交联聚乙烯电缆中水树枝诊断的研究现状

孙辉，喻岩珑，王伟，高超飞

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；2.日照供电公司，山东日照276826）

近年来，随着我国城市电网的大面积改造，XLPE电缆被越来越多的应用于城市输电线路和配电网中，尤其是110/220 kV等一系列高电压等级的电缆得到了广泛的生产和应用[1]。通过分析电缆的事故原因，人们清楚的认识到树枝化是导致电力设备尤其是中高压电缆绝缘破坏的主要原因之一[2]。其中水树枝是树枝化的一种，在运行过程中一旦生成水树枝，其在生长过程中会随着其尖部场强的不断集中而转化为电树枝，而电树枝则可能使电缆绝缘层在短期内被击穿，从而发生事故。因此，研究电缆的水树枝对电网的安全运行具有重要意义[3]。本文就对XLPE电缆绝缘中的水树枝的诊断方法方面进行一些探讨。

1 水树枝的定义及产生机理

1.1 水树枝的定义

至今为止，人们尚未对水树枝做出准确的定义。但是，一般情况下，水树枝被认为是高分子有机绝缘物种的一种有液态导电物质（常见的是水）电导性老化现象。两电极之间的绝缘层中（如电极与绝缘交界面处）一旦存在某些液体导电物质，那么当此处场强超过一定值时，这些导电物质便会沿电场逐渐渗入绝缘层深处，形成类似树枝或树叶状的泄痕，称为水树枝[4]。而电气学会的技术报告则将水树枝定义为是聚乙烯类绝缘材料在长时间与水共存状态下因电场作用产生的，其形状为充满了水的各种树枝状的细微通道或气隙[5]。尽管人们对于水树枝表述各有不同，但最终均归结为水树枝是由水和电场的共同作用下产生的。

1.2 水树枝的类型

水树枝和电树枝一样具有较为明显的特征。一般情况下，水树枝呈现绒毛状一片或多片，而且片与片之间不一定是连续的[4]。按照水树枝发生的起点可将其大致分为以下几种类型：1）以电缆内半导电层为起点的内导型水树枝；2）以电缆外半导电层为起点的外导型水树枝；3）以绝缘中的气隙或杂质为起点的蝴蝶型水树枝[6]。

1.3 水树枝的产生机理

XLPE电力电缆绝缘在制造过程中不可避免的存在质量缺陷，如微孔、杂质及在运输、敷设、安装和运行过程中遇到的机械损伤等，这些因素会导致水分缓慢浸入绝缘层。由于水中含有很多水溶性导电离子，根据介电电泳效应原理可知，液体中介电常数较大的离子会向电场集中的地方运动，从而使水树枝尖端的电场愈加集中[7]。然而这种局部高电场部位将会引发电树枝，而一旦形成电树枝，绝缘则会在短期内击穿。

2 水树枝的诊断方法

近几十年来，随着人们越来越多的关注绝缘的水树枝老化，从而使水树枝的诊断方法层出不穷。目前国内外用于诊断水树枝的方法有很多，比较常用的有直流分量法、直流电压叠加法、电桥法、直流偏压法以及综合判断法等[8]。由于这些方法国内很多文献均已提及，且技术已趋于成熟，这里不再一一介绍。本文将介绍目前国内外正在不断研究和开拓的基于空间电荷测量诊断水树枝的几种方法。

2.1 电声脉冲法

研究发现，XLPE电缆绝缘中的水树枝发生位置与直流电压作用下空间电荷的分布有很大关系[9]。介质中空间电荷的存在能够很好的反映出水树枝的信息。因此我们可以通过测量介质中的空间电荷来确定水树枝的位置，而目前具有代表性的空间电荷测量方法是电声脉冲法（PEA）和压力波传播法（PWP）[10]。

