不同溫度下受潮電纜終端頭的絕緣狀態(tài)研究

李巍巍，朱 軻，吳 馳，方 欣，朱 斌，袁 野，張雨津，賈志東，游 蛟（.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 60000；.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 58055）

不同溫度下受潮電纜終端頭的絕緣狀態(tài)研究

李巍巍1，朱 軻1，吳 馳1，方 欣1，朱 斌2，袁 野2，張雨津2，賈志東2，游 蛟2
（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610000；2.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

近年來(lái)，中壓電力電纜在城市輸配電網(wǎng)中得到了大量使用，然而電纜附件故障呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。電纜附件的制作和運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境中的水分較易進(jìn)入附件，導(dǎo)致受潮，從而影響其絕緣狀態(tài)，最終引發(fā)絕緣故障。本文搭建了電纜溫升試驗(yàn)平臺(tái)，選取4條不同程度受潮的終端頭的電纜，通過(guò)負(fù)荷溫升試驗(yàn)，在不同溫度下，測(cè)量受潮終端頭的絕緣電阻和介質(zhì)損耗角正切，研究終端頭的絕緣電阻和介質(zhì)損耗受溫度、受潮程度影響的變化規(guī)律，進(jìn)而研究受潮電纜終端頭在不同溫度下的絕緣狀態(tài)變化情況。試驗(yàn)中，電纜終端頭處出現(xiàn)了不同程度的排水現(xiàn)象。隨著溫度的升高，受潮終端頭由于水分排出受潮程度減輕，絕緣狀態(tài)逐漸上升；隨著溫度的繼續(xù)升高，溫度對(duì)絕緣材料的影響逐漸成為影響絕緣狀態(tài)的主要因素，電纜終端頭的絕緣狀態(tài)逐漸下降。

XLPE電纜；受潮終端頭；絕緣電阻；介質(zhì)損耗角正切

引言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，交聯(lián)聚乙烯電力電纜得到了大量使用，其具有優(yōu)良電氣性能、耐熱性能和機(jī)械性能且節(jié)約城市空間、不影響市容，在城鎮(zhèn)輸配電網(wǎng)中相對(duì)架空輸配電方式優(yōu)勢(shì)突顯[1]。為了便于生產(chǎn)運(yùn)輸，出廠的電力電纜一般長(zhǎng)約幾百米，鋪設(shè)施工時(shí)，需要電纜附件來(lái)拼接數(shù)根電纜以及將電纜末端連接電力設(shè)備。因此，伴隨電纜的大量鋪設(shè)，電纜附件也得到了大量使用。電纜附件主要包括終端接頭和中間接頭，電纜附件是電纜系統(tǒng)最薄弱的部位，在施工和運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境中的水分容易進(jìn)入附件，加劇了電纜附件絕緣性能的劣化，從而引發(fā)絕緣故障[2, 3]。

作為電纜輸配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，終端接頭的絕緣狀態(tài)關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。然而，敷設(shè)于地下的電纜長(zhǎng)期運(yùn)行在潮濕的環(huán)境中，有時(shí)甚至浸泡在水中，由受潮引起的電纜及其附件故障屢見(jiàn)不鮮[4-6]。電纜終端接頭是電纜系統(tǒng)中密封性最薄弱的部位，潮氣或水分較易侵入，進(jìn)而引起終端接頭及電纜的受潮。從生產(chǎn)制造、運(yùn)輸存儲(chǔ)、敷設(shè)施工到運(yùn)行，電纜及其附件均有可能發(fā)生受潮[5-7]。絕緣受潮最直接的后果是造成絕緣狀態(tài)降低，當(dāng)電纜發(fā)生高阻故障時(shí)，往往是由于電纜受潮所致。絕緣受潮會(huì)引起損耗增加，造成電纜局部過(guò)熱，降低其負(fù)載能力，還會(huì)引起局部放電、水樹枝劣化等現(xiàn)象[7]。目前，針對(duì)受潮電纜的去潮處理措施主要有大電流加熱干燥和通干燥氣體帶走潮氣兩種方法[4-8]。

本文選取不同受潮程度的電纜，通過(guò)負(fù)荷溫升試驗(yàn)，測(cè)量了不同溫度下受潮電纜終端頭的絕緣電阻和介質(zhì)損耗，研究了受潮電纜終端頭不同溫度（負(fù)荷）下的絕緣性能變化情況，分析了終端頭絕緣性能隨溫度和受潮程度綜合影響的變化規(guī)律。

