交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘老化问题探析

参考文献 ［１］ 吴倩，刘毅刚，李熙谋．高压交联聚 乙烯电缆绝缘老化检测技术调研［Ｊ］．电 力设备．２００５，０６（７）：４０－４５． ［２］ 吴倩，刘毅刚．高压交联聚乙烯电缆 绝缘老化及述评［Ｊ］．广东电力．２００３，１６ （４）：１－６．
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算出的时间间隔△ｔ 就是相应桥臂上的脉 １ｊ
由于局部放电侵蚀绝缘，以致发生老 化形态，而使绝缘性降低，导致绝缘击穿。
２．３ 电树枝 主要是由于绝缘内部放电产生的细微 开裂，形成细小的通道，其通道内空，管壁 上有放电产生的碳粒痕迹。通道分支少而 清晰，呈树枝状。 电树枝按产生的机理分为以下几种类 型： （１）由于机械应力的破坏使 ＸＬＰＥ 绝缘 产生应变造成气隙和裂纹，引发电树枝放 电。机械应力一方面是因为电缆生产、敷设 运行中不可避免地弯曲、拉伸等外力产生 应力，另一方面是由于电缆在运行中电动 力对绝缘产生的应力。 （２）气隙放电造成电树枝的发展。现 代的生产工艺尽管可以消除交联电缆生产 线中某些宏观的气隙，但仍有 １～１０ μ ｍ 或 少量的 ２０～３０ μ ｍ 的气隙形成的微观多孔 结构。多孔结构中的放电形式主要以电晕 放电为主。通道中的放电所产生的气体压 力增加，导致了树枝的扩展和形状的变化。 （３）场致发射效应导致树枝性放电。在 高电场作用下，电极发射的电子由于隧道 效应注入绝缘介质，电子在注入过程中获 得足够的动能，使电子不断地与介质碰撞 引起介质破坏，导致树枝放电。 （４）缺陷。缺陷主要是导体屏蔽上的 节疤和绝缘屏蔽中的毛刺以及绝缘内的杂 质和空穴。这些缺陷使绝缘内的电场集中， 局部场强提高。引起场致发射，导致树枝性
冲信号０或１状态在时间轴上的宽度。其中：
，α ＝２； ＜ ０，α ＝１；ｖ －ｕ ＞ ０， ｊｏ ｊ
β ＝２；ｖｊｏ－ｕｊ ＜ ０，β ＝１。启动各桥臂△
ｔ 定时，延时时间到，进入相应桥臂△ｔ 定
１ｊ
１ｊ
时中断服务程序，采样此刻ｉ （ｋＴ＋△ｔ ），
ｃｊ
１ｊ
的采样点若不在此刻，需要通过前几个采样
点的值进行拟合，求出 （ｋＴ＋△ｔ１ｊ）， 再计 算△ｉ 来确定开关模式并输出直至开关周
放电。 ２．４ 水树 水树老化是频繁导致 ＸＬＰＥ 电缆绝缘
在运行中被击穿造成停电事故的主要原因 之一。在电缆绝缘层中产生水树必须同时 满足三个条件：
（１）均质绝缘中存在欠缺点而产生局 部电场的非均匀改变；
（２ ）有水分侵入； （３）有电场存在。
水树是直径在 ０．１ 微米到几微米充满 水的空隙集合。水树和环境湿度也有关， ＸＬＰＥ 电缆在 ６５％以上的湿度环境中通电 就可以产生水树。大量试验显示水树枝会 造成局部应力增高，可能成为电树枝的发 源地。高温下，水树枝里可能发生显著的氧 化，导致吸水性增大，导电性增高，使介质 损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降，最终 热击穿；低温下，水树枝经较长时间氧化或 转化为电树枝，破坏电缆的绝缘水平。水树 枝的产生，将会使电缆的寿命明显缩短。
３．３ 电线敷设后要及时进行电缆头的 制作，如不能及时制作，电缆头应密封（锯 掉的电缆端头，无论是堆放还是敷设，均要 用塑料密封起来）防止潮气渗入。
３．４ 在地下水位较高及多雨的地区， 不宜采取埋地敷设；在南方地区黄梅季节 电缆沟内容易结露，因此要有通内措施；电 缆的入口处应有堵水措施，避免雨水流入 电缆沟内；电缆沟应有防渗漏措施和排水 措施防止电缆沟内积水 。
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由于电缆安装时不小心造成的机械损 伤，在运行中潮气侵入而导致损伤部位发 生局部放电、电树、水树老化。
２．７ 电缆接头制作工艺不当导致电缆 故障