电声脉冲法的基本原理是利用电脉冲的作用在介质中的空间电荷处产生机械应力，通过传感器将相应的机械波转换为电信号，经过对电信号的处理，获得空间电荷分布的信息[11]。文献[9]表明，研究人员首先利用电声脉冲法对电缆切片绝缘层中不同角度处的空间电荷进行测量，然后将切片染色处理后用显微镜直接观察水树枝，通过将两种检测结果进行比较发现，水树枝发生的位置均有空间电荷的存在。经过以上分析，我们可以发现，在不久的将来空间电荷的测量将会成为诊断电缆绝缘中水树枝的一个重要工具和手段。

2.2 剩余电荷法

剩余电荷法最初是1986年由日本电力工业中央研究所提出[12]，这种方法能够较为准确的判断绝缘中水树枝的位置。研究发现，如果电缆绝缘恶化是由水树枝引起，那么根据检测绝缘中的空间电荷量则可以有效的反映出水树枝的恶化程度[13]。

剩余电荷法的基本原理是首先在待检测电缆样品上施加直流电压用以积累电缆绝缘中的空间电荷，然后将电缆导体接地，此时绝缘中的部分电荷将会随之释放。然而那些存在于水树枝中的电荷并未被释放出来，而继续存在于绝缘中。最后在此电缆样本上施加交流电压，此时水树枝中空间电荷的释放现象将会更加明显，那么我们可以将此过程中的直流泄漏电流作为诊断水树枝的信号[14]，从而能够很好的判断水树枝的老化情况。

2.3 改进的剩余电荷法

由于剩余电荷法只能用于测量小段电缆绝缘中的水树枝，而不能检测长度较长的电缆，因此文献[15]提出了一种改进的剩余电荷法，也称为空间分辨率法。

所谓空间分辨率法，它也是通过在电缆上时间去极化电压用以在绝缘中产生空间电荷[16-18]，在这一点上它与上面提及的剩余电荷法大致相同。然而，不同的是，该方法使用尖脉冲将束缚在水树枝中的空间电荷释放出来[19-20]。通过将此脉冲作为去极化电压，我们则可以通过时间分辨脉冲响应确定水树枝发生的位置。

为了获得较长电缆绝缘中的空间电荷分辨率，响应必须很迅速[21-22]。当在电缆施加直流去极化电压之后，紧接着施加一个极性相反的脉冲电压，若此时能检测到一个尖锐的电流响应，则说明该电缆中有快速去极化发生，即其中有水树枝存在；反之，则没有。因此，该方法能够很好的检测电缆绝缘中是否存在水树枝老化。

3 比较

以上简要介绍了3种目前国内外基于空间电荷诊断电缆绝缘中水树枝的方法，本文对上述几种方法作了一些分析比较。

1）电声脉冲法测量要求对电缆样本施加陡脉冲波形，此时若测试系统的频带不够，那么将不可避免的带来过冲现象[23]。而系统中过冲的存在将会严重影响对电缆试样中空间电荷的分析，从而不能准确的反应出电缆绝缘中的水树枝。因此，为了避免发生过冲，则必须对电声脉冲法进行改进。

2）剩余电荷法能够对电缆中水树枝进行较为准确的诊断，但是这种方法只能对长度较短的电缆(如切片)进行诊断。而实际运行中的电缆长度都比较长，因此该方法暂时还不能应用于实际线路中。

3）改进的剩余电荷法则弥补了剩余电荷法的不足，能够诊断长度较长电缆绝缘中的水树枝，该方法能够很好的应用于工程实际中。由于目前该方法发展尚未成熟，处于改进和发展阶段，该方法今后将成为诊断电缆绝缘中水树枝的重要手段之一。

4 结语

本文简要介绍了水树枝的相关概念以及目前几种国内外基于空间电荷诊断电缆绝缘中水树枝的诊断方法。对于XLPE电缆绝缘水树枝诊断技术，目前在国内外仍在不断研究与发展之中。开展这项工作，不仅对保证电缆运行的可靠性有重要作用，而且具有显著的经济意义。

[1] 孙红梅，罗隆福，陆佳政，等.110/220 kV XLPE电缆绝缘在线监测方法的研究[J].高电压技术，2004，30(1)：28-30.