1　試驗(yàn)方案

1.1電纜負(fù)荷溫升試驗(yàn)平臺(tái)

電纜負(fù)荷溫升試驗(yàn)平臺(tái)由升流系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。基于電磁感應(yīng)原理的升流系統(tǒng)通過(guò)升流線圈和閉合的試驗(yàn)電纜回路構(gòu)成電磁耦合，為試驗(yàn)電纜回路提供持續(xù)的大電流，使試驗(yàn)電纜終端頭達(dá)到較高的試驗(yàn)溫度。溫度測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器采集電纜終端頭位置的測(cè)溫點(diǎn)，并由記錄儀實(shí)時(shí)連續(xù)記錄。

1.2試驗(yàn)樣品

為了研究受潮電纜終端頭在不同溫度下的電氣狀態(tài)變化規(guī)律，選取4條10kV XLPE電纜。電纜編號(hào)分別為P1、B1、Z1、Z3。其中P1、B1為退運(yùn)電纜，Z1、Z3是從倉(cāng)庫(kù)中選取的未投運(yùn)新電纜。這4條電纜的電纜終端頭普遍有不同程度的受潮情況，其中P1電纜終端頭受潮最為嚴(yán)重。四條受潮電纜終端頭均為硅橡膠冷縮戶內(nèi)終端，電纜的具體信息如表1所示。

1.3試驗(yàn)溫度設(shè)置及監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)溫度的設(shè)置需要考慮受潮電纜終端頭中潮氣和水分的排出程度隨溫度的升高而改變。此外，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，XLPE材料的特性會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)對(duì)XLPE電纜的電氣性能造成影響[3]。為了設(shè)置合理的試驗(yàn)溫度，將電纜主絕緣XLPE切成試片進(jìn)行差示掃描量熱分析。

XLPE材料的DSC曲線在105~110 ℃間存在一個(gè)極小值，說(shuō)明XLPE材料在該處出現(xiàn)了明顯的吸熱過(guò)程。該吸熱過(guò)程反映了XLPE材料在該溫度下發(fā)生了晶體熔化，晶體熔化會(huì)導(dǎo)致XLPE材料的特性發(fā)生變化，從而影響XLPE電纜的整體電氣性能。因此試驗(yàn)時(shí)需要考慮這個(gè)溫度點(diǎn)，以考察電纜在XLPE材料特性發(fā)生變化前后的電氣狀態(tài)。

綜合考慮潮氣和水分的影響，以及材料特性的改變，最終共設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)溫度，分別為常溫、50 ℃、100 ℃、130 ℃，其中100 ℃和130 ℃分別位于105 ℃的上下兩個(gè)區(qū)間，以便考察XLPE電纜的電氣性能是否會(huì)因?yàn)椴牧咸匦缘母淖兌l(fā)生明顯的變化，130 ℃是為了模擬電纜在過(guò)負(fù)荷情況下電纜終端頭的溫度。

試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)受潮電纜終端頭的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)采用型號(hào)為TP-700的溫度記錄儀，選用Pt 100型熱電阻溫度傳感器，實(shí)際測(cè)試時(shí)，傳感器粘貼于線耳處。由于介損測(cè)量?jī)x和電子式絕緣電阻表均會(huì)對(duì)試驗(yàn)電纜施加5 kV以上高壓，而溫度傳感器只能承受最高500 V的電壓，因此測(cè)試前必須去掉溫度傳感器。

1.4試驗(yàn)方法

表1　試驗(yàn)電纜基本信息

對(duì)受潮電纜終端頭的加熱采用內(nèi)熱法，利用負(fù)荷溫升試驗(yàn)平臺(tái)的升流系統(tǒng)在電纜回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而對(duì)電纜終端頭進(jìn)行加熱。在測(cè)試絕緣電阻和介損前需要進(jìn)行一系列的操作，首先去除電纜回路中的感應(yīng)電流，解開電纜回路，然后連接試驗(yàn)電纜和測(cè)試設(shè)備，最后去掉溫度傳感器。在這一系列的操作過(guò)程中，試驗(yàn)電纜終端頭的溫度會(huì)有所下降。因此在卸去感應(yīng)電流前，需要讓終端頭的溫度比實(shí)際測(cè)試溫度高5~10 ℃左右。

