針對(duì)常用XLPE電力電纜運(yùn)行中的失效形式分析

羅平+胡駿

摘 要：XLPE電力電纜自運(yùn)行投運(yùn)以來，憑借著自身優(yōu)良的電氣性能和機(jī)械性能逐漸地取代了傳統(tǒng)的充油電纜和油浸紙電纜，從而被廣泛地應(yīng)用于城市配電網(wǎng)中，并且逐步應(yīng)用到高壓和超高壓電網(wǎng)中。但大量實(shí)踐表明，電纜在運(yùn)行中由于絕緣老化導(dǎo)致的故障也屢見不鮮，老化現(xiàn)象進(jìn)一步導(dǎo)致各種失效，各種檢修工作帶來巨大的人力與物力資源的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：XLPE電纜；老化；失效

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0173-02

引言

在電能傳輸?shù)倪^程中，電能傳輸隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增強(qiáng)，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜及附件制造、安裝、運(yùn)行管理技術(shù)水平的提高，城市電網(wǎng)的電纜化率有了飛速的發(fā)展，中高壓電力電纜年投運(yùn)量10萬公里以上，并且呈逐年上升的趨勢(shì)。電纜由于敷設(shè)于地下，不占地面空間，有利于市容美觀；而且同一地下電纜通道可以容納多回線路，輸送容量適應(yīng)性強(qiáng)；受自然條件和周圍環(huán)境影響較小，配合環(huán)網(wǎng)柜、分接箱等設(shè)備，可進(jìn)行多線路聯(lián)絡(luò)，運(yùn)行方式較為靈活，可大大減少停電次數(shù)和停電范圍，使得配網(wǎng)供電可靠性得以提高。

1 LPE電力電纜的性能要求

容量越大、電能損耗與電壓損耗越小、傳輸電能載體的正常使用壽命越長(zhǎng)，則電能傳輸就越經(jīng)濟(jì)，其電力電纜結(jié)構(gòu)圖如下：

XLPE電力電纜作為電能傳輸?shù)囊环N載體，為滿足電能傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性要求，需具備的主要性能有以下四點(diǎn)。

1.1 優(yōu)良的導(dǎo)電性能

導(dǎo)電性能是針對(duì)電纜導(dǎo)體而言的，導(dǎo)電性能越好，電能損耗與電壓損耗越小，電能輸送的成本越低以及電壓質(zhì)量也越高。

1.2 優(yōu)良的絕緣性能

絕緣性能是針對(duì)絕緣層而言的，絕緣性能越好，電能損耗越小，電能輸送越經(jīng)濟(jì)。絕緣性能的特征量有絕緣電阻、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、擊穿場(chǎng)強(qiáng)等。絕緣電阻與介電常數(shù)決定了泄漏電流的大??；泄露電流越小，絕緣層引起的損耗即介質(zhì)損耗就越小；擊穿場(chǎng)強(qiáng)越高，則電纜抗高壓沖擊性越好，電纜越不易破壞，因而正常使用壽命越長(zhǎng)。

1.3 優(yōu)良的機(jī)械性能

機(jī)械性能是針對(duì)電纜整體而言的，機(jī)械性能越好，電纜正常使用壽命越長(zhǎng)。機(jī)械性能的特征量主要有拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度等。電纜在制造、運(yùn)輸、敷設(shè)的過程中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、摩擦力等，這些對(duì)壽命都有決定性作用。

2 XLPE電力電纜運(yùn)行中常見失效形式

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜失效指失去其應(yīng)有的功能。失效即失去原有功能的含義包括三種情況：（1）組成元件由于斷裂、腐蝕、磨損、變形等，從而完全喪失其功能。（2）組成元件在外部環(huán)境作用下，部分的失去其原有功能，雖然能夠工作，但不能完成規(guī)定功能。（3）組成元件雖然能夠工作，也能完成規(guī)定功能，但繼續(xù)使用時(shí)，不能確保安全可靠性。如經(jīng)過長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的壓力容器及其管道，其內(nèi)部組織已經(jīng)發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到一定的運(yùn)行時(shí)間，繼續(xù)使用就存在開裂的可能。

XLPE電力電纜失效形式：

根據(jù)XLPE電力電纜實(shí)際的運(yùn)行檢修及故障統(tǒng)計(jì)可知，XLPE電力電纜常見的失效部位是絕緣層和外護(hù)套；絕緣層的失效形式主要表現(xiàn)為擊穿和老化，外護(hù)套的失效形式主要表現(xiàn)為腐蝕。

（1）絕緣擊穿和絕緣老化。絕緣擊穿在XLPE電力電纜工程實(shí)際中是一種較為普遍的現(xiàn)象；絕緣擊穿后直接導(dǎo)致電纜喪失傳輸電能的功能。（2）外護(hù)套腐蝕。外護(hù)套的腐蝕是由于活性介質(zhì)如外界強(qiáng)電場(chǎng)、化學(xué)元素、微生物、輻照等作用導(dǎo)致護(hù)套開裂、穿孔的現(xiàn)象，從而喪失對(duì)電纜絕緣層的保護(hù)功能。

綜上所述，XLPE電力電纜的絕緣老化是引起電纜失效的關(guān)鍵原因，也是導(dǎo)致XLPE電力電纜后期運(yùn)行中故障頻發(fā)的決定性因素，因而是影響XLPE電力電纜正常使用壽命的關(guān)鍵因素，直接決定了XLPE電力電纜的正常使用壽命，即絕緣老化過程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，XLPE電力電纜的正常使用壽命越長(zhǎng)，絕緣老化過程持續(xù)時(shí)間越短，則XLPE電力電纜的正常使用壽命越短。

