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XLPE电缆水树劣化的诊断及修复的综述

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袁炜袁盖张磊赵伦俊闻子铭

摘要：水树枝劣化是导致交聚乙烯（XLPE）电力电缆绝缘水平下降和寿命缩短的主要诱因。本文介绍了水树的定义、特征、影响因素及潜在危害等，阐述了XLPE电缆水树劣化的原因，分析并对比水树劣化的各种诊断方法。最后，针对XLPE电力电缆水树劣化提出了有效的绝缘修复技术，为今后XLPE电力电缆水树劣化的诊断和修复技术提供一定的参考方向。

关键词：XLPE电力电缆;水树劣化;绝缘诊断;绝缘修复

中图分类号： TP391 ? ? ? ?文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）17-0195-02

Abstract： The degradation of water tree is the main reason for the decrease of insulation level and the shortening of service life of XLPE power cable.This paper introduces the definition， characteristics， influencing factors and potential hazards of water tree， expounds the causes of XLPE cable water tree degradation， analyzes and compares various diagnostic methods of water tree degradation. Finally， an effective insulation repair technology for XLPE power cable water tree degradation is proposed， which provides a certain reference direction for the diagnosis and repair technology of XLPE power cable water tree degradation in the future.

Key words： XLPE power cable; water tree degradation; insulation diagnosis; insulation repair

極易敷设的XLPE电缆有着优越的介电性能，由于制作工艺日趋成熟和电网结构不断调整，电缆的使用逐年增加[1]。然而随着XLPE电缆运行年限增加，电缆线路老化等原因，电缆故障也常有发生。水树枝劣化是XLPE电缆绝缘老化并导致重大停电事故的最主要原因之一。由于电缆安装、敷设及运行的环境恶劣等原因，易引起严重积水现象，水分在电场作用下会快速渗透到电缆细小缺陷处，最终在电缆绝缘层形成水树，导致电缆绝缘水平下降，电缆击穿停电事故常有发生。为了保证电缆的可靠运行，以避免事故的发生，对煤矿XLPE电缆绝缘性能在线监测方法的研究显得尤为迫切[2]。当前，国内外研究的直流成分法、直流叠加法及低频叠加法等检测方法因漏电流极小且受杂散电流、现场强工频电磁场、屏蔽层接地、化学电势等干扰因素影响而不能得到很好应用。

1 水树劣化

水树的定义是“在绝缘中存在水分、电应力和某些诱发因素，如杂质、突起、空间电荷或离子时发展成的一些微通道”。在交流电场和水分的作用下，水树是聚合物绝缘材料发生降解的一种现象。在潮气和电场的共同作用下，水树是诱发高压电力电缆破坏的主要原因。图1为XPLE电缆水树图。

典型的水树结构一般具有以下特征：永久性、亲水性、非线性、可染色性、自愈性等，水树的存在会使得运行的XPLE电缆局部场强畸变，引发电树枝，短时间内面临绝缘电缆击穿的风险。水树的产生及发展是多种因素综合作用的结果，其中电场和水分长期共存是主导因素。研究证明，水树的生长机理包括：扩散理论、电机械理论、电化学氧化理论等[3]。然而，较水树而言电树枝生长速度很快，电树出现后可能导致绝缘本体被击穿，所以水树向电树的转化也是加剧其老化事故发生的重要因素。

2 电缆水树劣化的诊断

水树劣化的存在给XPLE电缆带来非常大的安全隐患，怎样能够诊断出电缆水树劣化的程度相当重要。以电缆绝缘微观结构的分析为基础，通过对电缆本体介电性能的测试，来诊断出电缆水树劣化程度并进一步处理[4]。

2.1 微观结构和传统介电性能测试

对XPLE电缆绝缘层的微观结构测试有多种方法，多具有破坏性，不适用于服役电缆，适用于实验室法。采用扫描电子显微镜，红外光谱分析，X射线衍射分析等方式可对电缆样本进行微观结构及理化特性进行检测分析。

由于XPLE电缆正常本体和水树区的介电性能相差甚大，因此可以通过测试新旧电缆的介质损耗因数，泄漏电流，击穿电压，绝缘电阻等参数，对比分析电缆的老化程度。也可以采用直流成分法，谐波分量法，交直流叠加法等检测电缆水树劣化特征信号，判断是否发生水树劣化。然而，传统介电性能测试方法都存在一定的局限性，如介质损耗因数法不适用于电缆局部劣化检测，交直流叠加法信号微弱不易测量等，故上述方法适用于辅助测量法[5]。

2.2 新型电缆水树劣化诊断方法

新型水树劣化诊断技方法主要包括：残余电荷法、超低频介损法、PDC法等。

2.2.1 残余电荷法

为克服传统残余电荷法的精度不高，与电缆相连的GIS设备易放电等问题，理论上可使用小于二分之一工频周期的脉冲宽度电压替代直流电压和交流电压完成电缆电荷积累与释放的过程，取得良好的测试效果，但实际应用尚未成熟。

