不同温度下受潮电缆终端头的绝缘状态研究

李巍巍，朱 轲，吴 驰，方 欣，朱 斌，袁 野，张雨津，贾志东，游 蛟（.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 60000；.清华大学深圳研究生院，深圳 58055）

不同温度下受潮电缆终端头的绝缘状态研究

李巍巍1，朱 轲1，吴 驰1，方 欣1，朱 斌2，袁 野2，张雨津2，贾志东2，游 蛟2
（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610000；2.清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

近年来，中压电力电缆在城市输配电网中得到了大量使用，然而电缆附件故障呈现逐年增加的趋势。电缆附件的制作和运行过程中，环境中的水分较易进入附件，导致受潮，从而影响其绝缘状态，最终引发绝缘故障。本文搭建了电缆温升试验平台，选取4条不同程度受潮的终端头的电缆，通过负荷温升试验，在不同温度下，测量受潮终端头的绝缘电阻和介质损耗角正切，研究终端头的绝缘电阻和介质损耗受温度、受潮程度影响的变化规律，进而研究受潮电缆终端头在不同温度下的绝缘状态变化情况。试验中，电缆终端头处出现了不同程度的排水现象。随着温度的升高，受潮终端头由于水分排出受潮程度减轻，绝缘状态逐渐上升；随着温度的继续升高，温度对绝缘材料的影响逐渐成为影响绝缘状态的主要因素，电缆终端头的绝缘状态逐渐下降。

XLPE电缆；受潮终端头；绝缘电阻；介质损耗角正切

引言

随着中国城镇化进程的加快，交联聚乙烯电力电缆得到了大量使用，其具有优良电气性能、耐热性能和机械性能且节约城市空间、不影响市容，在城镇输配电网中相对架空输配电方式优势突显[1]。为了便于生产运输，出厂的电力电缆一般长约几百米，铺设施工时，需要电缆附件来拼接数根电缆以及将电缆末端连接电力设备。因此，伴随电缆的大量铺设，电缆附件也得到了大量使用。电缆附件主要包括终端接头和中间接头，电缆附件是电缆系统最薄弱的部位，在施工和运行过程中，环境中的水分容易进入附件，加剧了电缆附件绝缘性能的劣化，从而引发绝缘故障[2, 3]。

作为电缆输配电网络的重要组成部分，终端接头的绝缘状态关系着整个系统的安全可靠运行。然而，敷设于地下的电缆长期运行在潮湿的环境中，有时甚至浸泡在水中，由受潮引起的电缆及其附件故障屡见不鲜[4-6]。电缆终端接头是电缆系统中密封性最薄弱的部位，潮气或水分较易侵入，进而引起终端接头及电缆的受潮。从生产制造、运输存储、敷设施工到运行，电缆及其附件均有可能发生受潮[5-7]。绝缘受潮最直接的后果是造成绝缘状态降低，当电缆发生高阻故障时，往往是由于电缆受潮所致。绝缘受潮会引起损耗增加，造成电缆局部过热，降低其负载能力，还会引起局部放电、水树枝劣化等现象[7]。目前，针对受潮电缆的去潮处理措施主要有大电流加热干燥和通干燥气体带走潮气两种方法[4-8]。

本文选取不同受潮程度的电缆，通过负荷温升试验，测量了不同温度下受潮电缆终端头的绝缘电阻和介质损耗，研究了受潮电缆终端头不同温度（负荷）下的绝缘性能变化情况，分析了终端头绝缘性能随温度和受潮程度综合影响的变化规律。

1　试验方案

1.1电缆负荷温升试验平台

电缆负荷温升试验平台由升流系统、温度监测系统构成。基于电磁感应原理的升流系统通过升流线圈和闭合的试验电缆回路构成电磁耦合，为试验电缆回路提供持续的大电流，使试验电缆终端头达到较高的试验温度。温度测量系统通过温度传感器采集电缆终端头位置的测温点，并由记录仪实时连续记录。

1.2试验样品

为了研究受潮电缆终端头在不同温度下的电气状态变化规律，选取4条10kV XLPE电缆。电缆编号分别为P1、B1、Z1、Z3。其中P1、B1为退运电缆，Z1、Z3是从仓库中选取的未投运新电缆。这4条电缆的电缆终端头普遍有不同程度的受潮情况，其中P1电缆终端头受潮最为严重。四条受潮电缆终端头均为硅橡胶冷缩户内终端，电缆的具体信息如表1所示。

1.3试验温度设置及监测

试验温度的设置需要考虑受潮电缆终端头中潮气和水分的排出程度随温度的升高而改变。此外，当温度达到一定程度时，XLPE材料的特性会发生变化，可能会对XLPE电缆的电气性能造成影响[3]。为了设置合理的试验温度，将电缆主绝缘XLPE切成试片进行差示扫描量热分析。