在潮湿的气候条件下作电缆接头，使 接头封装物内混入水蒸气而耐不住试验电 压往往形成闪络性故障。或者，在制作电缆 中接头时，由于压接工艺不当或压接质量 不高，导致接头在运行中发热，使电缆绝缘 逐渐老化引起电缆接地、相间短路或断相 等故障。或者，在制作电缆中接头时，由于 接头封装物填充工艺不当，使接头不能良 好密封，电缆受潮引发电缆接地或相间短 路。
１ 绝缘老化概况
ＸＬＰＥ 电缆线路除外力破坏造成故障， 一般在运行较长时间后出现绝缘损坏故障 的原因往往是绝缘老化导致击穿。在对全 国主要城市 １２６ 家 ＸＬＰＥ 电缆运行维护单位 １０ ｋＶ 以上的电缆（总长度 ９１ ０００ ｋｍ）运 行状态进行调查统计和故障原因分析发现， １０－２２０ｋＶ 电缆的平均运行故障率 ２００１ 年 为 ５．２ 次／（百公里·年）。
２ 绝缘老化分析
绝缘老化是材料性能发生不可逆转的 改变，并导致绝缘性能的降低。影响老化的 因素一般涉及热、电、环境等方面。根据实 际运行经验来看 ＸＬＰＥ 电缆的老化原因主 要有以下几方面：热老化、局部放电、电树 枝、水树、机械损伤等。
２．１ 热老化 Ｘ Ｌ Ｐ Ｅ 绝缘物在长时间高温作用下由 于过热氧化发生质变，物理特性（抗张性、 伸长等）和电气特性（介损、绝缘击穿电压 等）均降低，从而导致绝缘击穿。同时 ＸＬＰＥ 绝缘物在高温下，水树枝里可能发生显著 的氧化，导致吸水性增大，导电性增高，最 终热击穿；ＸＬＰＥ 电缆运行温度一般不超过 ９０ ℃。 ２．２ 局部放电 在电压的作用下，绝缘结构内部的气 隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放 电现称为局部放电。由于 ＸＬＰＥ 电缆在制造 过程中欠缺点的存在（绝缘中存在微孔或 绝缘层与内、外半导电层间有空隙）当电缆 在交流电压的作用下，因为空气的介电常 数较固体介质小，而场强与介电常数成反
３．５ 选择专业的电缆敷设队伍，加强 电缆施工管理，防止缆敷过程中电缆受损。
３．６ 建议 ＸＬＰＥ 电缆采取交流耐压试 验，取代现行的直流耐压试验。
３．７提高电缆接头制作工艺
４ 结语
本文讨论了 ＸＬＰＥ 电缆在运行中发生 故障的主要原因之一即绝缘老化引起的系 统故障。通过分析做好 ＸＬＰＥ 电缆的防老化 措施可以有效的减缓绝缘的老化速度，从 而延长电缆的使用寿命、减少系统的故障 率，为电力系统的稳定运行提供了保证。
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Ｋｄ＝Ｋｐ＊Ｔｄ＝１．６８＊１０＝１６．８ 图 ４ 为在该参数下的仿真响应曲线。 ２．２ 模糊 ＰＩＤ 控制 锅炉内胆是惯性大、非线性、参数 时变、数学模型难以建立的复杂系统，而 模糊控制算法无需建立被控对象的数学模 型，对非线性、时变性系统具有一定的适 应能力，且快速性好。将模糊控制与 ＰＩＤ 控制有效结合，是解决温度控制系统性能 的一种有效途径。 当系统温度的绝对值大于５℃时，采用 模糊控制算法。模糊控制器选用双输入单 输出控制方式，以温度误差ｅ和误差变化率 ｅｃ 作为输入变量，以 ＵＦ 作为输出变量。模 糊子集为 Ｅ＝ＥＣ＝ＵＦ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＥ， ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，其论域为 ｅ＝ｅｃ＝ｕＦ｛－３，－ ２，－１，０，１，２，３｝，隶属度函数采用三 角分布函数。根据模糊规则归纳出模糊关 系，采用 Ｍ ａ ｍ ｄ ａ ｎ ｉ 的模糊推理与合成运 算，得到对应 ＵＦ 论域元素的μ ＵＦ（Ｅ，ＥＣ） 的隶属度，采用加权平均法进行解模糊运 算，得到模糊控制器清晰化的控制量 ＵＦ， 来控制系统温度，并可以有效抑制扰动，提 高系统的快速性和稳定性。 当系统温度的绝对值小于５℃时，采用 ＰＩＤ 控制算法，得到 ＰＩＤ 控制器输出的控制 量 Ｕ Ｐ Ｉ Ｄ ，可以实现一定范围内的无差控 制，提高系统的准确性和稳定性。 采用模糊 ＰＩＤ 控制的原理图及系统响 应曲线如图 ５、图 ６ 所示。