2　試驗(yàn)現(xiàn)象

本次試驗(yàn)中，受潮終端頭出現(xiàn)了不同程度的排水現(xiàn)象。隨著試驗(yàn)溫度的升高，排水現(xiàn)象依次呈現(xiàn)為水滴、水流和噴射三種形式，排水速度隨溫度升高而加快。當(dāng)試驗(yàn)溫度為50 ℃時(shí)，終端頭冷縮管端部有水滴流出；當(dāng)試驗(yàn)溫度升至100 ℃時(shí)，終端頭的排水現(xiàn)象由斷續(xù)水滴變?yōu)檫B續(xù)的水流，排水速度加快；當(dāng)溫度升至130 ℃時(shí)，高溫將水加熱到很高溫度，水蒸發(fā)加快形成水汽，處在狹小空隙處的水汽形成噴射狀的水流。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1絕緣電阻

絕緣電阻測(cè)試采用電子式絕緣電阻表，其量程為200 GΩ，所加測(cè)試電壓最高為5 kV。絕緣電阻測(cè)試包含了兩地線間的絕緣電阻和各相線芯對(duì)地的絕緣電阻。實(shí)際測(cè)試時(shí)，采用5 kV電壓檔進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。將各相電纜終端頭絕緣電阻測(cè)試結(jié)果繪制成曲線，具體結(jié)果如圖1至圖4所示。

由圖1至圖4可以看出，4條試驗(yàn)電纜的兩地線間絕緣電阻均為零，表明鋼鎧和銅屏蔽間的絕緣存在受潮問(wèn)題。電纜P1、B1終端頭各相的絕緣電阻隨溫度先上升后下降。這可能是由于隨著溫度升高，水分排出導(dǎo)致絕緣電阻上升，水分基本排出后，溫度的升高導(dǎo)致絕緣電阻下降。電纜Z1、Z3終端頭各相的絕緣電阻基本隨溫度升高而下降，這可能是由于過(guò)高的溫度對(duì)絕緣材料（交聯(lián)聚乙烯、硅橡膠）的性能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致絕緣電阻的降低。

3.2介質(zhì)損耗角正切

圖1　P1電纜終端頭絕緣電阻

圖2　Z3電纜終端頭絕緣電阻

圖3　B1電纜終端頭絕緣電阻

圖4　Z1電纜終端頭絕緣電阻

采用AI-6000介損測(cè)試儀對(duì)試驗(yàn)電纜終端頭進(jìn)行介質(zhì)損耗角正切的測(cè)量，由于測(cè)試時(shí)間比較集中，可忽略環(huán)境變化的影響。利用MATLAB將所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成三維圖，其中x軸為測(cè)試電壓，y軸為試驗(yàn)溫度，z軸為介質(zhì)損耗角正切值tanδ/%，如圖5至圖8所示。

圖5　電纜P1終端頭各相介損

圖6　電纜B1終端頭各相介損

圖7　電纜Z1終端頭各相介損

圖8　電纜Z3終端頭各相介損

根據(jù)圖5至圖8，4條電纜的受潮終端頭各相的介損大部分呈現(xiàn)相同的規(guī)律，先隨溫度的上升而急劇下降，然后下降趨勢(shì)逐漸放緩，在到達(dá)轉(zhuǎn)折溫度后介損開始隨溫度的上升而增大。對(duì)各受潮電纜終端頭的轉(zhuǎn)折溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)P1 A、B兩相和Z3 B相的轉(zhuǎn)折溫度均在100 ℃；Z3 A、C兩相，B1 A、C兩相，Z1三相的轉(zhuǎn)折溫度均在50 ℃；P1 C相，B1 B相則未見(jiàn)轉(zhuǎn)折溫度。

