基于IRC和逐级耐压法的110kV XLPE电缆剩余寿命评估*

刘刚 金尚儿 赵璐 吴亮 梁子鹏 黄嘉盛

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州510640;2.广州供电局有限公司 输电所，广东 广州510310)

XLPE 电力电缆具有电气绝缘强度高、机械性能优异及耐热性好等优点，广泛地应用于城市地下输配电网中［1-2］.据广州供电局不完全统计，目前有22.5%的110 kV XLPE 电缆运行时间超过10年.其中，20 世纪80年代年投入运行的110kV XLPE 电缆在广州电网已经服役20 多年，接近电力电缆设计寿命.

在电、热等作用下，XLPE 电缆的绝缘老化导致绝缘击穿，使供电线路突发停电. 为保障电网的安全、可靠地运行，需要准确了解XLPE 电缆的老化状态及合理评估其剩余寿命［3］.

评估XLPE 电缆绝缘老化状态常用的方法有等温松弛电流法、逐级耐压法、差示扫描量热法［4］. 差示扫描量热法通过测量试样和参比物的热流率与变化的温度的关系快速评定电缆寿命，但温度受到限制，因而在研究XLPE 绝缘老化方面存在一定缺陷［5］.逐级耐压法将宏观现象与微观机理联系到一起，直接判断电缆绝缘性能，能够较为准确地评估电缆寿命;等温松弛电流法利用了水树等缺陷引起的极化值与电缆本体极化值之比来反映电缆的老化程度［6］.

文中将等温松弛电流法与逐级耐压法相结合，综合评估110 kV XLPE 电缆的老化状态及剩余寿命.具体过程是采用等温松弛电流试验结果计算电缆样品的老化因子，评估电缆样品的老化状态;采用逐级耐压试验结果计算样品的剩余寿命;综合两个试验的结果对110 kV XLPE 电缆绝缘老化状态进行综合评估，并预测其剩余寿命.

1 电缆老化机理

电缆在运行过程中，在电、热及水分等因素的作用下，绝缘层发生老化，从而缩短电缆使用寿命［7］.

造成XLPE 电缆绝缘老化的重要原因有绝缘层的水树枝化与电树枝化［8］.若有微孔出现在绝缘层中或者有空隙存在于绝缘层与内、外半导电层间，在电场作用下会发生局部放电.杂质、微孔的存在使场强集中的位置发生局部放电导致碳化物的沉积，使新的高场强区和新的局部放电发生在新的缺陷附近，使电缆绝缘老化更加严重［9］. 若环境中的水分子渗入绝缘层，由于电场和水分子的双重作用，电缆半导电层的突起部分或绝缘层的杂质及缺陷处会出现水树枝［1］.当环境温度较高时，水树枝会明显氧化，其导致的吸水性和导电性提高会使电缆发生热击穿;当环境温度较低时，由于长时间的氧化，水树枝可能发展为电树枝而破坏电缆，使电缆老化［10］.另外，若电缆半导电层有突起部分或绝缘层存在缺陷或杂质，在较高的场强下，也会出现电树枝从而导致绝缘击穿，破坏电缆［11］.

2 寿命评估依据

2.1 等温松弛电流法原理

随着水树枝化和电树枝化的发展，该缺陷处界面极化强度不断增大，而电缆中其他界面极化强度基本不变［12］.等温松弛电流法利用这一特点，在同一温度下对XLPE 电缆进行直流预压，测量电缆的短路去极化电流I(t)与时间t 的关系.

根据Debye 理论以及交联聚乙烯绝缘的结构特点，将绝缘直流泄漏电流和时间常数不同的3个松弛电流之和视为等温松弛电流I(t)［6，13］，

式中，1为半导电屏蔽层同交联聚乙烯构成的界面极化时间常数，2为交联聚乙烯中的晶区和无定形区之间的界面极化时间常数，3为老化过程中交联聚乙烯与水树枝等引起的水合盐之间的界面极化时间常数，a1、a2及a3表示3 种界面极化的强度.为衡量电缆的老化强度，引入老化因子A［6］，

式中，

其中，Q(2)取决于电缆绝缘内晶体和无定形界面的极化，Q(3)取决于绝缘内老化导致的各类极化.

