖1所示，將受潮電纜兩端分別置于密封良好的進氣盒和排氣盒中，通過導(dǎo)線與外加電源相連，對電纜通入電流加熱纜芯；將干燥且無雜質(zhì)的壓縮空氣排入進氣盒并流入受潮電纜中，從而達到除濕的作用。

圖1 電纜排潮系統(tǒng)Fig.1 Cable dehumidification system

無論是自然排潮法還是電流加熱和干燥空氣聯(lián)合排潮，都只是暫時將水分從電纜內(nèi)部排出，使電纜短時恢復(fù)干燥狀態(tài)，但均未從根本上解決水分進入電力電纜的問題。實踐證明，采取上述方法干燥后的電纜在重新投入使用后，水分會重新進入電纜形成水樹枝，絕緣性能會在短時間內(nèi)快速退化。對于運行連續(xù)性和設(shè)備安全性要求較高的電力系統(tǒng)，由于存在無法阻止水分再次侵入電纜的缺點，排潮法已經(jīng)不適用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中對于受潮電纜的處理。

2.2 修復(fù)液注入法

修復(fù)液注入是針對水樹枝修復(fù)而形成的研究方法，目前相關(guān)研究可以劃分為4個階段：注入干燥氮氣、注入乙酰苯等憎水物質(zhì)、注入硅氧烷以及注入有機-無機復(fù)合修復(fù)液。4個階段修復(fù)原理及性能介紹如下：

a)早期Ave、Nannery等學(xué)者[37-38]先后提出采用持續(xù)注入干燥氮氣的方法將電纜中的水分帶出電纜內(nèi)部，水分隨干燥氮氣排出后，電纜絕緣性能逐漸恢復(fù)甚至到達無任何損傷時的水平。但由于干燥氮氣只是將水分帶走而并沒有修復(fù)劣化區(qū)域的孔隙，在后期使用過程中，外界環(huán)境中的水分極易進入電纜內(nèi)部重新形成水樹枝，降低電纜的絕緣性能，如圖2所示[39]。

圖2 干燥氮氣進行修復(fù)時電纜介質(zhì)損耗的變化Fig.2 Changes of cable dielectric loss when using dry nitrogen for repairing

b)也有學(xué)者采用注入憎水性化合物的方法進行修復(fù)，主要利用化合物自身的憎水性取代電纜內(nèi)部的水分并填充孔隙，此類修復(fù)方式一般以乙酰苯、乙醇和脂肪醇等物質(zhì)為代表[40-41]。但由于部分憎水化合物介電常數(shù)很高，其填充在電纜內(nèi)部孔隙中，會進一步降低擊穿場強。另外由于采用的憎水物質(zhì)大多數(shù)為小分子結(jié)構(gòu)，在擴散作用下，憎水物質(zhì)會逐漸擴散到外界環(huán)境中，電纜內(nèi)的孔隙會重新暴露在潮濕環(huán)境下，繼續(xù)產(chǎn)生水樹枝。

c)注入干燥氮氣除濕的方法存在與排潮法同樣的缺點，只是單純排出水分子，而未對水分子侵入的通道進行處理。憎水性化合物雖然在排出水分的同時能夠填補內(nèi)部孔隙，但由于結(jié)合度不高以及小分子的原因，憎水性化合物會逐漸擴散，使得水分子侵入通道重新出現(xiàn)。由于運行要求逐年提高，上述2種方法也不適用于服役電纜的缺陷處理。針對干燥氮氣和憎水化合物修復(fù)的缺點，目前廣泛采用能夠快速滲入電纜且不易擴散的硅氧烷類物質(zhì)作為修復(fù)液進行注入修復(fù)。不同類型的硅氧烷修復(fù)液修復(fù)原理類似，本文以較為經(jīng)典的甲基苯基二甲氧基硅烷為例進行介紹。甲基苯基二甲氧基硅烷遇水后，其中的甲氧基極易發(fā)生水解反應(yīng)[42]，水分子中的羥基與甲氧基發(fā)生置換，生成一元硅烷醇；當(dāng)周圍環(huán)境中過于潮濕時，反應(yīng)形成的一元硅烷醇會進一步水解生成二元硅烷醇。隨后在催化劑的作用下，生成的硅烷醇之間發(fā)生聚合反應(yīng)形成二聚體，并能夠與單體和其他二聚體繼續(xù)反應(yīng)生成具備大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多聚物。在上述反應(yīng)過程中，硅氧烷修復(fù)液不斷與水發(fā)生反應(yīng)，消耗電纜內(nèi)部的水分，同時生成的多聚物具有與電纜類似的分子結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)，能夠填補水分被消耗后的孔隙，較為有效地防止修復(fù)后水分重新進入。采用硅氧烷修復(fù)前后電纜的微觀形貌對比如圖3所示，修復(fù)后的水樹枝所在區(qū)域顏色明顯變淺，表明采用硅氧烷修復(fù)具有可行性。