2.2.2 超低频介损法

对于长距离电缆来说，在0.1Hz条件下，介质损耗值与电缆的击穿电压密切相关，更能较精确反映电缆的绝缘老化情况，常选择0.5U0至1.5U0测试电压，减少谐波和频率波动的影响，提高介损测量的稳定性和准确性，不足之处在于高压时可能激发绝缘中的缺陷造成二次损害。

2.2.3 ?PDC法

PDC法即为极化去极化电流法，电缆自身结构的变化和水分不断的侵入，会改变绝缘材料的介电性能，作为可靠且无破坏性的PDC法主要通過测量绝缘材料的介电响应后，从中提取出相关的电缆老化参数，分析判断水树劣化程度[6]。PDC测试法首先直流电压施加到电缆参数样本上，然后将其短接，对比极化与去极化的电流大小，分析老化因子，非线性系数，直流导电率等参数，获得绝缘材料的介电特性及老化程度，图2为PDC法测试结果示意图。

需要说明的是，由于电缆水树往往是非线性材料，故以上诊断方法测试其介电常数、电导率，介损因数等方法常会受其电压大小的影响，有效性和推广性有待于进一步实践论证。

3 ?XLPE水树劣化修复技术

抑制XLPE电缆绝缘水树劣化的措施有：（1）减少水分在电缆中的存在，改湿法交联为干法交联;（2）改变绝缘电缆的材质，采用抗水树XLPE作为电缆绝缘材料;（3）减少绝缘和杂质接触的机会，消除局部电场。针对上述措施，为降低更换新电缆的成本，提升电缆绝缘性能和使用寿命，可以利用水树修复技术，主要原理包括：除去电缆水树通道和内部的水分，减少空间电荷残留，降解自由基均匀电场，填充绝缘材料内部所有的水树空洞及其通道。

鉴于国内外电缆绝缘修复技术的发展，在电缆水树内部通道采用溶胶和凝胶法生成无机纳米颗粒，加入的无机纳米颗粒可以阻碍水树的生长，改善材料的介电性能[7]。同时，借助硅烷偶联剂将有机绝缘本体与无机纳米颗粒偶联起来，形成有机-无机纳米复合填充材料，提高XLPE电缆绝缘性能[8]。XLPE电缆绝缘基体与纳米颗粒的偶联模型如图3所示。

该种修复方法具体是向电缆水树区注入无机金属醇盐修复液，醇盐会与水树区内的水分直接发生化学反应，生成无机纳米凝胶颗粒，阻止水树的生长[9]。同时，硅烷及其水解产物中含类似于偶联剂的大量羟基，在XLPE电缆基体与无机纳米颗粒材料间形成化学键连接，使XLPE电缆基体与修复填充物更加牢固紧实。此外，无机纳米材料具有优异的提高电压击穿，抑制放电和吸收紫外线的表现，进一步说明了基于纳米复合填充材料的修复方法能够有效地修复存在水树劣化的XLPE电缆。

4 结束语

水树的存在会大幅度降低XLPE电缆的绝缘性能，通过对水树的分析研究，本文提出并分析了XLPE电缆水树劣化的几种常用诊断方法的优劣，指出了解决水树劣化修复较有效的方法，为更好地解决XLPE电缆绝缘水树劣化情况提供了一定的参考。然而，实际应用还有待进一步的研究实践。

参考文献：

[1] 陈建中，高秋霞.基于脉冲电压法的XLPE电缆水树劣化诊断研究[J].绝缘材料，2019，52（9）：65-69.

[2] 王炯杰，李天，韩耀东，等.配电电缆绝缘劣化的极化去极化电流特性仿真[J].科学技术与工程，2019，19（22）：174-180.

[3] 陈井锐，赵威，赵荣普，等.极化-去极化电流法诊断电缆绝缘[J].绝缘材料，2018，51（2）：57-61，67.

[4] 王天地. XLPE电缆绝缘老化的在线监测系统设计[D]. 大连：大连理工大学， 2015.

[5] 杨晓华，姜春莹，方云辉，等.碱性溶液中电缆水树的生长特性与预修复效果研究[J].绝缘材料，2019，52（5）：54-58.

[6] 陈泽龙，周凯，尹游，等.XLPE水树老化电缆的绝缘修复技术综述[J].绝缘材料，2018，51（10）：1-6.

[7] 覃秀君，郭金明，李婧.XLPE水树老化电缆注入式修复研究[J].青海电力，2018，37（2）：18-21.

[8] 侯振奇，周凯，吴科，等.修复液抑制XLPE电缆局部放电的有效性研究[J].绝缘材料，2017，50（1）：44-48.

[9] 杨明亮，周凯，吴科，等.基于纳米SiO2复合填充的交联聚乙烯电缆水树修复新技术[J].电工技术学报，2015，30（14）：481-487.

【通联编辑：唐一东】

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