水樹老化XLPE電纜絕緣的修復技術及微觀結(jié)構(gòu)分析

周 凱，熊 慶，趙 威，劉 凡，堯 廣

(1．四川大學電氣信息學院，四川 成都610065;2．四川電力科學研究院，四川 成都610072; 3．四川瀘州電業(yè)局，四川 瀘州646000)

水樹老化XLPE電纜絕緣的修復技術及微觀結(jié)構(gòu)分析

周 凱1，熊 慶1，趙 威1，劉 凡2，堯 廣3

(1．四川大學電氣信息學院，四川 成都610065;2．四川電力科學研究院，四川 成都610072; 3．四川瀘州電業(yè)局，四川 瀘州646000)

為解決城市電網(wǎng)中的電纜絕緣老化問題，本文從電纜的纜芯壓力注入一種有機硅液體以延長老化后交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的壽命，對其實現(xiàn)方法、效果和微觀結(jié)構(gòu)變化進行了研究。討論了水樹的生長和修復原理，并對滲透的微觀過程進行了分析。將新電纜試樣進行水樹加速老化形成明顯的水樹，通過修復液壓力注入進行修復，修復后試樣的阻性電流迅速下降，擊穿電壓提高。通過SEM(掃描電子顯微鏡)和XPS(X射線能譜分析)觀察電纜切片，發(fā)現(xiàn)了水樹區(qū)的膠狀填充物，其成分為Si和Ti的氧化物。對現(xiàn)場運行電纜進行了絕緣修復實驗，修復后介質(zhì)損耗正切值明顯下降。通過實驗和微觀分析說明，該方法對老化電纜的絕緣有較明顯的改善作用，水樹空洞生成的填充物具有良好的填充和絕緣性。

水樹;老化;XLPE電纜;絕緣修復;阻性電流

1 引言

隨著我國在2000年以后開始的大規(guī)模城市電網(wǎng)改造，大量10kV架空線改為入地電纜，以XLPE絕緣為代表的聚合物絕緣電力電纜在我國被廣泛應用。目前各大城市的中心城區(qū)幾乎很難看到架空線路，大量的XLPE電纜被敷設在地下，而且這一趨勢還在逐漸擴大。可以預見，在城市電網(wǎng)中，電纜網(wǎng)絡的規(guī)模和電壓等級都將逐漸增加。

由于XLPE電纜在制造、施工和運行過程中不可避免會產(chǎn)生一些微觀缺陷，水分會在電場的作用下聚集在微觀缺陷處形成水樹。水樹既不是短路或擊穿，也并非所有水樹都會導致電纜事故，但運行電纜在長期過負荷、頻繁的雷電入侵和開關操作沖擊等作用下，部分水樹可能誘發(fā)電樹，導致電纜絕緣本體的擊穿［1，2］。但如果全部更換這些老化電纜將產(chǎn)生巨大的工程量和費用。如能對目前大量的水樹老化的運行電纜恢復其絕緣強度并擴展其使用壽命，而不是簡單地加以更換，將是一項很有意義的工作［3］。

根據(jù)Connecticut大學材料研究所 Steven Boggs教授的研究報告，普通的 XLPE電纜在運行15年后，剩余擊穿電壓下降嚴重，最大下降可達50%左右，進入故障高發(fā)期［1］。根據(jù)國網(wǎng)公司2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運行超過10年的XLPE電纜占總鋪設電纜的比例接近40%。電纜的事故率會隨著運行年限增加而逐步增加。而過去的電纜運行管理技術主要是依靠預防性試驗方法，隨著電纜網(wǎng)規(guī)模的擴大和運行年限的增加，試驗成本和工作量會迅速增加，而難以全面開展定期的預防性試驗工作?，F(xiàn)在運行單位大多是基于事故后快速搶修的方法，但通常在負荷高峰期，電網(wǎng)的搶險工作任務艱巨，這嚴重影響電網(wǎng)供電的可靠性。

值得注意的是，美國在20世紀80年代初就開始了對運行的老化電纜進行絕緣修復，通過壓力從電纜的纜芯注入一種硅氧烷液體，讓其擴散、滲透并與XLPE電纜水樹缺陷里面的微水進行反應，反應后殘留的硅樹脂將水樹空洞填充以延長電纜壽命［4］。但是該技術的修復液具體成分、修復方法都未公開。國內(nèi)的研究也表明該技術對老化電纜的修復效果較好［3］，但對于修復的微觀作用過程尚未進行深入闡述。

根據(jù)我國城市電纜網(wǎng)快速發(fā)展的實際情況和國外二十多年的工業(yè)應用經(jīng)驗，對于城市電網(wǎng)老化電纜的絕緣修復研究具有極大的經(jīng)濟和社會價值。本文結(jié)合最近三年的研究成果和對水樹發(fā)生、發(fā)展的理解，對電纜的水樹形成機理及絕緣修復機理進行分析討論。