圖3 水樹枝修復(fù)前后微觀形貌對比Fig.3 The morphologies of water tree aged cables before and after rejuvenation

d)在其他類型修復(fù)液中，四川大學(xué)周凱團隊[42]將一種有機-無機復(fù)合的修復(fù)液使用在電纜絕緣修復(fù)工作中，修復(fù)后電纜內(nèi)部表征水分的羥基特征峰顯著降低，并且擊穿電壓明顯提高，證明了該類型修復(fù)液的效果。但在文獻中并未表述有機-無機復(fù)合修復(fù)液的具體成分和比例。

硅氧烷類修復(fù)液和有機-無機復(fù)合修復(fù)液在與水反應(yīng)的過程中產(chǎn)生的有機聚合物能夠較好地填補水分子侵入通道，在一定程度上彌補了其他方法的不足，在部分地區(qū)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。但此類方法同樣存在缺點，例如：修復(fù)過程繁瑣并且對修復(fù)設(shè)備要求較高，容易導(dǎo)致停電時間過長；修復(fù)液注入后滲透緩慢，修復(fù)液利用率較低。但就目前而言，修復(fù)液注入對電纜內(nèi)部水分的處理仍然具有最佳效果，是修復(fù)受潮電纜的最優(yōu)選擇。

2.3 自修復(fù)法

自修復(fù)技術(shù)由于不需要故障定位和停電檢修，被認為是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ尼槍﹄姌渲Φ男迯?fù)方法。它主要是采用能夠自動判斷電纜絕緣缺陷并進行自主修復(fù)的材料來對電纜進行復(fù)原。目前，自修復(fù)材料主要分為填充型自修復(fù)和本征型自修復(fù)2類[43]。

2.3.1 填充型自修復(fù)

填充型自修復(fù)方法主要是通過微膠囊、微脈管和空纖維等載體包裹愈合劑置于電纜內(nèi)部，當(dāng)電樹枝發(fā)展至微型載體時，載體破裂并釋放其中的愈合劑，能夠與基體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)從而修復(fù)絕緣，修復(fù)原理如圖4所示[44]。填充型的修復(fù)物質(zhì)基本只能修復(fù)其周邊的絕緣缺陷，并且在單次修復(fù)后失效，難以實現(xiàn)重復(fù)修復(fù)。

圖4 填充型自修復(fù)原理Fig.4 Principle of self-repair method for filling type

在微膠囊應(yīng)用上，清華大學(xué)何金良團隊以陰離子聚合原理為基礎(chǔ)制備一種能夠?qū)崿F(xiàn)電纜自愈的微膠囊[45]。將分子引發(fā)劑2-乙基-4-甲基咪唑引入環(huán)氧分子鏈中，形成自愈聚合物基體，即2-乙基-4-甲基咪唑改性環(huán)氧。在環(huán)氧樹脂中，相對較低的2-乙基-4-甲基咪唑含量足以使其獲得自愈能力。微膠囊能夠在50～80 ℃的溫度范圍內(nèi)和自然工作條件下實現(xiàn)固化。