XLPE材料的DSC曲线在105~110 ℃间存在一个极小值，说明XLPE材料在该处出现了明显的吸热过程。该吸热过程反映了XLPE材料在该温度下发生了晶体熔化，晶体熔化会导致XLPE材料的特性发生变化，从而影响XLPE电缆的整体电气性能。因此试验时需要考虑这个温度点，以考察电缆在XLPE材料特性发生变化前后的电气状态。

综合考虑潮气和水分的影响，以及材料特性的改变，最终共设置4个试验温度，分别为常温、50 ℃、100 ℃、130 ℃，其中100 ℃和130 ℃分别位于105 ℃的上下两个区间，以便考察XLPE电缆的电气性能是否会因为材料特性的改变而发生明显的变化，130 ℃是为了模拟电缆在过负荷情况下电缆终端头的温度。

试验时，需要对受潮电缆终端头的温度进行实时监测。温度监测采用型号为TP-700的温度记录仪，选用Pt 100型热电阻温度传感器，实际测试时，传感器粘贴于线耳处。由于介损测量仪和电子式绝缘电阻表均会对试验电缆施加5 kV以上高压，而温度传感器只能承受最高500 V的电压，因此测试前必须去掉温度传感器。

1.4试验方法

表1　试验电缆基本信息

对受潮电缆终端头的加热采用内热法，利用负荷温升试验平台的升流系统在电缆回路中产生感应电流，从而对电缆终端头进行加热。在测试绝缘电阻和介损前需要进行一系列的操作，首先去除电缆回路中的感应电流，解开电缆回路，然后连接试验电缆和测试设备，最后去掉温度传感器。在这一系列的操作过程中，试验电缆终端头的温度会有所下降。因此在卸去感应电流前，需要让终端头的温度比实际测试温度高5~10 ℃左右。

2　试验现象

本次试验中，受潮终端头出现了不同程度的排水现象。随着试验温度的升高，排水现象依次呈现为水滴、水流和喷射三种形式，排水速度随温度升高而加快。当试验温度为50 ℃时，终端头冷缩管端部有水滴流出；当试验温度升至100 ℃时，终端头的排水现象由断续水滴变为连续的水流，排水速度加快；当温度升至130 ℃时，高温将水加热到很高温度，水蒸发加快形成水汽，处在狭小空隙处的水汽形成喷射状的水流。

3　试验结果分析

3.1绝缘电阻

绝缘电阻测试采用电子式绝缘电阻表，其量程为200 GΩ，所加测试电压最高为5 kV。绝缘电阻测试包含了两地线间的绝缘电阻和各相线芯对地的绝缘电阻。实际测试时，采用5 kV电压档进行绝缘电阻测试。将各相电缆终端头绝缘电阻测试结果绘制成曲线，具体结果如图1至图4所示。

由图1至图4可以看出，4条试验电缆的两地线间绝缘电阻均为零，表明钢铠和铜屏蔽间的绝缘存在受潮问题。电缆P1、B1终端头各相的绝缘电阻随温度先上升后下降。这可能是由于随着温度升高，水分排出导致绝缘电阻上升，水分基本排出后，温度的升高导致绝缘电阻下降。电缆Z1、Z3终端头各相的绝缘电阻基本随温度升高而下降，这可能是由于过高的温度对绝缘材料（交联聚乙烯、硅橡胶）的性能产生了严重影响，导致绝缘电阻的降低。

3.2介质损耗角正切

图1　P1电缆终端头绝缘电阻

图2　Z3电缆终端头绝缘电阻

图3　B1电缆终端头绝缘电阻

图4　Z1电缆终端头绝缘电阻

采用AI-6000介损测试仪对试验电缆终端头进行介质损耗角正切的测量，由于测试时间比较集中，可忽略环境变化的影响。利用MATLAB将所测得的实验数据绘制成三维图，其中x轴为测试电压，y轴为试验温度，z轴为介质损耗角正切值tanδ/%，如图5至图8所示。

图5　电缆P1终端头各相介损

图6　电缆B1终端头各相介损

图7　电缆Z1终端头各相介损

图8　电缆Z3终端头各相介损

根据图5至图8，4条电缆的受潮终端头各相的介损大部分呈现相同的规律，先随温度的上升而急剧下降，然后下降趋势逐渐放缓，在到达转折温度后介损开始随温度的上升而增大。对各受潮电缆终端头的转折温度进行统计，发现P1 A、B两相和Z3 B相的转折温度均在100 ℃；Z3 A、C两相，B1 A、C两相，Z1三相的转折温度均在50 ℃；P1 C相，B1 B相则未见转折温度。