ｃｊ
期结束。预测电流跟踪控制流程如图 ３ 所
示。
４ 结论
补偿电流控制方法决定了有源电力滤 波器的补偿特性和效果，本文采用了预测 电流跟踪控制方法，该方法将传统滞环跟 踪比较器数字化，并加以改进成为定频数字 化滞环电流跟踪比较器。采用全数字化控 制，选用了 Ｔ Ｉ 公司的 Ｄ Ｓ Ｐ 芯片 Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｌ Ｆ ２ ８ １ ２ 为控制核心芯片。 ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２ 采用多级流水线工作方式， 具有强大的指令系统和高速的数据处理功 能。在硬件设计中，在器件选型方面综合考 虑了器件的性价比等特性。因此谐波电流 的实时分离、谐波补偿电流产生的实时性 和精确性方面有了大大提高，具有较高的 适用性，较高的性价比及较高的普及性的 特性。
参考文献 ［１］ 吕润馀．１９９８．电力系统高次谐波．北 京：中国电力出版社 ［２］ 宁改娣，杨拴科．２００２．ＤＳＰ 控制器原理 及应用．北京：科学出版社 ［３］ 王璐．２００３， ６．基于ＤＳＰ的有源滤波器研 究．西南交通大学研究生学位论文 ［４］ 王时胜，黄伟栋，周颖．２００３．ＤＳＰ 在电 力有源滤波器的应用研究．南昌大学学报． ２５ （１）：５６～５９ ［５］ 李平，刘小河．并联有源滤波器预测电 流跟踪控制 ＰＷＭ技术．电力建设．２００５．第５ 期 ［６］ 韩松，邱国跃．２００３．基于 ＤＳＰ 的三相有 源滤波器谐波检测研究。贵州工业大学 学报．３２（６）： ［７］ 韩安太，刘峙飞，黄海．２００３．ＤＳＰ 控制 器原理及其在运动控制系统中的应用北 京：清华大学出版社 ２０～２６ 作者简介 郭贵名 辽宁工程技术大学学生。
制 造
中国科技信息 ２００８ 年第 ２１ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｎｏｖ．２００８
交联聚乙烯（Ｘ Ｌ Ｐ Ｅ ） 电缆绝缘老化问题探析
郭雷 雷国福 广东省韶关钢铁集团有限公司
摘 要 绝缘老化是引起高压交联聚乙烯（简称 Ｘ Ｌ Ｐ Ｅ ）电缆线路故障的主要原因，为探讨此 问题，概述了国内外高压 ＸＬＰＥ 电缆线路在运 行中绝缘老化引起系统故障的统计情况，就 ＸＬＰＥ 电缆绝缘老化现象进行了剖析，并提出 了相关的建议。 关键词 交联聚乙烯电缆；绝缘老化；电缆故障； 水树；电树；建议
２．５ 预防性试验 为了保证电缆安全可靠运行，有关的 国际标准对电缆的各种试验做了明确的规 定。主要试验项目包括：测量绝缘电阻、直 流耐压和泄漏电流。直流耐压试验对发现 多数电缆绝缘缺陷十分有效，但对 ＸＬＰＥ 则 未必。近年来国内外的试验和运行经验证 明：直流耐压试验不能有效地发现 ＸＬＰＥ 电 缆中的绝缘缺陷，甚至造成电缆的绝缘隐 患。 研究表明，直流耐压试验时对绝缘的 影响主要表现在： （１）ＸＬＰＥ 绝缘在交流电压下的电场分 布不同于施加直流电压时的电场分布。在 交流电压下，ＸＬＰＥ 绝缘层内的电场分布是 由介电常数决定的，即电场强度是按照介 电常数的反比例分配的。在直流电压下，绝 缘层中的电场强度是按照绝缘电阻率的正 比例分配的，且绝缘电阻率分布是不均匀 的（在 ＸＬＰＥ 塑料生产过程中，因工艺原因 不可避免地在主料中有杂质存在） ，所以 ＸＬＰＥ 绝缘层中的电场分布不同于理想绝缘 结构而与材料的不均匀性有关。由于在绝 缘层中，交、直流电压下电场分布的不同， 导致了击穿特征的不一致。 （２）电缆的局部绝缘气隙部位由于游 离产生的电荷在此形成电荷积累，降低局 部电场强度，使这些缺陷难以发现。 （３）试验电压往往偏高，绝缘承受的 电场强度较高，这种高电压对绝缘是一种 损伤，使原本良好的绝缘产生缺陷，而且， 定期性的预防性试验使电缆多次受到高压 作用，对绝缘的影响形成积累效应。 （４）ＸＬＰＥ 电缆绝缘层易产生电树枝和 水树枝，在直流电压下易造成电树枝放电， 加速绝缘老化。 ２．６ 机械损伤