在微脈管自修復(fù)方面，伊利諾伊大學(xué)[46]研究了一種微膠囊和微脈管的混合修復(fù)方法，通過微脈管網(wǎng)絡(luò)輸送2個階段的愈合劑到達損傷部位。2階段愈合劑的快速膠凝能夠保留在損傷區(qū)域從而修復(fù)受沖擊產(chǎn)生的微孔和周圍受損空間，而嵌入的微膠囊可以愈合微裂縫，促進密封。華威大學(xué)[47]則提出基于嵌入式微血管網(wǎng)絡(luò)的自愈聚合物的制備過程和表征手段，利用3D打印機生產(chǎn)高分辨率、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力來創(chuàng)建獨立的微通道網(wǎng)絡(luò)。由于多個獨立的微血管網(wǎng)絡(luò)均可以使用雙組分修復(fù)化學(xué)物質(zhì)，不同聚合物體系都具有自修復(fù)能力，從而延長材料的使用壽命。通過嚴(yán)重損壞樣品的自修復(fù)測試表明，受損樣品在機械性能恢復(fù)方面具有良好的表現(xiàn)。

在空纖維方面，新加坡南洋理工大學(xué)[48]研制了基于中空介孔二氧化硅納米容器(hollow mesoporous silica nanocontainers，HMSs)載體的新型自愈材料(即采用具有微米級通孔的HMSs作為環(huán)氧和胺溶液的微容器)，實現(xiàn)了環(huán)氧基體的自修復(fù)功能。該修復(fù)方法雖然目前尚未用于電纜絕緣缺陷的修復(fù)領(lǐng)域，但具備一定的適用性，可以通過空纖維等載體包裹修復(fù)劑置入電纜內(nèi)部，在電纜受損時自動識別破損或者結(jié)構(gòu)缺陷，通過載體破裂釋放修復(fù)劑，實現(xiàn)電纜的自動修復(fù)，能夠在一定程度上解放人力。但目前基于空纖維等載體的修復(fù)方法修復(fù)點位較為單一，難以實現(xiàn)對同一位置的多次修復(fù)以及點位外其他位置的修復(fù)，有一定的局限性。

2.3.2 本征型自修復(fù)

本征型自修復(fù)方法分為共價鍵型和非共價鍵型2類。非共價鍵修復(fù)技術(shù)是依靠氫鍵、金屬配位和拓撲結(jié)構(gòu)等分子間的相互作用力實現(xiàn)修復(fù)，并且不需要外部的刺激因子的催化。而共價鍵修復(fù)是在外界因素(高溫[49]、光照[50]等)的刺激下，實現(xiàn)可逆的“生成”和“斷裂”，在不斷的反應(yīng)過程中，實現(xiàn)材料絕緣缺陷的自我修復(fù)。

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院[51]提出基于主-客體分子間包和作用原理的修復(fù)方法。該方法以Poly-CD為主體分子，HEMA-Ad 為帶雙鍵的客體分子，以單取代的 HEA 為柔性單體，在催化劑作用下聚合制得一種具有自愈合行為的智能電纜護套材料 Poly-CD-PHEA，修復(fù)效果如圖5所示。

圖5 自修復(fù)前后(24 h)材料的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of the material before and after self-repair (24 h)

采用非共價鍵類型進行修復(fù)后，材料的應(yīng)力和應(yīng)變能夠恢復(fù)到原電纜性能的80%及以上。日本東京大學(xué)研究團隊[52]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水和粘土(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%～3%)與非常小比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.4%)的有機成分混合時，能夠迅速形成透明的水凝膠。在實踐中采用具有多個粘合末端的樹枝狀大分子與粘土，制備了自修復(fù)率達到100%的凝膠，具有良好的修復(fù)作用，但這項技術(shù)尚未在電力電纜材料的絕緣自修復(fù)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用。

3 電纜終端接頭修復(fù)技術(shù)

早期針對電蝕痕跡的現(xiàn)場處理方法一般是清潔電纜終端接頭表面燒蝕物后涂抹硅脂恢復(fù)安裝，但是終端接頭表面電蝕痕跡仍然存在，無法做到及時徹底處置，難以滿足長期運行的需要。后續(xù)針對簡單涂抹硅脂的修復(fù)思路進行了優(yōu)化。對于輕度損傷的終端接頭，深圳供電局有限公司[53]研究并公開了一種環(huán)網(wǎng)柜終端接頭修復(fù)裝置及方法。該方法采用打磨、拋光、清潔、涂膠等工藝，將預(yù)制套筒安裝在終端接頭上(套筒與終端接頭之間通過膠水粘合以修復(fù)損傷的終端接頭)，可以解決輕度受損的環(huán)網(wǎng)柜終端接頭維護問題。但該方法會改變打磨處外型原有弧度，打磨處預(yù)制套筒與終端接頭之間縫隙較大，貼合不緊密，最終導(dǎo)致該處形成對外放電通道。