在试验温度达到转折温度前，受潮电缆终端头的介损随温度的上升而下降。这说明受潮电缆终端头内部的潮气和水分随试验温度的上升而逐渐排出后，受潮程度减轻，介损得到明显恢复。试验温度达到转折温度后，受潮电缆终端头中的潮气和水分已经大部分排出，内部潮气不会再随温度的增加而大量排出。因此受潮电缆终端头中潮气和水分的变化已经不再是影响介损的主要因素，而绝缘材料（交联聚乙烯、硅橡胶）受温度的影响则成为终端头介损变化的主要因素，故介损随温度的升高而增大。

从上面4幅图中还可以看出受潮电缆终端头各相的转折温度并不一致。这是由于电缆终端头各相中潮气和水分的初始含量不同，并且每相中潮气和水分的排出速度也有差异，而转折温度的出现需要电缆终端头中的潮气和水分大部分排尽，因而造成了受潮电缆终端头各相转折温度的不一致。通过对比分析图中各相的转折温度，可以得到转折温度出现的基本规律。受潮电缆终端头初始潮气和水分含量越少，潮气和水分排出速度越快，其转折温度相对越低；初始潮气和水分的含量越多，潮气和水分排出速度越慢，其转折温度相对越高，甚至在达到试验温度的最大值（130 ℃）时，仍未出现转折温度。

4　结论

本文基于负荷温升试验平台，利用内热法将4条不同程度受潮的XLPE电缆终端头加热至不同试验温度。通过测试不同试验温度下受潮电缆终端头的绝缘电阻和介质损耗，获得了受潮电缆终端头的电气状态随温度和受潮程度综合影响的变化规律。升温过程中，受潮电缆终端头各相均出现不同程度的渗水现象，说明试验温度设置合理，内热法能够有效使受潮电缆终端头中的潮气和水分排出。渗水量较大说明试验电缆终端头在退运前就已经大量进水，而非空气中潮气的侵入。电缆终端头一旦受潮进水后，如果不是受到高温或其他外界因素影响，终端头内部的水分无法大量排出。大量水分淤积在终端头内部，短时间内并不会导致电缆终端头绝缘的急剧劣化。即使是内部含有大量水分的严重受潮电缆终端头，在正常负荷情况下也可能运行很长时间而不发生绝缘故障。但是在长期运行过程中，终端头内部的潮气和水分会逐渐破坏绝缘，最终导致绝缘故障。通过检测受潮电缆终端头的绝缘电阻和介损可以从一定程度上反映终端头的受潮状况。基于试验结果和分析，可得如下结论：

1）随着受潮电缆终端头内部温度的升高，潮气和水分会逐渐排出。潮气和水分的排出速度与试验温度及受潮程度相关；

2）潮气和水分逐渐排出后，受潮电缆终端头的绝缘电阻会得到改善。但当潮气和水分一定程度排出后，绝缘材料受温度影响严重，绝缘电阻随温度升高而下降；

3）受潮电缆终端头的介质损耗角正切值会随试验温度的上升出现先减小后增大的趋势。转折温度同受潮电缆初始含水量和水分排出速度有关。

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Research on Insulation Condition of Damp Cable Joint under Different Temperatures

LI Wei-wei1， ZHU Ke1， WU Chi1， FANG Xin1， ZHU Bin2， YUAN Ye2， ZHANG Yu-jin2， JIA Zhi-dong2， YOU Jiao2
（1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute， Chengdu 610000；2. Graduate School at Shenzhen， Tsinghua University， Shenzhen 518055）

In recent years， medium voltage power cable has been widely used in the transmission and distribution network. However， the fault rate of cable accessories increases year by year. During the fabrication and running of cable accessories， the moisture can easily enter into cable accessories and make it damp， which will influence the insulation condition and lead to the failure of cable. In this paper， the temperature-rise test platform for cable was built， and four cables with damp cable joints were selected. The insulation resistance and dielectric loss tangent under different temperatures were measured to study the variation law of insulation resistance and dielectric loss tangent influenced by temperature and damp degree. There was evaporation of moisture during the test. With the rise of temperature， the damp degree of joint was mitigated， and the insulation conditions improved， due to the evaporation of moisture. As the temperature continued rising， the effect of temperature on the insulating materials gradually become the main factor affecting the state of insulation， and the insulation conditions went down.

XLPE cable； damp joint； insulation resistance； dielectric loss tangent

TM855

J

1004-7204（2016）04-0006-06

李巍巍（1984），女，高级工程师，博士，目前主要从事电气设备状态监测评估，电力电缆击穿、老化及故障诊断技术等方面的研究。

国家自然科学基金（51477085）；国网四川省电力公司2015年科技项目（521997150009）