2 水樹生長及修復原理

2.1 水樹及生長

R．Ross對水樹特征有如下描述［5］:永久的親水性，盡管水樹內(nèi)的水可能變干，但當環(huán)境潮濕后又可能重新濕潤，在PE(聚乙烯)中水的含量典型值在1%左右，水樹結(jié)構(gòu)包括了許多微米級的空洞，但是連接這些空洞的是存在于無定形區(qū)的納米級通道，無定型區(qū)和結(jié)晶行為等可能影響水樹的生長。因此，水樹結(jié)構(gòu)通常被描述為，由納米級通道和微米級空洞(該空洞通常充滿了水，并具有親水性)所形成的樹枝發(fā)散狀的絕緣缺陷，通常可用珍珠串模型來描述水樹的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如圖 1(a)所示［6］。圖 1 (b)是在實驗室中電纜老化800h后，通過切片機切片后觀察到的水樹，長度大約在400μm。在水樹區(qū)由μm級的微孔和一些水樹通道組成，類似珍珠串，微孔中被水所充滿。

水樹形成是一個復雜的過程(包括電、機械、擴散和化學等多個過程)，電場是水樹形成的主要驅(qū)動力，根據(jù)水樹劣化后的產(chǎn)物決定其主要過程:由于氧化產(chǎn)物的存在表明有氧化過程發(fā)生;空洞和羧化物基團的存在則表明有斷鏈的發(fā)生(因為機械或化學過程都可能導致分子鏈斷裂);因為污染物、離子和電解質(zhì)的存在表明有擴散過程發(fā)生。Jean-Pierre Crine也在文章中發(fā)表類似的觀點，認為水樹是多個物理、化學過程協(xié)同作用的結(jié)果［7］。

2.2 水樹的修復原理

電場、水和離子是水樹形成、生長的主要原因，如能將水樹通道中的水通過化學反應去除，從而將水樹空洞重新生成多聚物填充空洞，消除電場畸變，阻止水分重新進入到水樹通道，必將延長電纜的壽命。這就要求水樹修復后的生成物的電氣性能和XLPE要比較接近，而且是一種固體狀，不會流走，修復后的電氣強度要有大幅度提高。圍繞以上問題，下面對本文所提出的修復液的性能進行研究和闡述。

圖1 水樹及描述水樹的珍珠串模型Fig．1 Water tree observed and pearl train model of water tree

本文采用的修復液的有效成分為硅氧烷(可與水發(fā)生反應生成硅醇多聚體，并且具有絕緣性)、酮溶劑和酯類催化劑。硅氧烷的水解-縮合反應產(chǎn)生新的硅氧基團有機縮合物，這可能包括二聚體、三聚體、多聚體和醇類。水解-縮合反應如式(1)和式(2)所示［4］:

注:Me和Ph為甲基和苯基。

2.3 修復生成物的介電性能

為了驗證上述反應基本原理，將水和修復液直接反應，在1個月后該反應趨于穩(wěn)定，縮合反應生成的有機物呈半透明膠狀，如圖2(a)所示。采用RLC電橋TH2820測量，測量電路和方法如圖2(b)所示，測量時要盡量減小極板距離，而且電極要對稱居中。反應生成物的電阻率高，可達到1011Ω·m以上。其相對介電常數(shù)與 XLPE的相接近(在2.8左右，XLPE為2.3)，不會導致局部電場嚴重畸變。縮合物能夠填充水樹空洞，并能均勻水樹尖端電場。

圖2 直接反應產(chǎn)物介電性能測試Fig．2 Dielectric property test of direct reaction products

2.4 修復液體在電纜中的擴散

修復液從電纜接頭一端的纜芯處注入，在壓力作用下，首先從接頭的一端流向另外一端。同時，修復液也開始從纜芯向絕緣層擴散。電纜的纜芯結(jié)構(gòu)和擴散示意圖如圖3所示，盡管從肉眼看上去XLPE絕緣層沒有縫隙，但事實上，因為交聯(lián)聚乙烯是半結(jié)晶聚合物，包括了晶區(qū)和非晶區(qū)，通常晶體結(jié)構(gòu)較為致密。在晶體之間大約有數(shù)百個納米的距離，很多C-C鍵相互纏繞，包含了很多的自由體積，如圖3所示。事實上，修復液小分子在壓力作用下是可以滲透過去的，這就是為什么修復液可以滲透到絕緣缺陷處的原理。