為改進上述缺點，深圳供電局有限公司繼續(xù)提出一種改進后的環(huán)網(wǎng)柜終端接頭現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)[54]，包含確定是否具備修補條件、清潔雜質(zhì)、采用熱固性環(huán)氧樹脂填補缺損、打磨平整、噴涂絕緣樹脂增強性能5個步驟。選取6組受損的終端接頭在修復(fù)前后進行工頻耐壓試驗，修復(fù)中的終端接頭如圖6所示。

圖6 打磨后的10 kV電纜終端接頭Fig.6 10 kV cable terminal joint after grinding

對修補后的終端接頭進行工頻耐壓試驗，試驗結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯鲂迯?fù)后的終端接頭耐壓能力明顯提高，耐壓性能平均提高超過30%，證明了打磨修補方法的有效性。但打磨修補的方法很難徹底清除終端接頭表面由于電蝕形成的碳化顆粒，并且在打磨平整的環(huán)節(jié)耗時較長，難以滿足快速恢復(fù)供電的需求，同時打磨修補方法修復(fù)后終端接頭長期運行的可靠性還未得到驗證。

圖7 修復(fù)前后工頻耐壓試驗(60 s)Fig.7 Power frequency withstand voltage test before and after repair(60 s)

4 結(jié)論

本文針對電力電纜及終端接頭的劣化問題，圍繞劣化機理和修復(fù)技術(shù)展開研究，總結(jié)了電力電纜中電樹枝和水樹枝的誘發(fā)和生長機理，梳理了電纜終端接頭劣化的原因。討論了劣化后修復(fù)技術(shù)的研究進展，介紹了針對水樹修復(fù)的排潮法和修復(fù)液注入法、針對電樹修復(fù)的填充型和本征型自修復(fù)方法、針對電纜終端接頭的打磨涂覆法等修復(fù)技術(shù)：①主流的水樹枝修復(fù)方法——修復(fù)液注入法，存在修復(fù)慢、注入效率低、造成長時間停電等問題；②電樹枝自修復(fù)法可以在缺陷初期進行修補，抑制缺陷的進一步發(fā)展，但目前現(xiàn)場應(yīng)用較少，其實用性還有待進一步驗證；③電纜終端接頭絕緣劣化的修復(fù)以打磨修復(fù)為主，可靠性低、修復(fù)時間長、二次故障概率高，缺少能夠快速修復(fù)的技術(shù)手段。

針對存在的問題，未來電力電纜及終端接頭的修復(fù)技術(shù)可從以下方面開展研究工作：

a)在試驗和理論研究方面，目前針對水樹枝和電樹枝的生成和發(fā)展原因還沒有系統(tǒng)且全面的解釋，需要進一步觀察電壓、溫度、應(yīng)力等因素的影響，深入揭示二者的生長機理，從而更具針對性地開展電纜絕緣的劣化修復(fù)技術(shù)研究。

b)在電纜絕緣劣化修復(fù)技術(shù)方面：針對注入修復(fù)液修復(fù)方法，需要研究如何提高修復(fù)液的擴散效率和均勻程度；而對于自修復(fù)方法，則需加快將實驗室研究成果推廣至現(xiàn)場應(yīng)用的進度，以驗證其長期性能并做針對性改進。此外，修復(fù)液和添加劑等修復(fù)材料在絕緣內(nèi)部的駐留問題、修復(fù)后在長期運行環(huán)境下的電氣性能等問題都需進一步關(guān)注。

c)在10 kV電纜終端接頭修復(fù)方面現(xiàn)有研究較少，且針對終端接頭的修復(fù)方法在停電條件下才能開展，對供電可靠性有著巨大影響。需要針對普遍缺陷，研發(fā)具有針對性的只需短時停電甚至不停電的現(xiàn)場修復(fù)裝置，從而大幅減少停電時間和經(jīng)濟成本。