交聯(lián)聚乙烯電纜中水樹(shù)枝診斷的研究現(xiàn)狀

孫輝，喻巖瓏，王偉，高超飛

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2.日照供電公司，山東日照276826）

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市電網(wǎng)的大面積改造，XLPE電纜被越來(lái)越多的應(yīng)用于城市輸電線路和配電網(wǎng)中，尤其是110/220 kV等一系列高電壓等級(jí)的電纜得到了廣泛的生產(chǎn)和應(yīng)用[1]。通過(guò)分析電纜的事故原因，人們清楚的認(rèn)識(shí)到樹(shù)枝化是導(dǎo)致電力設(shè)備尤其是中高壓電纜絕緣破壞的主要原因之一[2]。其中水樹(shù)枝是樹(shù)枝化的一種，在運(yùn)行過(guò)程中一旦生成水樹(shù)枝，其在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)隨著其尖部場(chǎng)強(qiáng)的不斷集中而轉(zhuǎn)化為電樹(shù)枝，而電樹(shù)枝則可能使電纜絕緣層在短期內(nèi)被擊穿，從而發(fā)生事故。因此，研究電纜的水樹(shù)枝對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義[3]。本文就對(duì)XLPE電纜絕緣中的水樹(shù)枝的診斷方法方面進(jìn)行一些探討。

1 水樹(shù)枝的定義及產(chǎn)生機(jī)理

1.1 水樹(shù)枝的定義

至今為止，人們尚未對(duì)水樹(shù)枝做出準(zhǔn)確的定義。但是，一般情況下，水樹(shù)枝被認(rèn)為是高分子有機(jī)絕緣物種的一種有液態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)（常見(jiàn)的是水）電導(dǎo)性老化現(xiàn)象。兩電極之間的絕緣層中（如電極與絕緣交界面處）一旦存在某些液體導(dǎo)電物質(zhì)，那么當(dāng)此處場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定值時(shí)，這些導(dǎo)電物質(zhì)便會(huì)沿電場(chǎng)逐漸滲入絕緣層深處，形成類似樹(shù)枝或樹(shù)葉狀的泄痕，稱為水樹(shù)枝[4]。而電氣學(xué)會(huì)的技術(shù)報(bào)告則將水樹(shù)枝定義為是聚乙烯類絕緣材料在長(zhǎng)時(shí)間與水共存狀態(tài)下因電場(chǎng)作用產(chǎn)生的，其形狀為充滿了水的各種樹(shù)枝狀的細(xì)微通道或氣隙[5]。盡管人們對(duì)于水樹(shù)枝表述各有不同，但最終均歸結(jié)為水樹(shù)枝是由水和電場(chǎng)的共同作用下產(chǎn)生的。

1.2 水樹(shù)枝的類型

水樹(shù)枝和電樹(shù)枝一樣具有較為明顯的特征。一般情況下，水樹(shù)枝呈現(xiàn)絨毛狀一片或多片，而且片與片之間不一定是連續(xù)的[4]。按照水樹(shù)枝發(fā)生的起點(diǎn)可將其大致分為以下幾種類型：1）以電纜內(nèi)半導(dǎo)電層為起點(diǎn)的內(nèi)導(dǎo)型水樹(shù)枝；2）以電纜外半導(dǎo)電層為起點(diǎn)的外導(dǎo)型水樹(shù)枝；3）以絕緣中的氣隙或雜質(zhì)為起點(diǎn)的蝴蝶型水樹(shù)枝[6]。

1.3 水樹(shù)枝的產(chǎn)生機(jī)理

XLPE電力電纜絕緣在制造過(guò)程中不可避免的存在質(zhì)量缺陷，如微孔、雜質(zhì)及在運(yùn)輸、敷設(shè)、安裝和運(yùn)行過(guò)程中遇到的機(jī)械損傷等，這些因素會(huì)導(dǎo)致水分緩慢浸入絕緣層。由于水中含有很多水溶性導(dǎo)電離子，根據(jù)介電電泳效應(yīng)原理可知，液體中介電常數(shù)較大的離子會(huì)向電場(chǎng)集中的地方運(yùn)動(dòng)，從而使水樹(shù)枝尖端的電場(chǎng)愈加集中[7]。然而這種局部高電場(chǎng)部位將會(huì)引發(fā)電樹(shù)枝，而一旦形成電樹(shù)枝，絕緣則會(huì)在短期內(nèi)擊穿。

2 水樹(shù)枝的診斷方法

近幾十年來(lái)，隨著人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注絕緣的水樹(shù)枝老化，從而使水樹(shù)枝的診斷方法層出不窮。目前國(guó)內(nèi)外用于診斷水樹(shù)枝的方法有很多，比較常用的有直流分量法、直流電壓疊加法、電橋法、直流偏壓法以及綜合判斷法等[8]。由于這些方法國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)均已提及，且技術(shù)已趨于成熟，這里不再一一介紹。本文將介紹目前國(guó)內(nèi)外正在不斷研究和開(kāi)拓的基于空間電荷測(cè)量診斷水樹(shù)枝的幾種方法。

2.1 電聲脈沖法

研究發(fā)現(xiàn)，XLPE電纜絕緣中的水樹(shù)枝發(fā)生位置與直流電壓作用下空間電荷的分布有很大關(guān)系[9]。介質(zhì)中空間電荷的存在能夠很好的反映出水樹(shù)枝的信息。因此我們可以通過(guò)測(cè)量介質(zhì)中的空間電荷來(lái)確定水樹(shù)枝的位置，而目前具有代表性的空間電荷測(cè)量方法是電聲脈沖法（PEA）和壓力波傳播法（PWP）[10]。

