基于残留电荷的高压电缆绝缘劣化性能研究

国网上海市电力公司市北供电公司 王 强 杨 腾 张 玥

对高压电缆绝缘性能进行研究开始于高压电缆的应用，电缆测试方法最初是通过油纸绝缘电缆实现测试目标的，能够适应电缆绝缘特性，最开始衡量绝缘性能的优良程度的策略是测量导体电阻的概况。基于此，针对绝缘电阻测量，部分学者投入研究之中，并取得了客观的成果，制定出符合标准的绝缘电阻兆欧表。借助于兆欧表能够对电缆相对地、相与相之间存在的绝缘电阻进行检测，这也为后来判断方法的发展提供一定参考依据与标准。经过研究，发展出新的判断策略，即介质损耗试验方法。通过此方法的应用能够有效地呈现电缆的损耗程度与级别。通过各个国家研究人员的探索与验证，发现这一策略在检测交联聚乙烯电缆水树老化概况具有较强的有效性。

1 高压电缆XLPE与水树分析

1.1 高压电缆XLPE结构分析

根据在输电线中常用的XLPE的电芯数量可以分为单芯XLPE和三芯XLPE，在110kV及以上电压等级中一般是使用单芯XLPE，这种结构主要由导电线芯、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、金属套和外层等构成，如图1所示。

1.2 高压电缆水树特性分析

在交联聚乙烯电力电缆XLPE运行中，容易出现“水树”的情况下，最早是发现在运行的直埋式交联聚乙烯电缆中，后来随着XLPE在电力传输中的应用越来越广，人们对电缆运行的安全要求也在逐渐提高，对水树的引发与生长机理、水树结构和相关特性进行了大量的研究。水树与电缆运行中出现的老化和故障有着紧密的关系，将水树和电缆的故障诊断结合起来对相关的技术进行了研究。

为了能够及时发现电缆绝缘层中的水树枝，避免电缆因为绝缘性能降低出现输电故障，现在使用较多的就是基于残留电荷法对不同的水树老化程度进行检测，并结合在绝缘电缆运行的过程中，电压频率和运行时间对残留电荷量的影响。

图1 高压电缆单芯XLPE结构

2 高压电缆绝缘性能研究方法

目前，国内外对交联聚乙烯电缆XLPE的绝缘性能研究主要有直流成分与叠加法、在线介质损耗角正切法、局部放电在线监测法和低频叠加法和接地线电流法。

2.1 直流成分与叠加法

如果在XLPE电缆绝缘层中产生了水树枝，电缆在交流电压的作用下由于水树枝具有一定的整流作用下，就会在电缆回路中产生直流分量，而且直流分量的大小与电缆绝缘层中产生的水树枝密度有着紧密的正相关关系，可以利用检测到的直流分量的大小对电缆的绝缘老化程度进行判断。

2.2 介质损耗角正切法

XLPE绝缘的介质损耗角正切tanδ很小，电压信号和电流信号相位测量难度较大，而且容易受到绝缘电阻的影响，测量精度还有待提高。对高压电缆绝缘介质损耗角进行分析，可以利用高压电缆的等值向量图进行分析，如图2所示。

图2 高压电缆绝缘等值相量图

2.3 局部放电法

局部放电法是利用了电缆局部放电量与绝缘性能之间的密切关系，并利用得到的电缆局部放电试验的测试结果对电缆的绝缘老化进行研究。

2.4 低频叠加法

低频叠加法是将低频电压接入电缆高压回路的高压端与地之间，为低频电流提供了流通的回路，在电缆和接地之间利用检测设备测量电缆的接地线上的低频电流。利用低频叠加法可以对绝缘电缆层进行等效电路分析，将电缆绝缘层看做是由电阻和电容并联的RC等值电路，可以利用等值电路对流过电缆绝缘层的低频容性电流Ic=UωC和阻性电流进行计算，根据得到的两种不同的电流值对电缆的绝缘性能进行评估。

2.5 接地线电流法

对电缆绝缘层中的水树枝进行研究，可以发现水树枝与电缆介质损耗角正切tanδ的大小有关，水树枝现象发展的同时，电缆介质损耗角正切tanδ增大，电缆中电容增量ΔC也增大，电缆的击穿电压UBD降低。通过电缆介质损耗角正切tanδ的变化可以知道电缆的绝缘老化情况，电缆绝缘层电容发生变化，会是电缆的接地电流ΔIg也会发生变化，可以利用检测设备对电缆的接地电流进行检测，根据检测到的电缆绝缘层上的接地电流的变化量ΔIg对电缆的绝缘老化情况判断。

