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1、设计及选型老化中压XLPE电缆修复新技术研究朱晓辉(天津市电力科学研究院，天津 300040）摘要文章简要介绍了我国早期运行XLPE电缆的现状，介绍了XLPE电缆发生水树劣化的原因和抑制、消除水树的基本原理，详细介绍了修复水树老化电缆的工作机理和现场实施方案。关键词电缆水树修复1我国早期运行XLPE电缆的现状早在上世纪80年代末期，中、低压XLPE电缆已在我国基本替代了传统的油纸绝缘电力电缆.如今XLPE电缆更是以其具有绝缘性能好、传输容量大、附件接头简单、结构轻便、不受高度落差限制等诸多优点占据了电缆应用领域的绝对优势地位。XLPE电缆在生产制造过程中不可避免的会在XLPE绝缘上产生一些微观
2、缺陷，电缆施工过程中施加在电缆本体上的机械应力也会增加微观缺陷的数量。通过各种渠道进入XLPE绝缘的水分会在电场的作用下聚集在微观缺陷处，从而引发水树枝。水树枝沿着电场的方向不断地延伸并形成多分叉水树区，一些水树发展成电树并最终诱发了电缆绝缘本体的击穿。20世纪90年代以前生产的XLPE电缆工艺较为落后，经过十几年的运行后，其绝缘体受水树劣化的程度相当严重。例如，天津的一条1987年投运的、长为12km 10kV XLPE电缆因水树老化严重而在2002年10月被迫停运。随着时间的推移，电缆因水树所导致的绝缘老化会进一步加剧，严重威胁着电网的安全运行。花费巨资和浩大的工程更换全部旧电缆显然是十分
3、困难和极不经济的。2水树生长的基本条件及抑制方法水树问题早在上世纪60年代末期就引起了广泛关注，现已有较清楚的了解。XLPE电缆中的水分在交流电场的作用下将导致XLPE绝缘发生降解，XLPE中的降解结构称之为水树。水树的微观构成就是XLPE绝缘体上一簇微小亲水性空洞，这些亲水性空洞一旦形成就不会自行消失，即使水分完全消失也会继续存在下去，并能在极少潮气和极小电场的作用下继续生长。XLPE电缆中水树生成及生长的基本条件有两点：其一，在3kV及以上电压作用下；其二，在XLPE绝缘体周围或体内有微水存在。研究表明，新的中压XLPE电缆在投入运行6个月后就已能在电缆绝缘中观测出水树，其电缆的最大击穿场
4、强已开始有所降低。运行经验表明，在XLPE电缆运行1520年之后，水树将逐渐发展成为导致电缆早期老化并导致电缆本体运行故障的主要原因之一。由水树的成因可以推定，防止水树生成、阻止水树生长的方法主要为两种，一种为消除水分，另一种为改变绝缘材料的物理特性。如果要提高已老化XLPE电缆的绝缘水平，则须消除或减小绝缘体中已有的水树枝等局部缺陷。当前采用的水树抑制方法多为简单的物理方法，如在电缆外层增加防水层等，也有采用增加某些化学添加剂或对XLPE进行化学改性的方法来抑制水树的生成和生长。上述方法对延长制造中的XLPE电缆的未来运行寿命可能是有效，但对已运行电缆的水树问题却无能为力。消除运行电缆线芯内
5、的水分是防止电缆绝缘水树生成和发展的重要手段。由于电缆缆芯的细长结构，使其内部微水无法用常规干燥技术来消除。国外的实践和笔者所作的尝试表明：利用缆芯间隙作为通道，将具有消除微水功能的液体灌入到缆芯中则是一种消除运行电缆线芯内的水分的有效方法。3电缆修复液的工作机理笔者参与开发出了一种名为ML的电缆修复液。该电缆修复液的有效成分为聚甲基苯基硅氧烷。在催化剂的作用下，低粘度ML电缆修复液中的硅氧烷与水发生聚合反应，消除了水分并生成了新的硅氧基团有机化合物和甲醇。有机聚合物化学反应过程示意式如下： Me Me Me 2 MeOSiOMeH2O MeOSiOSiOMeMeOH Ph Ph Me注：Me
6、和Ph为甲基和苯基ML电缆修复液是一种低粘度无色透明油状小分子有机液体，具有良好的低温柔顺性和流动性，不会发生结晶、固化现象；对水具有高反应活性，能在常温下遇水发生聚合反应；由于其具有小分子结构，故此，其渗透力极强。ML电缆修复液还具有成本低、无毒、粘度低、不挥发、难燃、绝缘性能好、与电缆导体及绝缘体相容性好等特点。ML电缆修复液与水发生聚合反应所生成的硅氧基团有机化合物是一种无色透明、具有大分子链状结构的硅油类有机粘稠液体，绝缘性能良好，憎水性较强，并且生成物仍能与水分继续发生聚合反应，其粘稠度也随之进一步增加。上述聚合反应清除了绝缘体中水树内的水分子，阻止了水树的进一步增长。聚合反应生成物