3 實驗室修復前后的介電性能

根據(jù)文獻［8］所描述的方法進行老化，樣本及老化裝置如圖4所示。在老化800h左右，阻性電流Ir＞10μA，介質(zhì)損耗值達到10%以上，絕緣性能大幅下降，隨機抽取其中的一個樣本通過切片機進行切片，通過顯微鏡能明顯觀察到水樹的存在。

3.1 修復后介電性能

將老化后的3個樣本分別測量阻性電流［9］，觀察修復后不同時間阻性電流的變化規(guī)律。從圖5可以看到，老化電纜在修復2h內(nèi)阻性電流下降速率最大，6h后阻性電流下降了近70%。試樣的絕緣性能在短期內(nèi)的恢復效果良好，根據(jù)硅氧烷與水的反應式(1)、式(2)可知，硅氧烷消耗掉水樹中的水分，阻性電流迅速下降。修復8h后下降速率變緩，可能是修復液的縮聚反應速率接近穩(wěn)定。修復24h后，試樣的阻性電流與新試樣的(3.5μA左右)相接近，達到良好絕緣狀態(tài)。隨著浸泡修復時間的增長，反應生成的小分子液體在壓力作用下會慢慢滲出XLPE層，最終完全排出，能使阻性電流值進一步緩慢下降。同時，也做了介質(zhì)損耗角正切值測試，其規(guī)律和阻性電流結(jié)果接近，在大約24h左右基本接近新電纜水平。

圖3 修復液的擴散原理Fig．3 Diffusion principle of rejuvenation liquid

圖4 電纜試樣Fig．4 Cable sample

為直接驗證修復前后的電氣強度，將試樣進行工頻逐級擊穿試驗后，對修復前后的試樣各5個樣本數(shù)據(jù)利用Weibull分布，得到試樣逐級擊穿電壓的概率分布如圖6所示。水樹老化后為14.2kV，修復后為17.5kV。由此說明修復液與水反應的生成物能夠修復絕緣缺陷，提高電氣強度。

圖5 阻性電流隨修復時間的變化Fig．5 Resistive current changes with increase in curing time

圖6 擊穿電壓Weibull分布Fig．6 Weibull distribution of breakdown voltage

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1(b)為試樣加速老化后在針電極附近絕緣層中形成的水樹，長度大約在400μm。將同一批次老化后的水樹樣本進行液氮脆斷，進行SEM(掃描電鏡)觀察，如圖7(a)所示，可以看到，在水樹區(qū)(針尖附近)有大小不等的微孔，尺寸在0.5μm左右甚至更小，表明在水樹老化后會形成許多小的微孔。將修復后樣本也進行SEM對比觀察，發(fā)現(xiàn)修復后水樹通道顏色較淺，內(nèi)部有膠狀物質(zhì)存在，如圖7(b)所示，水樹通道內(nèi)的填充物即是硅氧烷與水反應生成的硅氧基團有機聚合物。經(jīng)以上觀察可以說明:硅氧烷修復液充分滲透到了絕緣層的水樹中，與水發(fā)生聚合反應生成膠狀物，并填充了原有缺陷。

通過XPS(X射線光電子能譜)進一步對修復后填充物的成分進行分析，如圖7(c)所示，Au和Cu是干擾元素，而C、O是有機物通常含有的元素。實事上，可以看出，填充物的主要成分是Si、Ti，這與式(1)和式(2)中的化學反應符合，硅是修復液成分，Ti則是使用的金屬催化劑成分，而且通過反應，形成了填充效應。進一步分析其各元素具體成分見表1，可以看到，該成分主要是 Si聚合物，包括了少量的Ti。而Si的縮合物通常具有良好的絕緣性和穩(wěn)定性，因此修復填充物可能具有長期的修復效果和電化學穩(wěn)定性。

圖7 老化及修復后試樣微觀結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Micro-structure observation of aged samples and cured samples

表1 XPS元素含量表Tab．1 XPS element content

4 現(xiàn)場實驗

在四川省電力公司某220kV變電站，對10kV補償電抗器的連接電纜進行現(xiàn)場絕緣修復實驗。該電纜長度為25m、185mm2，載流量280A左右，選取了介質(zhì)損耗偏大的B相進行絕緣修復，而A、C相不進行修復，僅作為對比。首先停電，安裝好修復適配器后，通過壓力將修復液注入到電纜的纜芯，對電纜進行絕緣修復［8］。整個注入時間大約在30min左右，整個修復液全部注通，并觀察到液體從另外一端流出，通過余液收集瓶收集殘余液體。