3 高压电缆绝缘性能研究

3.1 绝缘劣化残留电荷研究

对XLPE绝缘性能进行研究，通过对出现的水树枝化的交联聚乙烯电缆的残留电荷进行分析，在XLPE绝缘中主要存在以下两种电荷。

3.1.1 离子型电荷

离子型电荷是在电缆绝缘层中出现水树枝后，积聚于水树枝顶端的由水分电离离子与杂质离子组成的电荷，这种电荷并不是稳定的，会随着XLPE存在的交变电场的变化产生周期性的变化，可以利用XLPE中的交变点成对离子型电荷进行控制。

3.1.2 陷阱型空间电荷

陷阱型空间电荷是电缆在直流电场的作用下，在电缆绝缘层中的水树枝尖端由于较高场强的电场在注入交联聚乙烯绝缘缺陷的陷阱中产生的电荷，这种电荷受XLPE中的绝缘层中的水树枝老化的程度影响，老化越严重，注入电荷的程度越严重。陷阱型空间电荷消除的难度较大，不能利用简单的两个电极短接的方法消除XLPE电缆中的陷阱型空间电荷，需要在较高的交变电场或是脉冲高电压的作用下才能对XLPE中的陷阱型空间电荷进行短暂消除。在工程测试中可利用陷阱型空间电荷和电缆绝缘性能之间的关系，对电缆的绝缘好坏进行判断，在电缆绝缘层中陷阱型空间电荷越少表明电缆的绝缘性能越好，反之则表明电缆的绝缘性能变差。

根据分析知道电缆的水树枝与电缆的绝缘性能有着密切的关系，对电缆水树枝进行研究可以间接地对电缆的绝缘状态进行评估。对电缆水树枝进行研究常用的方法的是等效电路模型和残留电荷法，这种方法的原理如图3所示。

在图3（a）中，当在电缆的电芯中施加直流电压Vdc时，根据残留电荷的等值回路知道，施加的直流电流会在电容C与Cx上会累积空间电荷。如果将施加的直流电撤除，而且将电缆的电芯接地，电容Cx上累积的空间电荷就会瞬间释放，但是电容C上累积的空间电荷Q=CR不能瞬间释放，需要按照时间常数τ=RC的速度释放，而且难以完全释放，会有部分电荷残留在电容C中，如图3（b）所示。利用同样的方法对在电缆的电芯上施加交流电压Vac，在交流电的作用下C上的空间电荷为Q0，在施加交流电后，对电缆的进行检测，可以得到电缆上的空间电荷量的计算式为：

图3 残留电荷法等值回路

在式（1）中，t为交流电压Vac作用的时间，Q0是施加交流电压Vac时绝缘电缆中的空间电荷量，Q（t）按照时间常数τ=RC从零增加到Q0，在电荷量增加的过程中逐渐趋于饱和。

电缆在运行中出现的水树枝具有非线性的特性，在对电缆施加交流电的过程中，由于水树枝的非线性，电缆的电阻是一个随着时间常数τ=RC变化，电容C上的空间电荷的释放速度也是逐渐变快，这个过程如图3（c）所示，可以通过检测等效回路中的直流电对空间电荷量进行计算，利用计算得到的电缆绝缘层中的陷阱空间电荷量对电缆的老化和绝缘性能进行判断，这种对电缆的绝缘检测方法就是残留电荷法。

3.2 绝缘劣化理化研究

绝缘劣化理化研究常用的方法有热重测试法、红外光谱测试法和机械性能测试法

3.2.1 热重测试法

热重测试法是根据测试的对象物质质量与温度之间的关系，通过控制温度得到两者的关系曲线的方法，即热重曲线，也成为TG曲线，这种方法的测试原理如图4所示。

图4 热重测试原理图

3.2.2 红外光谱测试法

红外光谱测试法是在红外技术发展后开始应用的一种测量方法，在测试时利用不同物质吸收红外光谱的不同，对物质的分子结构进行分析。电缆在运行过程中，如果出现了老化，电缆的构成微观结构会发生变化，而且还会产生新的物质成分，导致红外光谱出现变化。根据红外光谱可以对电缆的老化程度进行判断，常用的是傅立叶红外光谱测试法，原理如图5所示。

图5 傅里叶红外光谱测试原理图

3.2.3 机械性能测试法

机械性能测试法需要借助拉力机进行测试试验，通过力学拉伸机测试XLPE材料的断裂能数据，分析材料老化后弹性模量等力学参数的变化，对这些数据进行求平均值后进行统计，根据得到的测试数据对电缆老化进行分析，研究电缆结构发生的变化。机械性能测试法使用的是哑铃试样方法如图6所示。

图6 哑铃试样图

4 结语

本文主要对高压电缆XLPE的水树特性和绝缘性能进行了研究，分析了高压电缆XLPE的结构，并对电缆水树特性发生的原因和特点进行了分析，根据高压电缆绝缘中存在的离子型电荷和陷阱型空间电荷的特点，重点研究了绝缘劣化残留电荷和理化特性，总结了高压电缆绝缘性能相关的作用，为高压电缆的绝缘状态分析和运行维护提供了方法。