交联聚乙烯电缆水树枝修复技术研究

付文杰，王清亮，栗 军

(1.河北省电力公司，石家庄 050021；2.石家庄供电公司，石家庄 050056)

0 引言

20世纪90年代以来，交联聚乙烯(XLPE)电缆在城网改造中大量应用。电缆在潮湿环境中运行，难以避免的有水分侵入，在绝缘体内产生水树枝，水树枝老化是电缆绝缘破坏的主要原因之一[1-2]。近年来，虽然电缆工艺得到改善，在干燥环境中电缆绝缘的电气性能十分优越，但电缆多为直埋方式，环境潮湿，因此水树枝老化仍是电缆击穿的主要原因之一[3]。避免电缆水树枝老化的主要技术手段是采取相应措施改变交联聚乙烯成分，通过添加剂来降低电缆绝缘体的憎水性，从而达到抑制水树枝的目的[4-5]。

目前，电缆的防水性能已得到较大改善，但中低压电缆的设计寿命通常都在20年以上，国内2000年以前生产的中低压交联聚乙烯电缆，其工艺较为落后，经过十几年的运行后，绝缘体的水树枝老化问题比较突出。这些电缆如果继续运行，则可能导致电缆击穿损坏；如果全部更换，费用巨大，而且施工难度相当大。因此，在保证电网安全的情况下，在电缆损坏之前，前瞻性的修复水树枝老化的电缆，不仅能节约大量电缆成本，对电网的安全稳定运行也具有重要意义。

电缆水树枝修复技术是一种电介质增强技术，操作方便，成本低廉，可以提高电缆整体的绝缘水平，延长电缆使用寿命，与更换电缆相比具有很大的经济性和便捷性。美国已有相关应用[6-7]，国内对该技术的认识刚刚起步。

1 电缆水树枝的形成及发展

水树枝是交联聚乙烯绝缘材料在长时间与水共存的状态下，因交变电场作用而产生的充满了水的各种树枝状细微通道。由于早期的中低压交联聚乙烯电缆防水性不佳，电缆运行的环境大多阴暗潮湿，特别是直埋电缆工作环境更为恶劣，水分和潮气易进入电缆内部。同时在电缆的制造、施工和运行过程中不可避免会产生一些微观缺陷。由介电电泳效应可知，液体中介电常数较大的离子会向电场集中的地方运动，而其中交联聚乙烯的介电常数为2.3左右，水的介电常数则约为80，因而在电场力作用下水分向高场强区即缺陷处运动，造成缺陷处水分大量聚集。

由于交联聚乙烯是一种结晶态和非晶态共存的固体高聚物结构形式，在电缆绝缘生产过程中，聚乙烯分子交联过程及冷却过程均是从外层向缆芯进行，因而会在绝缘内晶区与非晶区的界面以及非晶区内产生应力和微裂纹。同时，在电缆制造和施工过程中，也不可避免的给电缆绝缘体造成相应损伤，形成缺陷。在电缆投入运行后，由于电场的作用，水分会在缺陷处聚集，浓缩为极小的水滴。在长期交变电场的作用下，微水滴受到周期性的Maxwell电机械应力作用，不断挤压绝缘缺陷处，造成局部绝缘材料疲劳损坏，出现充水微孔[8]。随时间推移和水分的侵入，电缆中的充水微孔沿电场方向逐渐拉长，不断发展，相互连接形成了水树枝。在显微镜下，可以看到充满水的细小通道，直径零点几微米到几微米不等。使用亚甲基蓝溶液染色后，即可清晰看到水树枝，见图1。

图1 电缆中的水树枝

水树枝形成的空洞不会自行消失，即使水分完全消失，空洞也会继续存在下去，并能在极少的潮气和较低的电场下继续生长。随运行时间的增加，在潮湿的环境中敷设的电缆水分不断浸入，水树枝在绝缘体内部大量产生，长度不断增加，使电缆的整体绝缘性能下降。

水树枝生长时因水中还可能含有各种离子成分，这些离子特别是金属离子的存在使充水微孔形成过程中还伴随着氧化腐蚀和化学腐蚀等作用。有学者通过试验证实，微孔壁及微裂纹内有羟基(-OH)、羧基(-COON)等极性端基团存在[9]。这表明在水树枝引发和增长过程中，水树枝内有氧化降解反应产生。这些亲水基团使得微孔壁由憎水性变成亲水性，水分易于沿微孔壁形成连续水膜，使得整个水树枝的导电能力大为增加，从而在水树枝的尖端形成高场强区。