文中采用工程上得到普遍认可的德国电缆老化因子判据，德国判据如表1 所示［14］.

表1 老化因子A 与电缆击穿电压的关系Table 1 Relation between aging factor A and cable breakdown voltage

2.2 逐级耐压法原理

逐级耐压方法即通过施加一定的电压来模拟电缆在有一定负载情况下的状态. 按照不同的升压参数，如初始施加电压、电压比、加压时间、升压速度等，对不同试验组的电缆试样上分别施加工频电压，得到各试验组样品的击穿时间、击穿电压和逐级级数，逐级耐压试验升压曲线如图1 所示.

图1 逐级耐压试验升压曲线Fig.1 Boost curve in stepwise voltage test

威布尔分布认为，若1 链条由n个环组成，那么其中最薄弱环的寿命决定了该链条的寿命，这可描述交联聚乙烯绝缘电缆的击穿分布规律［15］.当电压或时间恒定时，得到时间和击穿电压的概率函数F(t)、F(E)［16］:

式中，E 为电缆处施加的电场，t 为电压持续施加时间，a 为时间概率函数的形状参数，b 为击穿电压概率函数的形状参数.取相同的累计击穿概率F(t)=F(E)，得

式中，b/a 定义为电缆的寿命指数n，结合当时的历史条件和生产能力，本实验中n 取9.

根据固体介质的累积效应，即由于电压的多次作用，交联聚乙烯绝缘材料发生一系列不完全击穿引起性能劣化而累积，使电缆绝缘完全击穿的效应，可以算出试验组电缆样品的预估寿命T［17］.

式中，Ei为第i 级的施加电压，Ti为第i 级施加电压的持续时间，U 为交联聚乙烯电缆的实际运行电压，T 为电缆的预估寿命.

3 实验与数据分析

3.1 实验方案

样品为6 根长20 m、中间带有接头的100 kV XLPE 电缆，截面为400 mm2.首先，对样品进行局部放电测试，确保后续的试验有效，局放结果符合国家标准GB/T 11017.2—2002. 局放试验通过后，将每根样品截成长、短两段，长度分别为15、5 m，其中长样品带有接头，并将样品进行编号，编号规则如图2所示.

图2 样品编号说明Fig.2 Number description of samples

将1 号未经电热老化的长样编号为LA1，将2号经电热老化的短样编号为SB2，实验流程如图3所示.

3.2 实验步骤

(1)长样试验步骤

对编号为LA1、LA2、LA3 的3个样品进行电热老化处理，使导体温度保持(90 ±3 ℃)，对其施加持续90 d 的100 kV 交流电压，样品没有被击穿. 对经电热老化处理后的样品重新编号为LB1、LB2、LB3，将编号为LB1、LB2、LB3，LA4、LA5、LA6 的6个样品

图3 实验流程图Fig.3 Flow diagram of the test

进行逐级耐压试验. 对样品施加持续15 min 的2.5U0交流电压，以后每一级所加电压增大0.25U0并连续加压15 min，直至样品绝缘击穿为止.记录每组试样的初始施加电压、每级电压持续时间、击穿电压和逐级级数，按式(5)计算样品的剩余寿命.在对1、2、3 号长样进行电热老化处理前后分别进行等温松弛电流试验，记录时间常数1、2、3，计算样品的老化因子A.

(2)短样试验步骤

对编号为SA-1、SA-2、SA-3 样品进行等温松弛电流试验，记录时间常数1、2、3，计算样品的老化因子A.

3.3 试验数据处理与分析

3.3.1 试验结果

等温松弛电流试验结果如表2 所示.

表2 等温松弛电流试验结果Table 2 Results of isothermal relaxation current test

逐级耐压法试验的击穿位置均发生在接头，结果如表3 所示.

表3 逐级耐压法试验数据Table 3 Stepwise voltage experimental data

3.3.2 结果分析

(1)长、短样的老化特点对比

将表2 的时间常数1、2、3，代入式(2)计算得到电缆样品的老化因子A，并根据表1 的德国判据，推测电缆样品的老化情况，如表4 所示.