保持壓力一定時間后，移除修復裝置，測試其介質(zhì)損耗和絕緣電阻。修復前后的絕緣電阻都很高，都符合規(guī)程要求，并無明顯變化，因為該電纜的絕緣依然良好，并無大的水樹生成。介質(zhì)損耗的測試電壓為10kV，環(huán)境溫度為22℃，采用國產(chǎn)的金源全自動抗干擾介質(zhì)損耗測試儀進行測試，結(jié)果見表2。根據(jù)介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)，B相電纜介質(zhì)損耗由修復前的0.049%下降至0.026%，降幅達47%，絕緣性能有了明顯提高，而修復前后的電容量并沒有顯著變化。

表2 現(xiàn)場修復效果的測試數(shù)據(jù)Tab．2 Test data of field curing effect

5 結(jié)論

本文通過對XLPE電纜中的水樹形成及修復機理的研究和修復實驗，得到如下結(jié)論:

(1)硅氧烷修復液能夠擴散進入水樹空洞并與水反應，修復6h后阻性電流下降了近70%，修復后試樣的工頻擊穿電壓較修復前明顯提高。

(2)對比修復前后電纜絕緣層水樹枝的微觀結(jié)構(gòu)，證實了修復液與水反應的生成物能夠有效填充水樹空洞，修復老化電纜的絕緣。

(3)現(xiàn)場實驗表明，該方法對實際運行電纜的絕緣也有明顯改善作用。

［1］S Boggs，J Xu．Water treeing-filled versus unfilled cable insulation［J］．IEEE Electrical Insulation Magazine，2001，17(1):23-29．

［2］Steven Boggs，John Densley，Jinbo Kuang．Mechanism for impulse conversion of water trees to electrical trees of XLPE［J］．IEEE Trans．on Power Delivery，1998，13 (2):310-315．

［3］朱曉輝 (Zhu Xiaohui)．修復水樹老化XLPE電纜的修復液注入技術 (The repair liquid injection technology of XLPE cable for repairing water tree) ［J］．高電壓技術(High Voltage Engineering)，2004，30(S1):16-17．

［4］W R Stagi．Cable injection technology［A］．IEEE PES T ＆D Conference［C］．Latin America，2006.1-4．

［5］R Ross．Inception and propagation mechanism of water treeing［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，12(6):660-680．

［6］S Hvidsten，E lldstad，J Sletbak．Understanding water treeing mechanisms in the development of diagnostic test methods［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，15(5):754-759．

［7］Jean-Pierre Crine，Jinder Jow．A water treeing model ［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2005，12(4):801-808．

［8］汪朝軍，田鵬，劉勇，等 (Wang Chaojun，Tian Peng，Liu Yong，et al．)．有機硅注入技術對水樹電纜的絕緣修復研究 (The effect of siloxane liquid injection technique on water tree rejuvenation of XLPE cables) ［J］．絕緣材料 (Insulating Materials)，2011，44(6):16-20．

［9］鄭曉泉，屠德民 (Zheng Xiaoquan，Tu Demin)．含水樹枝XLPE電纜的超低頻諧波響應電流特性試驗研究(Current characteristics of ultra-low frequency harmonic response in XLPE cable containing water treeing) ［J］．電工電能新技術 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2001，20(4):25-30．

Insulation rejuvenation techniques and micro-structure analysis for water tree aged XLPE cables

ZHOU Kai1，XIONG Qing1，ZHAO Wei1，LIU Fan2，YAO Guang3
(1．School of Electrical Engineering and Information，Chengdu 610065，China; 2．Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China; 3．Sichuan Luzhou Electric Power Company，Luzhou 646000，China)

In order to solve problems of aging cables in an urban distribution grid，a siloxane liquid is used to cure water tree in aged XLPE cables by a pressure injecting method．By understanding the principle of water tree growth and the diffuse process of the liquid，the rejuvenation mechanism is well explained．Cable samples are aged until obvious water tree is observed in the sample．The water tree is cured by a rejuvenated liquid with a pressured system．Comparing the insulation performances of aged samples and rejuvenated samples，resistive current of the rejuvenated samples decreases and breakdown voltage of the rejuvenated samples is obviously increased．Depending on analysis of SEM and XPS for the water tree region，the filling compound is observed in the water tree voids，which is mainly composed of Ti and Si element．Moreover，a rejuvenation experiment is performed on site for a cable and dielectric loss factor of the injected cable is clearly reduced．According to the results of the experiment and the micro analysis，the injecting technique can greatly improve the insulation of aged cables，and the filling compound in the water tree voids have the good effect of filling and insulation．

water tree;aging;XLPE cable;rejuvenation;resistive current

TM247.1;TM206

A

1003-3076(2014)04-0061-06

2012-08-03

四川省電力公司科技基金資助項目(11H1027)

周 凱(1975-)，男，四川籍，副教授，博士，從事高電壓與絕緣技術研究;熊 慶(1990-)，女，四川籍，碩士研究生，研究方向為過電壓監(jiān)測。