3 XLPE電力電纜絕緣老化特性分析

3.1 化學(xué)反應(yīng)速率

化學(xué)反應(yīng)速率是指在給定條件下反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成生成物的速率；速率的快慢通常用平均速率或瞬時(shí)速率來衡量。目前，在國(guó)內(nèi)外影響較大、理論本身較為直觀、理論發(fā)展較為成熟的化學(xué)反應(yīng)速率理論是有效碰撞理論。

3.2 化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素

根據(jù)化學(xué)常識(shí)，影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素主要有反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)進(jìn)行時(shí)的溫度以及外加的催化劑。

（1）濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響；（2）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的函數(shù)關(guān)系可知，反應(yīng)物的濃度與化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)同時(shí)決定著化學(xué)反應(yīng)速率的快慢。阿雷尼烏斯定律定量描繪了溫度與化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)間的函數(shù)關(guān)系見式：

式中：kc-表示化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；A0-表示指前因子；e-表示自然對(duì)數(shù)的底；Ea-表示活化能；R-表示氣體常數(shù)。

（3）催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響

4 XLPE電力電纜絕緣老化

因溫度是影響XLPE電力電纜絕緣老化的主要因素，由溫度引起的老化通常稱為熱老化。XLPE電力電纜絕緣熱老化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要是熱降解反應(yīng)。降解反應(yīng)分為解聚反應(yīng)、無規(guī)斷鏈反應(yīng)和側(cè)基消去反應(yīng)。解聚反應(yīng)是由于分子中的薄弱點(diǎn)在熱能的作用下鏈節(jié)脫落形成單體并在脫落部位產(chǎn)生游離基；無規(guī)斷鏈反應(yīng)的過程是分子主鏈中弱鍵斷裂產(chǎn)生游離基的過程；側(cè)基消去反應(yīng)的過程就是側(cè)基的斷裂產(chǎn)生游離基的過程。XLPE電力電纜絕緣熱老化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要是熱降解反應(yīng)。降解反應(yīng)分為解聚反應(yīng)、無規(guī)斷鏈反應(yīng)和側(cè)基消去反應(yīng)。解聚反應(yīng)是由于分子中的薄弱點(diǎn)在熱能的作用下鏈節(jié)脫落形成單體并在脫落部位產(chǎn)生游離基；無規(guī)斷鏈反應(yīng)的過程是分子主鏈中弱鍵斷裂產(chǎn)生游離基的過程；側(cè)基消去反應(yīng)的過程就是側(cè)基的斷裂產(chǎn)生游離基的過程。絕緣層的熱降解反應(yīng)速率由反應(yīng)速率常數(shù)決定，由于溫度決定著反應(yīng)速率常數(shù)的大小進(jìn)而決定了熱降解反應(yīng)的快慢，也即決定了熱老化速率的快慢，熱老化速率隨著溫度的升高而加快。

XLPE電力電纜絕緣老化的表現(xiàn)特征：

由于XLPE電力電纜絕緣熱老化的過程是一個(gè)物理變化與化學(xué)變化的過程，隨著物理變化與化學(xué)變化的進(jìn)行，必然伴隨著絕緣材料性能的變化，主要是機(jī)械性能和電氣性能的變化。

（1）機(jī)械性能變化。描述交聯(lián)聚乙烯機(jī)械性能的特征量有斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、硬度等。

（2）斷裂伸長(zhǎng)率。斷裂伸長(zhǎng)率是表征交聯(lián)聚乙烯彈性性能的指標(biāo)，通過拉伸試驗(yàn)可以測(cè)量到。斷裂伸長(zhǎng)率的值為試樣在拉斷時(shí)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原長(zhǎng)的比值。由于交聯(lián)聚乙烯在溫度影響下其斷裂伸長(zhǎng)率的變化明顯且呈單調(diào)變化形式，所以常作為交聯(lián)聚乙烯熱老化程度評(píng)判的重要特征量。

（3）沖擊強(qiáng)度。沖擊強(qiáng)度是由沖擊試驗(yàn)測(cè)得的指標(biāo)，它能量度塑料在高速負(fù)荷下的韌性，所以亦稱作沖擊韌性。交聯(lián)聚乙烯的沖擊強(qiáng)度隨著其老化程度的加劇而逐漸減小。沖擊強(qiáng)度在評(píng)定韌性大而伸長(zhǎng)不太大的老化時(shí)是較常用、且靈敏和可取的指標(biāo)。

（4）電氣性能變化。描述交聯(lián)聚乙烯的電氣性能的特征量主要有絕緣電阻、介質(zhì)損耗tg？啄、泄露電流、擊穿場(chǎng)強(qiáng)等。電容充電電流；屬于無功電流分量，是由電容和材料的彈性極化引起的，與材料結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸大小與外加電壓等因素有關(guān)而與絕緣能力的強(qiáng)弱無關(guān)；介質(zhì)吸收電流，包含有功電流分量與無功電流分量，是由材料松弛極化所引起的電流，它與材料的結(jié)構(gòu)、性能、溫度、外加電壓等因素有關(guān)；泄露電流，屬于有功電流分量，是由絕緣材料的電導(dǎo)率與外加電壓所決定。

5 結(jié)束語

盡管XLPE電力電纜有許多值得被廣泛應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，但是熱、電、氧、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)元素、外界環(huán)境條件等惡劣的運(yùn)行環(huán)境使電纜絕緣老化與絕緣破壞導(dǎo)致故障發(fā)生的例子已屢見不鮮，所以展開對(duì)電纜的絕緣老化方面研究是具有一定性意義。

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