浅谈交联聚乙烯电缆绝缘缺陷成因和耐压试验方法

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1、浅谈交联聚乙烯电缆绝缘缺陷成因和耐压试验方法【摘要】本文对交联聚乙烯电缆（XLPE）的绝缘层在潮湿和电场同时作用下会产生水树枝及电树枝绝缘缺陷成因进行了简要分析。同时，为了能防止这种情况的发生，对比分析两种判断交联聚乙烯电缆绝缘老化程度的耐压试验方法的优缺点。【关键词】交联聚乙烯；XLEP；水树枝；电树枝；直流耐压；交流耐压电力电缆经常作为发电厂、变电所及工矿企业的动力引入（或引出）线，在城乡电网中大量使用。聚乙烯（PE）由于其良好的电、热和机械性能而广泛应用于电力电缆绝缘，特别是交联聚乙烯（XLPE）绝缘。目前，在国际和国内已有越来越多的交联聚乙烯

2、（XLPE）绝缘的电力电缆替代原有的充油油纸绝缘的电力电缆。XLPE电缆以其合理的结构、工艺以及优良的电气性能等优点，在国内外被越来越广泛使用。但是，近年来的运行和研究表明，交联电缆的绝缘材料长期在潮湿环境下运行，由于水的渗透、饱和、凝结现象，会在半导电层的凸起、杂质等缺陷处引发水树枝。水树枝老化是聚烯电力电缆在潮湿环境下发生绝缘击穿的主要诱因，水树枝发展到一定程度就会在水树枝的尖端引发带电树枝放电，造成绝缘老化、损伤，影响电缆的绝缘性能，危及电缆安全运行。因此，充分认识交联电缆的绝缘特性，对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。一、XLPE

3、绝缘缺陷的主要形式及成因1、水树枝水树枝［1］主要是由于在绝缘体中不规整部位（如在绝缘/半导电层表面）的水分产生局部凝缩；同时在电缆制造过程中和从外部环境侵入的少量的水在绝缘物中是均匀分布的。但水分子在电场作用下，因极化而产生极化迁移，被不规整部位所吸引，逐渐积累产生水气的局部过饱和状态。在不规整部位的微空隙和多孔性不纯物的自由空间产生的液态的水，浸入XLPE绝缘，在电场作用下形成树枝状物。水树枝的特点是引发树枝的空隙含有水分，且在较低的场强下发生。水树枝的数量随环境相对湿度的提高而增加，同时电压越高，水树枝发展速度越快。线芯进水的电缆、绝缘层中含有

4、水分的电缆以及水中运行的电缆很容易引发水树枝。（如图1）2、电树枝电缆在运行过程中，绝缘易造成老化破坏，主要是由于绝缘内部放电产生细微开裂，形成细小的通道，其通道内空,管壁上有放电产生的碳粒痕迹，呈冬天树枝状，分支数少而清晰，从而形成电树枝俗称电树。XLEP电缆在敷设和运行期间，当机械应力或外力造成电缆护套及绝缘损伤或接头损坏时，潮气或水分就会沿着线缆纵向和径向间隙浸入，致使XLEP电力电缆绝缘在运行电压下生成水树枝的概率迅速上升。水树枝生长到一定长度即会在水树枝尖端引发永久性电树枝缺陷，并在较短时间内导致电缆绝缘击穿，造成停电事故。（如图2）图1水

5、树枝形成过程图2电树枝形成过程电树枝往往在绝缘内部产生细微开裂，形成细小的通道，并在放电通道的管壁上产生放电后的碳化颗粒。水树枝的产生，将会使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降。因此，电缆中的电树枝和水树枝对电缆的电气性能将会带来严重的故障隐患。二、交联聚乙烯电缆的试验方法在电力系统预防性试验中，虽然对电力设备进行了一系列非破坏性试验，能发现很多绝缘缺陷。但因其试验电压较低，往往对某些缺陷，特别是局部缺陷还不能检出。这对保证安全运行是不够的。为了进一步暴露电力设备的绝缘缺陷，检测设备绝缘水平（称电力设备绝缘耐受电压能力的大小为绝缘水平，通常用试验电

6、压表示）和确定能否投入运行,有必要进行破坏性试验即耐压试验［2］。根据《规程》规定,现场电力设备绝缘预防性试验中的破坏性试验有交流耐压试验和直流耐压试验。1、XLPE在交、直流电压下的电场分布不同。在直流电压作用下，XLPE绝缘层内电场强度是按照电阻率分布的，而XLPE电缆绝缘层中的材料含有很多成分，其电阻率分布是不均匀的，同时电阻率受温度等因素影响比较大。这就可能在直流试验过程中出现绝缘层有的地方电场很强，有的地方电场却比较弱的情况，导致局部绝缘击穿。而在交流电压下，XLPE绝缘层内的电场强度是按介电常数反比例分配的，XLPE的介电常数受温度变化影

7、响较小，因此种分配比较稳定。除此以外，由于电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。2、由于XLPE绝缘介质的体积电阻率很高，达1017Q•m以上，在直流电场作用下，容易产生和聚集空间电荷，使得XLPE介质中局部缺陷处的电场发生畸变，局部电场强度急剧增强至10倍以上，达到30kV/mm,远远超过电缆介质的击穿场强而导致介质局部击穿，形成介质树枝状不可逆早期劣化，

8、甚至发生击穿故障。3、XLPE电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，存储积累单极性残余电荷。一旦有了由于直流耐