交联聚乙烯水树老化电缆电气性能与水树区域含水量的关系

(四川大学电气工程学院，四川 成都 610065)

0 引 言

水树是导致XLPE电缆老化的重要原因之一[1-5]。在电缆敷设及运行过程中，在机械外力作用下电缆外护套可能发生破损，导致水分侵入电缆绝缘，并进而引发水树。如何有效诊断水树老化电缆是业界共同面临的问题。相比于传统的老化电缆介电性能测试方法，如直流成分法、直流叠加法、谐波分量法等，极化-去极化电流(polarization-depolarization current，PDC)法因其具有测试时间短、准确度高等优点，近年来在水树老化电缆诊断中得到广泛应用。

已有研究表明，采用PDC法中不同的测量或拟合参数能够诊断出具有水树老化的电缆并且判断水树电缆老化程度。例如，文献[6]研究表明低频介质损耗谱不仅能发现桥接绝缘较长的水树老化缺陷，而且能诊断出绝缘受潮或长度较短的水树。文献[7]提出利用直流电导率和非线性系数变化判别电缆绝缘中的水树老化问题。文献[8]认为PDC方法获取的低频介电响应谱和电导率能较好地判定电缆绝缘状态，DONL非线性系数能较好地分辨绝缘水树老化与受潮情况。另外，文献[9]提出利用PDC测量中的低频介质损耗与直流电导率非线性特性判断水树老化电缆以及判断水树长度。然而，该文献尚未研究水树含水量和水树电缆电气性能之间的关系。水树区域含水量直接关系着水树区域的介质损耗和电导率大小，然而在水树生长过程中水树区域的含水量是如何变化的，其是如何影响水树电缆的电气性能的，值得进一步研究。

下面，为了研究水树不同生长阶段水树区域的含水量变化，通过制作A、B、C三组有针孔缺陷的XLPE电缆样本，分别对其进行为期30 d、60 d、90 d的加速水树老化。同时利用显微镜观测水树的形态及生长速度，利用红外光谱仪测量样本水树区域含水量，利用PDC测量样本不同老化时期的直流电导率和0.1 Hz介损。通过观测及测试结果，分析水树电缆电气性能和含水量之间的关系。

1 实验设置

1.1 电缆样本制作及加速水树老化实验

实验选用YJV223×95 8.7/10 kV的交联聚乙烯电缆制作实验样本。去掉电缆的外护套、钢铠、防水层、铜屏蔽层，截断成大约40 cm长的短电缆。在短电缆的一端露出大约2 cm的缆芯，同时两端约10 cm的外半导电层，以防止加压老化时出现沿面放电。在中间保留外半导电层的区域，用钢针均匀垂直扎下间隔0.5 cm、深度约3 mm的针孔。最后，套上热缩管并将其两端密封，作为容器以便储存饱和NaCl溶液。在电缆缆芯上施加有效值为7.5 kV、频率400 Hz的正弦高压对电缆样本进行加速水树老化。加速水树老化实验原理如图1所示[1-4]。

图1 加速水树老化实验原理

1.2 PDC测试

为研究水树样本老化过程中的电气性能变化，采用PDC法对样本的0.1 Hz介质损耗和直流电导率进行测试。测试时先剥除电缆样本热缩管，之后将直流高压电极和电缆缆芯连接，并在电缆外半导电层包覆铜带接地电极进行测量。测量中极化时间和去极化时间均为90 s[10]。

1.3 显微观测

待电缆样本老化到一定时间，随机选取实验组中的一根短电缆，将电缆绝缘切成厚度大约100 μm的薄片，在90 ℃的温度下浸在亚甲基蓝溶液中染色30 min。待充分染色之后，将薄片外表擦拭干净，放置在显微镜下，使用64倍放大倍数，分别观察水树形态并统计针孔尖端最长水树长度。下面提及的水树形态和水树尺寸是将每组XLPE薄片样本上所有针孔切片后染色观察、统计分析得出的。

1.4 红外光谱仪测试

为了研究电缆样本水树区域的含水量，水树老化结束后对三组老化样本分别进行红外检测。检测过程如下：利用切片机在垂直于样本表面的方向上沿针孔边缘将电缆切为薄片，在针孔正前方水树区域取点进行红外光谱(infrared spectrometer，IR)分析，得到样本的红外光谱。

2 实验结果

2.1 PDC测试结果

样本的PDC测试结果如图2所示，水树老化30 d以前，样本介质损耗因数较低，约为0.5%，而在老化30d后样本介质损耗因数开始快速上升；类似地，老化30 d前水树老化样本和受潮样本(仅浸泡在水中)的直流电导率基本相同，而在30 d后水树老化样本的直流电导率显著高于受潮样本。上述结果说明，水树老化30 d后样本的电气性能开始显著下降。

图2 样本电气性能变化

2.2 水树分析

A、B、C三组样本(分别对应30 d、60 d、90 d)中的水树形态如图3所示。由水树形态统计水树尺寸，三组样本中的水树尺寸及生长速率统计结果如图4所示。

图3 三组样本水树观测

图4 三组样本水树尺寸及生长速率变化

由图3和图4可知：老化30 d时水树长度为229.2 μm，水树生长速率较高，达到了7.64 μm/d。老化30～60 d，水树生长速率显著降低，仅为1.24 μm/d。水树长度基本维持不变，但水树染色加深。老化60～90 d，水树生长速率再次加快，为7.92 μm/d，老化90 d时水树长度显著增加至504 μm。

2.3 IR检测结果

三组样本的IR检测结果如图5所示。根据IR谱图中3400 cm-1水分吸收特征峰统计三组样本水树区域含水量[11]。统计结果如表1所示。由表1可知，老化30 d时水树区域含水量较低，而老化60 d后水树区域含水量显著增加。

图5 三组样本水树区域IR结果

表1 三组样本水树区域含水量统计

2.4 实验结果分析

从以上试验可以看出：

A组：水树老化30 d以前，虽然水树平均长度较长(229.2 μm)，但水树区域染色较浅，含水量较小(0.000 4)，因而此时样本的介质损耗因数和电导率较小，由图2可见。

B组：水树老化至60 d时，虽然水树长度增加不多(增加至266.4 μm)，但水树区域染色明显变深，含水量显著增加(从0.000 4增加至0.001 6)，因而此时样本的介质损耗因数和电导率显著增加，分别增加至5.5%和2.0×10-12S/m。

C组：水树老化至90 d，样本水树长度(504 μm)和染色深度进一步增加，水树区域含水量(0.002 7)继续增加，因而样本的介质损耗因数和电导率继续增加，分别达到8.1 %和7.0×10-12S/m。

由此可见，水树老化电缆的电气性能和水树长度不呈正相关关系，而和水树区域含水量具有密切关系。当水树区域含水量较低时，电缆电气性能较好，而当水树区域含水量显著增加时，电缆电气性能将显著降低。

3 结 语

前面通过电缆加速老化实验，利用PDC测试、显微观测及红外光谱仪测量，研究了水树老化电缆电气性能和水树长度及水树区域含水量之间的关系，得出以下结论：

1)水树老化电缆电气性能和水树长度不呈正相关关系。

2)水树老化电缆电气性能和水树区域含水量关系密切。当水树区域含水量较低时，电缆电气性能较好，而当水树区域含水量显著增加时，电缆电气性能将显著降低。