[2] 王乐，孙颖，汪辉平，等.绝缘材料水树产生及发展机理的研究现状[J].电线电缆，2006(6)：5-8.

[3] 耿江海，贾伯岩，郭猛.XLPE电缆水树的影响因素及防范措施[J].河北电力技术，2009,28(2):48-49.

[4] 周泽存，沈其工，方瑜，等.高电压技术[M].3版.北京：中国电力出版社，2007.

[5] 徐德明，徐瑜.交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术[J].惠州学院学报:自然科学版，2004,24(6)：46-50.

[6] 王元昌.交联聚乙烯_XLPE_电缆水树枝老化机理及试验方法[J].山东电力技术，2001(4):59-61.

[7] 刘彦君.基于残留电荷法的XLPE电缆水树老化诊断研究[D].天津：天津大学硕士学位论文，2008.

[8] 邱宏浩，江秀臣，曾奕.一种检测交联聚乙烯电缆绝缘中水树枝的装置[J].高压电器，2004,40(1):27-30.

[9] LIYing,JIROKawai,Yasumitsu Ebinuma,etal.Space Charge Behavior under ac Voltage in Water-treed PE Observed by the PEA Method[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1997,4(1):52-57.

[10] SUZUKI K,TANAKA Y,TAKADA T,et al.Corr-elation Between Space Charge Distribution and Water-Rree Location in Aged XLPE Cable[J].IEEE Tran sactionson Dielectricsand Electrical Insulation,2001,8(1):78-81.

[11] 王宁华，高斌，周远翔，等.一个实用电声脉冲法的空间电荷测量系统[J].电测与仪表，2004,41(467):12-15.

[12] LI Ying,MASATA KA YASUDA,TATSUO TAKADA.Pulsed Electro acoustic Method Measurement of Charge for Accumulation in Solid Dielectrics[J].IEEE Trans actionson Dielectrics and Electrical Insulation,1994,1(2):188-195.

[13] KON H,WATANABE K,MIYAJIMA K,et al.New Residual-Charge Measurement for Water-Tree Deteriorated Power Cable:Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,77-82,2003[C].Nagoya:Japan,2003.

[14] IWAO OOTAKA,MASARU AOKI,et al.Onsite Application and Improvement of Water Tree Deterioration Diagnosis for XLPE Cable by Residual Charge Method:2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis,April 21-24,2008[C].Beijing:China,2008.

[15] HIEI S,HOZUMIL N,KURIHARA T,et al.Uchida Fundamental.Study on Relaxation Processes of Water Tree in Aged Power Cables Aimed for Diagnosis with Spatial Resolution:Proceedings of 2008 International Symposium on Electrical Insulating Materials,September 7-11,2008[C].Yokkaichi:Mie,Japan,2008.

[16] 徐文.多次脉冲法在电缆故障查找中的应用[J].电力科学与工程,2009,25(11):77-78.

[17] 温定筠,吕景顺,范迪铭,等.交联聚乙烯（XLPE）电缆交流耐压试验时间参数探讨[J].电网与清洁能源,2010,26(8):15-17.

[18] 王星,尚涛,黄贤球,等.海南联网海底电缆护套绝缘监测方法[J].南方电网技术,2009,3(1):62-65.

[19] 任艳霞,刘明光,史雪明.电力电缆故障探测方法探讨[J].电力科学与工程,2008,24(1):30-33.

[20] 皮昊书.在线、离线检测方法在配电网电缆局部放电检测中的应用[J].南方电网技术,2010,4(1):134-137.

[21] 高超飞,王赞,隋恒,等.交联聚乙烯电缆中空间电荷的研究现状[J].电网与清洁能源,2010,26(8):29-33.

[22] 刘通,JOHN Fothergill,STEVE Dodd,等.交联聚乙烯电力电缆的介电损耗机理[J].南方电网技术,2010,4(5):7-14.

[23] 周凯，吴广宁，刘君，等.基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制[J].仪器仪表学报，2008,29(10):2110-2115.