水树枝尖端的电场强度随树枝长度的增加不断增强，当水树枝增长到一定程度，尖端将发生放电现象，引发电树枝。研究表明，电树枝出现后绝缘将在短时间内击穿，特别是受到系统中各种过电压作用时，电树枝将很快击穿[10]。对不含水树枝和含有水树枝的电缆进行击穿电压测试，发现在工频电压作用下，含有水树枝的电缆比不含水树枝的电缆击穿电压大约下降了1/3，而在低频0.1 Hz 电压作用下，击穿电压几乎下降了2/3[11]。调研表明，由于水树枝老化造成的电缆故障约占电缆总故障的30%，仅次于外力破坏。

由以上分析可以发现，水树枝发生的原因是局部高电场和该部位有水存在，如图2所示。交流电场、水分和局部缺陷3个因素达到合适的条件后就会在交联聚乙烯内部引起水树枝，因此，要防止水树枝，必须从限制这3个条件入手。

图2 电缆水树枝形成及发展过程

2 电缆水树枝修复技术

消除交联聚乙烯电缆内的水分是防止电缆绝缘中水树枝生成和继续发展的一种方法。但是由于电缆的特殊结构，其内部水分无法用常规的干燥技术来消除。文献[4]将水树枝内的水分去除并注入变压器油，介质的绝缘强度即可得到恢复。国外的实践和国内的初步研究表明，利用电缆线芯绞线间隙作为通道，将具有消除微水功能的化学修复液注入电缆内部，可以消除电缆中的水分，修复电缆绝缘[12]。

2.1 修复技术研究现状

在国外，美国研究电缆修复技术比较早，并在美国本土范围内应用，修复电缆长度已达10万km。修复后运行超过12年的约有2万km。由于电缆本体缺陷引发的故障与这些电缆故障总数的百分比小于0.5%。

国内方面, 天津电力科学研究院最早开始研究，研制了修复液和压力注入装置。天津市电力公司试点应用该技术，并对市区核心区7条难以破土动工的老化电缆进行了水树枝老化修复，电缆绝缘水平得到一定的提高[14]。但是目前还未见到后续跟踪检测。

四川大学在实验室对短电缆水树枝进行修复，试验24 h后，电缆介质损耗因数从2%下降到0.5%左右，泄露电流从10 mA下降到1 μA。水树中充满了半透明的胶状物，水分被耗尽，水树枝得到修复，并且在长时间后，修复液仍能继续起作用。但目前未见有实际应用的报道。

2.2 修复技术的基本原理

电缆水树枝修复液的主要成分为硅氧烷以及催化剂。在催化剂的作用下，修复液中的硅氧烷与水发生聚合反应，生成新的硅氧基团高聚物和醇类，从而消除了电缆中的水分。其化学反应过程为：

修复液在电缆内部主要有三方面的作用：一是，硅氧烷与水不断发生缩合反应，消除电缆中的水分；二是，随着反应的进行，生成的聚合物分子量不断增大，粘稠度不断提高，并填充在水树枝内部，修复水树枝产生的微孔；三是，大量绝缘性能优良的修复液长期存在于电缆内部，浸泡绝缘主体，使绝缘主体绝缘性能保持在一个较高的水平，延长了电缆寿命。

修复液对电缆的修复作用是逐渐体现的。修复液注入后，电缆介质损耗逐步降低，24 h内介质损耗会有明显降低[13]。美国中心电力机构(CEC)研究表明，修复液注入后，电缆老化损坏和电缆故障全部停止，电缆电气强度每天增加0.5%或每60天增加30%，直至电缆的电气强度超过全新电缆，该项技术可以增加电缆使用寿命20年[7]。

由于交联聚乙烯是一种结晶状和无定形状共存的固体高聚物结构形式，其内部存在极为细小的微裂纹，硅氧烷分子可以通过这些微裂纹慢慢渗透。对于10 kV交联聚乙烯电缆，修复液可以缓慢浸透整个绝缘主体，因此修复液对电缆外层水树也具有修复作用。但是对于35 kV及以上电压等级的交联聚乙烯电缆，由于主绝缘层过厚，修复液难以完全渗透，对外层水树修复力差。

