水树老化附件对XLPE电缆检测影响的研究

郑小虎

（国网荆州供电公司，湖北 荆州 434000）

1 研究背景

电力电缆在运行过程中受电应力或电缆制造上局部缺陷的影响，其绝缘介质会发生局部的电击穿和化学分解，使整体材料的绝缘性能下降，即电缆绝缘受到不同程度的老化。

为了对电缆老化状态进行评估，基于各种原理的电力电缆绝缘诊断方法相继被开发出来，但这些方法往往针对的是电缆本体的绝缘检测。在一条电缆输配电线路中，往往存在几十个中间接头和终端，电缆及电缆附件都会经受电场、机械应力以及外界环境的影响。随着运行时间的推移，电缆附件也势必会发生老化，同时，考虑到电缆附件中电场分布不均匀，在绝缘断口处存在电应力集中的现象，且电缆附件整体绝缘性能与现场手工制作工艺相关，电缆附件的老化状态在一定程度上要比电缆本体更加严重[1]。因此，研究电缆附件发生老化后对电缆本体检测的影响是必要的。

国内外学者研究表明，直埋中压电力电缆运行环境复杂，长期受到水分、电场、温度等因素的影响，XLPE电缆中水树的生长是不可避免的，水树枝是导致交联聚乙烯电缆绝缘寿命缩短的主要因素[2]。电缆附件的附加绝缘在恶劣环境下也会生成水树枝或电树枝老化，使介质损耗增大导致局部过热击穿。在中压电缆的水树研究中，发现水树老化XLPE电缆绝缘具有介电非线性现象，介电频谱和介电常数等电气参数对水树枝较为敏感。随着水树老化程度的增加，低频处的介质损耗因数会出现显著增高，低频下的介质损耗因数与XLPE电缆的水树枝具有强烈的相关性。在最新的IEEE Std.400.2—2013规程中，已明确提出采用低频下介质损耗因数作为评价电缆绝缘状态的重要指标。

本文中电缆及附件的老化因素主要考虑的是水树老化，建立电缆及附件等相关模型，以低频下的介质损耗因数反映水树老化附件对电缆本体绝缘的影响。

2 电缆及附件相关模型的建立

为了研究水树老化附件对电缆本体检测的影响，需建立电缆模型和附件模型，并将它们进行组合，设置了2组对照组。组1用来研究完好绝缘或水树老化附件对完好绝缘电缆在低频下介质损耗因数测量的影响，分别为完好电缆与完好附件组合、完好电缆与水树老化附件组合、无附件的完好电缆；组2用来研究完好绝缘或水树老化附件对水树老化电缆低频下介质损耗因数测量的影响，分别为水树老化电缆与完好附件组合、水树老化电缆与水树老化附件组合、无附件的水树老化电缆。

其中完好电缆与完好附件的组合是指2段完好绝缘的电缆中间由1个完好绝缘的中间接头所连接。同理，完好电缆与水树老化附件组合是指2段完好绝缘的电缆中间由1个水树老化的中间接头所连接。无附件的完好电缆是指2段完好绝缘电缆，中间没有中间接头。水树老化电缆与完好附件组合是指2段水树老化绝缘的电缆中间由1个完好绝缘的中间接头所连接。水树老化电缆与水树老化附件组合是指2段水树老化绝缘的电缆中间由1个水树老化的中间接头所连接。无附件的水树老化电缆组合是指2段水树老化电缆直接连接，无中间接头。

为了接近实际运行情况，电缆模型中每段电缆长度采用200 m，所选取的电缆为XLPE电缆，线芯面积为240 mm2，绝缘厚度为4.5 mm，额定电压为15 kV，适用于10 kV输电网络系统。

加拿大魁北克水力研究所的研究人员采用频域介电谱法对一些电缆接头和电缆终端进行了一系列的研究[3]。中间接头分为完好绝缘、人为老化和现场老化3种情况，通过实验测量获取每个附件在0.01 Hz下的虚部电容（C″）。因此，本文采用文献[3]中所提供的附件数据对电缆附件进行建立模型，J1为未老化预制接头附件，虚部电容为1 pF；J4为现场老化预制接头附件，虚部电容为4.6 pF。

2.1 完好绝缘的电缆建模

完好绝缘的单芯电缆可以等效为电阻电容并联电路，其中电阻R、电容C参数可以由式（1）求得：

式（1）中：σ为电导率；l为介质长度；Dc为线芯导体直径；Δ为绝缘厚度；ε0为真空介电常数；εr为介质相对介电常数。

2.2 完好绝缘的中间接头建模

完好中间接头采用文献[3]中J1预制接头。为了简化电缆附件存在电应力分布不均匀等复杂情况，可采用一定长度的完好绝缘电缆进行替代。

利用介质损耗因数定义和已获得未老化中间接头的虚部电容参数，利用式（2）可得附件的实部电容：

由式（1）可得单位长度完好电缆的电容为306.8 pF/m，完好电缆在0.01 Hz下介质损耗因数值取10-4。该中间接头等效完好电缆的长度为：

通过上述计算可得J1中间接头可等效为32.595 m长的完好绝缘电缆，进而可用已建立的电缆并联RC模型表征J1中间接头的参数电阻为R0(J1)、电容为C0(J1)。