表4 电热老化前等温松弛电流试验结果对比Table 4 Comparison of isothermal relaxation current test results of short samples before electric aging treatment

表4 为未经电热老化处理的长、短样电缆样品等温松弛电流试验结果对比.显然，未电热老化短样的老化因子均比相应的长样小，电缆本体的状态基本上优于接头的状态，接头的绝缘品质要比电缆的绝缘品质差.由于电缆接头制作工作量大，在绝缘带层间会出现气隙和杂质，而且电应力集中在绝缘屏蔽断口处，电缆接头绝缘材料更容易发生局部放电，从而加速老化，比电缆本体更容易被击穿.

电缆长样电热老化处理前后等温松弛电流试验结果对比如表5 所示.显然，电热老化处理后的老化因子均比老化前有所增加，说明电热老化造成电缆样品寿命降低.这是由于:经过老化，电缆去极化电流衰减速度变慢，随着绝缘老化，其内部缺陷与微孔逐渐增多，绝缘材料内部出现大量陷阱能级，电荷在进入陷阱后不容易从中脱离，反映为老化因子A 偏大，即电缆老化情况较严重，电缆的寿命降低.从等温松弛电流试验的结果来看，老化因子大多大于1.75，说明样品电缆大多老化程度较严重，处于中老年甚至严重劣化阶段.

表5 电热老化前后等温松弛电流试验结果对比Table 5 Comparison of isothermal relaxation current test results of samples before and after electric aging treatment

(2)电热老化处理前后样品剩余寿命对比

由表3 可比较样品LB1、LB2、LB3，LA4、LA5、LA6 的击穿电压和最后一击持续时间.可知进行电热老化处理的电缆样品发生击穿时加压逐级级数最低为7，最后一击持续时间较短，未进行电热老化处理的电缆样品发生击穿时加压逐级级数最低为8，最后一击持续时间较长. 这也再次说明了经电热老化处理的样品更易发生击穿，电缆的老化影响了电缆的使用寿命.

将表3 中数据代入式(5)计算得到电缆样品剩余寿命，如表6 所示.其中，U 分别取U0、1.15U0，U0=64 kV，1.15U0为110 kV 线路允许的最高相对电压.

表6 逐级耐压法计算所得电缆剩余寿命Table 6 Remaining life of the cable calculated by stepwise voltage test

在同一电压下，剔除异常数据后可以看出，各电缆剩余寿命在10 ～30年之间. 且在更高的电压下(1.15U0)电缆的剩余寿命降为U0下的1/3.这是由于电压增大时，电缆绝缘所受电场增大，使得绝缘老化速度加快，剩余寿命减少，表明在实际运行过程中，过高电压的运行条件下，电缆的老化速度将加快.

4 讨论

采用等温松弛电流法对长短样进行试验，结果表明长样的老化因子与短样相比较大，这是由于长样选用的是带接头的电缆本体，而接头在生产过程中会因杂质的掺入、气泡的存在等因素存在缺陷，因此在运行过程中更容易受到电热老化的影响，老化速度更快.

通过耐压法试验我们可以发现，试样的剩余寿命在额定电压下均在10 ～30年之间，而这部分试样来自运行20 多年的电缆，试验结果和电缆的设计寿命一致.

本试验将等温松弛电流法和耐压法结合起来，利用等温松弛电流法对电缆老化状况做一个趋势性判断，再根据耐压法的数据计算出电缆的具体剩余寿命，通过将两者结合一起对电缆的老化状况进行分析，指出样品的剩余寿命，为电缆的更新换代工作提供指导依据.

5 结论

(1)耐压法试验表明试样的剩余寿命在10 ～30年之间，电缆的运行时限和设计年限相匹配.

(2)电缆接头是电缆的薄弱环节，在运行过程中会更易受到电热影响而发生老化，导致绝缘击穿.

(3)等温松弛电流法可以利用老化因子对电缆的老化状况进行趋势性判断，而耐压法则提供具体剩余寿命，两者相结合可以更好地判断电缆的运行情况.

(4)1.15U0电压下和额定电压U0下相比，电缆的运行寿命减至1/3，因此在实际电网运行过程中应尽量避免过电压运行，以保证电缆的使用年限.

致谢:本论文数据全部来源于广州供电局输电管理所、上海电缆研究所、上海交通大学，得到广州供电局输电管理所的巨大帮助，在此表示感谢.

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