電聲脈沖法的基本原理是利用電脈沖的作用在介質(zhì)中的空間電荷處產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，通過(guò)傳感器將相應(yīng)的機(jī)械波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理，獲得空間電荷分布的信息[11]。文獻(xiàn)[9]表明，研究人員首先利用電聲脈沖法對(duì)電纜切片絕緣層中不同角度處的空間電荷進(jìn)行測(cè)量，然后將切片染色處理后用顯微鏡直接觀察水樹(shù)枝，通過(guò)將兩種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，水樹(shù)枝發(fā)生的位置均有空間電荷的存在。經(jīng)過(guò)以上分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在不久的將來(lái)空間電荷的測(cè)量將會(huì)成為診斷電纜絕緣中水樹(shù)枝的一個(gè)重要工具和手段。

2.2 剩余電荷法

剩余電荷法最初是1986年由日本電力工業(yè)中央研究所提出[12]，這種方法能夠較為準(zhǔn)確的判斷絕緣中水樹(shù)枝的位置。研究發(fā)現(xiàn)，如果電纜絕緣惡化是由水樹(shù)枝引起，那么根據(jù)檢測(cè)絕緣中的空間電荷量則可以有效的反映出水樹(shù)枝的惡化程度[13]。

剩余電荷法的基本原理是首先在待檢測(cè)電纜樣品上施加直流電壓用以積累電纜絕緣中的空間電荷，然后將電纜導(dǎo)體接地，此時(shí)絕緣中的部分電荷將會(huì)隨之釋放。然而那些存在于水樹(shù)枝中的電荷并未被釋放出來(lái)，而繼續(xù)存在于絕緣中。最后在此電纜樣本上施加交流電壓，此時(shí)水樹(shù)枝中空間電荷的釋放現(xiàn)象將會(huì)更加明顯，那么我們可以將此過(guò)程中的直流泄漏電流作為診斷水樹(shù)枝的信號(hào)[14]，從而能夠很好的判斷水樹(shù)枝的老化情況。

2.3 改進(jìn)的剩余電荷法

由于剩余電荷法只能用于測(cè)量小段電纜絕緣中的水樹(shù)枝，而不能檢測(cè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的電纜，因此文獻(xiàn)[15]提出了一種改進(jìn)的剩余電荷法，也稱為空間分辨率法。

所謂空間分辨率法，它也是通過(guò)在電纜上時(shí)間去極化電壓用以在絕緣中產(chǎn)生空間電荷[16-18]，在這一點(diǎn)上它與上面提及的剩余電荷法大致相同。然而，不同的是，該方法使用尖脈沖將束縛在水樹(shù)枝中的空間電荷釋放出來(lái)[19-20]。通過(guò)將此脈沖作為去極化電壓，我們則可以通過(guò)時(shí)間分辨脈沖響應(yīng)確定水樹(shù)枝發(fā)生的位置。

為了獲得較長(zhǎng)電纜絕緣中的空間電荷分辨率，響應(yīng)必須很迅速[21-22]。當(dāng)在電纜施加直流去極化電壓之后，緊接著施加一個(gè)極性相反的脈沖電壓，若此時(shí)能檢測(cè)到一個(gè)尖銳的電流響應(yīng)，則說(shuō)明該電纜中有快速去極化發(fā)生，即其中有水樹(shù)枝存在；反之，則沒(méi)有。因此，該方法能夠很好的檢測(cè)電纜絕緣中是否存在水樹(shù)枝老化。

3 比較

以上簡(jiǎn)要介紹了3種目前國(guó)內(nèi)外基于空間電荷診斷電纜絕緣中水樹(shù)枝的方法，本文對(duì)上述幾種方法作了一些分析比較。

1）電聲脈沖法測(cè)量要求對(duì)電纜樣本施加陡脈沖波形，此時(shí)若測(cè)試系統(tǒng)的頻帶不夠，那么將不可避免的帶來(lái)過(guò)沖現(xiàn)象[23]。而系統(tǒng)中過(guò)沖的存在將會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)電纜試樣中空間電荷的分析，從而不能準(zhǔn)確的反應(yīng)出電纜絕緣中的水樹(shù)枝。因此，為了避免發(fā)生過(guò)沖，則必須對(duì)電聲脈沖法進(jìn)行改進(jìn)。

2）剩余電荷法能夠?qū)﹄娎|中水樹(shù)枝進(jìn)行較為準(zhǔn)確的診斷，但是這種方法只能對(duì)長(zhǎng)度較短的電纜(如切片)進(jìn)行診斷。而實(shí)際運(yùn)行中的電纜長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)，因此該方法暫時(shí)還不能應(yīng)用于實(shí)際線路中。

3）改進(jìn)的剩余電荷法則彌補(bǔ)了剩余電荷法的不足，能夠診斷長(zhǎng)度較長(zhǎng)電纜絕緣中的水樹(shù)枝，該方法能夠很好的應(yīng)用于工程實(shí)際中。由于目前該方法發(fā)展尚未成熟，處于改進(jìn)和發(fā)展階段，該方法今后將成為診斷電纜絕緣中水樹(shù)枝的重要手段之一。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了水樹(shù)枝的相關(guān)概念以及目前幾種國(guó)內(nèi)外基于空間電荷診斷電纜絕緣中水樹(shù)枝的診斷方法。對(duì)于XLPE電纜絕緣水樹(shù)枝診斷技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)外仍在不斷研究與發(fā)展之中。開(kāi)展這項(xiàng)工作，不僅對(duì)保證電纜運(yùn)行的可靠性有重要作用，而且具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義。

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