交联聚乙烯_XLPE_电缆水树枝老化机理及试验方法

交联聚乙烯(X LPE)电缆水树枝老化机理及试验方法

(255410)齐鲁石化公司热电厂　王亓昌

摘　要　交联聚乙烯(X LPE )电缆因有种种优点,已被广泛应用;但这种电缆的绝缘层在潮湿和电场同时作用下会产生水树枝老化,甚至可发展到绝缘击穿故障,影响正常供用电。为了能及早采取措施,防止此类故障,了解水树枝的形成机理和导致绝缘击穿的过程,在此基础上进行有效的预防性试验势在必行。关键词　交联聚乙烯电缆　水树枝　

在线诊断装置

框图

1　X LPE 电缆水树枝老化的机理

X LPE 电缆因有绝缘性能好、能抗酸碱、允许工

作温度高(90℃

)等优点而日益被广泛采用,但在潮湿和电场作用下会产生水树枝老化。这个问题从

70年代起国际上即进行了非常广泛深入的试验研究,取得了很好的成果。1.1　X LPE 电缆的水树枝老化现象

主要可归纳为以下几点:(1)同时存在水和电场时才会发生水树枝,即使在较低的电场下也会发生水树枝;(2)水树枝是直径在0.1到几个μm 的充满水的气隙集合;(3)绝缘中存在的杂质、气孔以及绝缘表面内外半导体层的不均匀处形成的局部高电场部位是发生水树枝的起点;(4)在交流电场下比在直流电场下容易产生水树枝,交流电频率越高,发展速度越快;(5)温度高时容易发生水树枝。1.2　水树枝的类型

按水树枝产生的起点可分成以下三种类型:(1)内导型水树枝是以电缆内半导体包带作为起点的水树枝。当内半导体层是挤出结构的情况下,在半导体带边缘或有毛刺等的结构不均匀部分容易产生水树枝。

(2)蝴蝶型水树枝是以绝缘中的杂质和气隙作为起点的一种水树枝。

(3)外导型水树枝是以电缆中的外部半导体层作为起点的一种水树枝。1.3　水树枝产生的机理

水树枝的形成可以用以下框图来表示。

水树枝产生的第一阶段是在绝缘体中不规整部位(如在绝缘Π半导电层表面)的水产生局部凝缩;在电缆制造过程中和从外部环境侵入的少量水在绝缘物中是均匀分布的,但水分子在电场作用下

因极化而产生极化迁移,被不规整部位所吸引,逐渐积累产生水气的局部过饱和状态。第二阶段,在

不规整部位的微空隙和多孔性不纯物的自由空间产生液态的水。第二阶段为水树枝成长的过程,这过程是一种机理所引起的还是几种机理结合起来引起的,还没有确切地弄明白,但极化迁移的作用是存在的。由于某种“泵浦效应”局部压力上升,使微孔扩大和引起机械损伤。如果还有盐类的话,在微孔表面的渗透压力变化会进一步引起的、别的效

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应。其他重要因素有:Maxwell应力(电磁应力),电气渗透的电化学机理及微放电等。这样水树枝就逐步成长,在显微镜下,能看到这种充满水的细小裂缝(0.1～几个μm),并在水树枝的尖端形成高电场,促使水树枝的延伸,以后水树枝逐步向电树枝转移,最后形成大面积的贯穿整个绝缘体的树枝使绝缘击穿;但整个发展过程是一个缓慢的过程,发展速度由多种因素所决定,一般要使用8年以上才会发生由于水树枝原因而造成的电击穿故障。

1.4　另外研究结果

(1)水树枝的数量随环境相对湿度的提高而增加。

(2)水质对产生水树枝影响的次序为NaCl水>自来水>脱离子水。

(3)电压越高,水树枝发展速度越快。

2　X LPE电缆的试验和诊断

2.1　塑料绝缘电缆的电压试验

由于绝缘材料的不同,X LPE电缆在运行过程中产生上述水树枝结构,故传统的DC耐压已不能适用于X LPE电缆。一方面,严重的缺陷用直流电压方法也很少被探测到。另一方面,直流电压因为规定的试验电压太高,导致有水树的塑料绝缘电缆上带长期的空间电荷。如果紧接着交流电压运行,就会导致局部起始电压,产生“电树”。从而引起绝缘的损害,完全的击穿只是时间问题了。在直流电压试验后,塑料绝缘电缆发生击穿故障确认了这一点。目前,已经有了一种新的塑料绝缘电缆试验方法并且已经应用了好多年。

实践中,超低频试验已经取代了直流电压试验。

2.2　塑料绝缘电缆试验和诊断的目的

耐压试验和诊断分析仪器提供两类的信息,可用于从运行和经济上的维护决策。

耐压试验只是简单的“通过”“不通过”试验。通常是在电缆新铺设后,修理后,或者是为了证明已运行的电缆的功能状况,进行耐压试验。

另外,通过诊断分析绝缘系统对固定电压的反应,可以了解运行的电缆老化状况。通过电压试验和诊断分析,可以探查到薄弱点,还可以按照电缆的功能状况将运行电缆进行归类维护管理。

2.3　用0,1H z正弦电压进行电压试验和介损诊断

用0.1H z超低频进行电缆试验,在过去的几年中已被接受,而且正在取代直流耐压试验。由于0.1H z试验电源的无功功率降低了1Π500,0.1H z 电源的体积被大幅度减少。试验室结果已证明超低频能够使电树更直接,更快的发展。

用0.1H z正弦电压试验有几个优点:

—试验电压形成是确定的,且与试品无关

—电树的通道增长速度比用当前其它试验电压形成要快

—在电缆试验时,可通过介损测量进行绝缘老化诊断

介损大小与损害深度d显然不是线性关系,这就是说tgδ实际上是由水树破坏决定的,轻微破坏(短水树)实际上没有影响,相反,完全长成的水树对tgδ有极大的影响。tgδ绝对值和随试验电压水平的tgδ改变值成为最基本的绝缘状况评估参数。

目前所有的诊断方法都是整体诊断方法。也就是说探测水树是很困难的,特别是探测长电缆中被非破坏部分所隐藏的那些水树更困难。介损测量方法被证明是最有效的方法。

因为相当长电缆中很小一段已严重破坏的部分会对介损结果产生非常大的影响,另外,介损的电压相关性是另一个重要评估因素,它与水树老化有明显的直接关系。

这些理论已被在电缆诊断上所获得的实践经验所证实。

3　结论

由于塑料绝缘电缆的特殊老化特性,其测试要求有适当波形的测试电压,0.1H z的正弦波电压已被证明为塑料绝缘电缆的最佳测试电压波形。它具有所需的全部基本的优点,如:确切的图形显示,无直流成分,适度的局放起始电压以及电树的最高通道生成速度等等。

更主要的是0.1H z正弦波电压提供了一种以测量功率损耗因数来诊断塑料绝缘电缆的方法。这种方法可以在数分钟内精确地区分新电缆,轻微损坏电缆和严重损坏电缆的老化状况。在测试的过程中亦可进行诊断。这样,电缆状况评价参数便可通过在测试过程中施加2U

的电压这样简单的诊断来监控。既节省了电缆评估的时间,又可在

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