在修复液的浸泡下，绝缘性能得以持续提高，一般在2年后达到并稳定在较高水平。但是当绝缘发生电树枝时，放电通道会发生碳化现象，电缆修复液不能消除或去掉碳分子，因此它对电树枝类缺陷不能起到修复作用。

2.3 修复液的注入工艺

在电缆实施修复之前要了解电缆的规格型号，并需要检测电缆老化程度，修复液在电缆中的流动阻力，可能阻滞液体流通的位置等信息，根据检测结果确定电缆修复方案。

修复时将原有电缆终端接头换为特制的带有注液孔的终端头，首先通入高压氮气，检测电缆内芯是否可以通过修复液，以及检测电缆接头是否有泄露，然后连接电缆修复液注入系统，进行修复工作。注入系统主要由气体压力罐、修复液罐、连接管路和出液管构成，在连接管路上安装有限压阀、压力传感器和流速观察器等。修复液从电缆两端的芯线处经由芯线之间的缝隙注入，见图3。为提高注入速度，并抽出电缆中的积水和空气，便于修复液完全浸泡电缆绝缘主体，一般将电缆的另一端与真空筒连接，抽出缆芯空气。通过向修复液注入筒充入氮体，使修复液获得一定的注入压力。在注入筒正压力和真空筒负压力的双重作用下，修复液由注入筒缓缓流入电缆体内，电缆体内积水同时从缆芯中排到真空筒。当真空端流出修复液时，注入工作结束，将两端终端头更换为普通终端头，并采取相应封堵措施，防止修复液流出。电缆修复所需时间因电缆型号、截面积和长度而不同，对于线芯间隙较大的早期交联聚乙烯电缆，一般在几小时到十几个小时之间。

图3 修复液注入工艺示意

3 应用修复技术需要解决的关键问题

电缆修复技术在我国尚处于试验研究和小规模试用阶段，国外也只有美国应用，尚未全面推广。该技术应用到实际电缆修复工作中，还需要进一步研究解决如下问题。

3.1 准确检测电缆老化状态

为确定电缆修复方案，确保电网安全可靠运行，应及时掌握电缆绝缘的老化状态。电缆水树枝检测方法主要分为离线和在线2种。离线方法主要是测量绝缘电阻、泄露电流、介质损耗和耐压试验；在线监测主要有直流叠加法、超低频法、交流叠加法和谐波分量法等[15-19]。这些检测方法各有优缺点，但目前对水树枝老化程度的检查缺乏广泛认可的代表性方法，采用以上检测技术尚难以对电缆的绝缘状态及其剩余寿命进行准确判断。此外，关于电缆绝缘老化状态的数据积累也较少，需进一步研究电缆老化程度的评价标准和公认的可推广的在线检测技术。

3.2 论证修复液物理化学特性

目前，虽然对修复技术的基本原理已有所了解，但为了大面积应用电缆修复技术，修复液的具体成分还需研究优化。修复液的成分、流动性、绝缘性、修复力以及挥发、阻燃特性、无毒化等方面缺少定量数据。由于修复液将长期存在于电缆内部，其在强电场中的稳定性、体积随温度变化特性、溶沸点以及与电缆接头材料的共存性等物理化学特性，均需要深入研究、论证。

3.3 完善修复液注入工艺需要

电缆修复液的注入需要几小时，对于线芯间隙较小的新电缆，注入时间更长。研究带电修复技术，可以显著减少停电时间，但是带电修复面临系统安全稳定的挑战，需要慎重选择修复方案。同时，加快注入速度、就需要增加注入压力，但压力过大又可能造成电缆接头处变形，如何确定合理的注入压力仍需要进一步研究。修复液注入后，需要选择合适的绝缘封堵材料和合适的封堵方式，防止修复液从电缆两端流出。目前，电缆修复液注入技术在我国还处于研究初期，还没有电力系统通用的修复设备。

4 结束语

电缆水树枝老化是引起电缆故障的主要原因之一，而且直埋方式辐射的电缆很难避免出现水树枝老化。我国2000年以前城网改造敷设的电缆即将步入老龄化，水树枝问题将严重影响电网的安全稳定和供电的可靠性。因此，应深入开展电缆老化水平的检测研究，积累相关数据，掌握电缆老化程度；研究出安全高效的修复液和合理的注入技术，使电缆修复技术得到推广应用。开展电缆修复技术研究，对于提高电缆电气强度，延长电缆使用寿命，节约电缆投入，提高安全可靠供电水平具有重要意义。

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