7、分子体积是水分子的几十倍，随着这种胶状物质的沉积，绝缘体中的缺陷得到了修补。沉积聚合物的介电常数为2.2，与绝缘本体介电常数2.3相近，不会发生局部电场畸变。当ML电缆修复液连同必要的反应催化剂、稳定剂、反应控制剂和改性剂等辅助添加剂一起被灌入缆芯后，能长期、有效、稳定、随时与缆芯中的水分发生聚合反应，从而消除了缆芯中的微水，阻止了水树的进一步生成和增长；修复液遇水所生成的具有良好绝缘性能的胶状有机聚合物（详见图1），有机地填补了水树枝微观空洞，在一定程度上修复了水树侵蚀所造成的微观绝缘缺陷，提高了已老化电缆的绝缘水平。生成物的强憎水性还使水分无法再度侵蚀已修复的水树，保证了修复的长期效果。图
8、1ML修复液侵入水树中遇水反应示意图相对交联聚乙烯而言，ML电缆修复液的分子极小，可以通过渗透缓慢进入电缆主绝缘本体内部。因此ML电缆修复液对电缆外水树同样可以起到修复作用。有关研究显示，电缆修复液对XLPE电缆绝缘性能的提升作用是日渐显现的，在电缆修复液长期浸泡下绝缘体的绝缘性能得到持续的提高，一般在2年后能够逐渐达到并稳定在一个较高的绝缘水平。4电缆修复液注入方法将电缆修复液注入到XLPE电缆缆芯中需要有相应的注入设备和电缆附件。笔者参与开发的实施方案为：将原有电缆两端的终端接头加装特制的带有注液孔的专用附件（详见图2），将电缆的一端与电缆修复液注入筒连接，另一端与真空筒连接。通过向修复液
9、注入筒充入惰性气体，使修复液获得一定的注入压力（详见图3示意图）；通过真空筒在电缆的另一端制造负压，引导修复液进入真空罐。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，并将电缆缆芯内可能存在的积水同时从缆芯中排到真空筒。当真空筒一侧有修复液流出时，即注液结束。图2安装在电缆终端的带有注液孔的电缆附件图3电缆修复液注入示意图电缆修复液注入装置是由气体压力罐、修复液罐、连接管路、出液管以及限压阀、压力传感器、电磁开关阀、监视窗口等构成，并且灌注机能够同时向电缆的三相注液，缩短了电缆的注液时间。提供注入压力的气体为高纯度氮气，从而可保证电缆修复液免受不良影响。施压气体的压
10、强、带压液体的压力可以通过整定压力传感器定值来控制，工作人员通过监视窗口观测修复液的注入速度以及流入量。图4为电缆修复工作现场。图4电缆修复工作现场修复液注入压力不宜超过0.5MPa，过高压力会使修复液在中间接头处渗出。实验数据表明，热缩电缆附件的耐压能力较高，在最大可达到0.6MPa的内部大气压下不发生液体渗漏，但冷缩型附件的弹性较大，注入压力在0.4MPa时已经发生液体渗漏。因此需要在接头处增加卡箍，防止液体在中间接头处流出。修复液的用量大约在46升/百米，电缆中间接头对液体的阻滞影响不大。由于ML电缆修复液及其与水聚合生成的主要生成物均为无色流动性液体，因此在修复液向缆芯灌注后，必须进行
11、电缆端部的封堵。我们开发的可灌注式快速封堵液主体成分是改性的硅橡胶，在灌注前为流动性极好的液体，可以通过灌注装置注入到电缆端部。数小时后，封堵液在无需任何空气及外部特殊条件下室温硫化。硫化后的封堵物具有机械强度高、耐高温、难燃、耐油、耐有机溶剂等特点，在常规状态下有很长的使用寿命。5现场实际应用自2004年11月以来，应用该技术对7条电缆实施行了针对水树老化的修复工作。并对所修电缆进行了跟踪检查和测试工作。现场检查表明，所灌注修复液在电缆头两端未发生渗漏。对所修线芯测试了对地直流电阻，测试结果表明注入修复液的电缆绝缘水平明显提高。6结束语XLPE电缆运行十几年后，其主绝缘受水树老化的程度已相当
12、严重。据天津市电力公司城东供电分公司的技术统计，运行十五年以上的10kV XLPE电缆因绝缘老化而引起的主绝缘故障数已占据非外力破坏故障的50%。随着时间的推移，我国已步入“老龄”的XLPE电缆也将越来越多，这将严重威胁着电网的安全运行。如对这些电缆全部更新，这在巨额费用和工程量上都是难以承受的。并且在更换电缆过程中所涉及的繁华地段施工问题也是较难解决的。利用电缆修复液注入技术修复已被水树老化的XLPE电缆是一种经济、有效、实施成本低、施工周期极短、应用范围广的方法。经验表明，当电缆长度大于200米时，实施电缆修复液注入在成本上的优势开始显现出来。由于电缆修复液不能消除或综合掉碳分子，对电树侵蚀类缺陷不能起到任何修复作用。一旦在绝缘上发生电树侵蚀，在缺陷表面上会生成碳分子。对于因受水树侵蚀较重而产生电树的电缆应考虑更新。一般而言，XLPE电压电缆在运行15年以后，其水树老化程度已经相当严重。因此，应考虑对运行时间超过15年的XLPE电缆分批实施养护式修复。这项技术可以有效延长老化XLPE电缆的运行寿命、减少和消除其主绝缘故障的发生。作者简介朱晓辉 高级工程师 1987年毕业于比利时K.U.Leuven,获硕士学位,现任天津市电力科学研究院副总工程师。主要研究领域为高电压技术和电力电缆技术。联系电话：022-24406388Email：223