2.3 水树老化的电缆建模

聚合物绝缘材料中会均匀地分布一些微小的空穴，在足够的电场应力下，水分会经过材料的无定型区渗透到自由体积空穴中，一段时候后会在小空穴中聚集起来，形成充水微孔。与此同时，聚合物基体受到电应力的挤压，充水微孔逐渐变成椭球形，电缆绝缘缺陷处容易形成高电场强度区，缺陷周围的XLPE分子链受到幅值不断变化的麦克斯韦应力的作用，电场畸变越严重处的XLPE材料分子链断裂越严重[4-5]。随着水分的侵入，水树以细枝的形态发展，逐渐形成水树通道和含水微孔。水树老化电缆截面可用双层环形介质表征，其中外围环形区域为水树区域，内部环形区域为完好绝缘区域。利用双层介质理论，含有水树的电缆绝缘可以表征为水树区域等效电阻电容并联，完好绝缘区域等效电阻电容并联，两者串联后即为含有水树的电缆绝缘等值电路。

水树电缆的模型受到水树长度及水树数量的影响。通常现场退出运行电缆中水树长度占到电缆绝缘总厚度的40%，对部分经过15～25年现场运行的电缆进行切片，最长水树已占到绝缘厚度的70%[6]。因此，考虑到最严重的情况，选取水树平均长度已达到绝缘厚度的70%，且水树均匀生长在绝缘层中的一个同心圆环区域。假设近似单个水树为圆柱形状，贯穿水树区域，水树均匀生长在厚度为0.5 mm的电缆片中，则单位厚度一周电缆中相当于n1个水树并联。1 m长度水树老化电缆相当于n2片电缆片并联而成，单位长度水树等效电阻、电容参数可通过模型计算得出。

2.4 水树老化的中间接头建模

水树老化中间接头参数选取现场老化预制接头J4。类似于完好绝缘的中间接头的建模方法，将水树老化中间接头等效为一定长度的水树老化电缆。已知0.01 Hz下现场老化预制接头J4的虚部电容为4.6 pF，因此利用水树老化电缆的模型参数计算0.01 Hz下介质损耗因数值，得到等效水树老化电缆的长度，最终获得等效并联的R、C参数。

2.5 各模型参数计算结果

通过计算获得各模型参数，200 m完好电缆等效并联R、C参数分别为3.3×1012Ω和61×10-8nF，水树老化电缆的等效并联R、C参数分别为6.6×109Ω和1.6×10-7nF。水树老化电缆的电阻参数远小于完好电缆的电阻参数，但老化电缆的电容参数大于完好电缆的。水树老化的电缆和附件等效R、C参数均发生了一定的变化。老化后电缆和附件的绝缘电阻减小，电容增大。

按照电缆及附件对照组的分类，将4种模型参数放入等效电路，完好电缆、水树老化电缆、完好附件、水树老化附件、无附件的完好电缆、无附件的水树老化电缆共计6种情况分别计算等效电路的参数，并求出在0.01 Hz下其整体介质损耗因数，分析水树老化附件对电缆本体检测的影响。

通过计算得出，完好附件对无附件的完好电缆的整体介质损耗因数的影响可以忽略不计；具备老化附件的完好电缆相比于具备完好附件的完好电缆，其介质损耗因数增大约1倍，但整体介质损耗因数量级仍保持在10-4数量级，具备老化附件的完好电缆对完好电缆的整体介质损耗因数的影响有限；拥有完好附件的老化电缆会减小无附件的老化电缆的整体介质损耗因数，拥有老化附件的老化电缆对无附件的老化电缆的影响可以忽略，不影响对电缆本体老化状态的评估。

3 结论

本文利用国外文献中电缆附件的测量数据，就低频介质损耗因数检测中电缆附件对电缆本体检测的影响进行了研究，建立了理想的完好附件、水树老化附件、完好电缆与老化电缆模型，针对附件绝缘完好、绝缘老化2种情况进行了讨论得出：完好附件对电缆整体介质损耗因数影响可以忽略，老化附件仅在电缆本体绝缘完好情况下会对电缆整体存在有限的影响，考虑到数量级增长很小，老化附件不会影响电缆整体介质损耗因数的测量。