在試驗(yàn)溫度達(dá)到轉(zhuǎn)折溫度前，受潮電纜終端頭的介損隨溫度的上升而下降。這說(shuō)明受潮電纜終端頭內(nèi)部的潮氣和水分隨試驗(yàn)溫度的上升而逐漸排出后，受潮程度減輕，介損得到明顯恢復(fù)。試驗(yàn)溫度達(dá)到轉(zhuǎn)折溫度后，受潮電纜終端頭中的潮氣和水分已經(jīng)大部分排出，內(nèi)部潮氣不會(huì)再隨溫度的增加而大量排出。因此受潮電纜終端頭中潮氣和水分的變化已經(jīng)不再是影響介損的主要因素，而絕緣材料（交聯(lián)聚乙烯、硅橡膠）受溫度的影響則成為終端頭介損變化的主要因素，故介損隨溫度的升高而增大。

從上面4幅圖中還可以看出受潮電纜終端頭各相的轉(zhuǎn)折溫度并不一致。這是由于電纜終端頭各相中潮氣和水分的初始含量不同，并且每相中潮氣和水分的排出速度也有差異，而轉(zhuǎn)折溫度的出現(xiàn)需要電纜終端頭中的潮氣和水分大部分排盡，因而造成了受潮電纜終端頭各相轉(zhuǎn)折溫度的不一致。通過(guò)對(duì)比分析圖中各相的轉(zhuǎn)折溫度，可以得到轉(zhuǎn)折溫度出現(xiàn)的基本規(guī)律。受潮電纜終端頭初始潮氣和水分含量越少，潮氣和水分排出速度越快，其轉(zhuǎn)折溫度相對(duì)越低；初始潮氣和水分的含量越多，潮氣和水分排出速度越慢，其轉(zhuǎn)折溫度相對(duì)越高，甚至在達(dá)到試驗(yàn)溫度的最大值（130 ℃）時(shí)，仍未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折溫度。

4　結(jié)論

本文基于負(fù)荷溫升試驗(yàn)平臺(tái)，利用內(nèi)熱法將4條不同程度受潮的XLPE電纜終端頭加熱至不同試驗(yàn)溫度。通過(guò)測(cè)試不同試驗(yàn)溫度下受潮電纜終端頭的絕緣電阻和介質(zhì)損耗，獲得了受潮電纜終端頭的電氣狀態(tài)隨溫度和受潮程度綜合影響的變化規(guī)律。升溫過(guò)程中，受潮電纜終端頭各相均出現(xiàn)不同程度的滲水現(xiàn)象，說(shuō)明試驗(yàn)溫度設(shè)置合理，內(nèi)熱法能夠有效使受潮電纜終端頭中的潮氣和水分排出。滲水量較大說(shuō)明試驗(yàn)電纜終端頭在退運(yùn)前就已經(jīng)大量進(jìn)水，而非空氣中潮氣的侵入。電纜終端頭一旦受潮進(jìn)水后，如果不是受到高溫或其他外界因素影響，終端頭內(nèi)部的水分無(wú)法大量排出。大量水分淤積在終端頭內(nèi)部，短時(shí)間內(nèi)并不會(huì)導(dǎo)致電纜終端頭絕緣的急劇劣化。即使是內(nèi)部含有大量水分的嚴(yán)重受潮電纜終端頭，在正常負(fù)荷情況下也可能運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間而不發(fā)生絕緣故障。但是在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，終端頭內(nèi)部的潮氣和水分會(huì)逐漸破壞絕緣，最終導(dǎo)致絕緣故障。通過(guò)檢測(cè)受潮電纜終端頭的絕緣電阻和介損可以從一定程度上反映終端頭的受潮狀況?；谠囼?yàn)結(jié)果和分析，可得如下結(jié)論：

1）隨著受潮電纜終端頭內(nèi)部溫度的升高，潮氣和水分會(huì)逐漸排出。潮氣和水分的排出速度與試驗(yàn)溫度及受潮程度相關(guān)；

2）潮氣和水分逐漸排出后，受潮電纜終端頭的絕緣電阻會(huì)得到改善。但當(dāng)潮氣和水分一定程度排出后，絕緣材料受溫度影響嚴(yán)重，絕緣電阻隨溫度升高而下降；

3）受潮電纜終端頭的介質(zhì)損耗角正切值會(huì)隨試驗(yàn)溫度的上升出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)折溫度同受潮電纜初始含水量和水分排出速度有關(guān)。

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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?。?984），女，高級(jí)工程師，博士，目前主要從事電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估，電力電纜擊穿、老化及故障診斷技術(shù)等方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51477085）；國(guó)網(wǎng)四川省電力公司2015年科技項(xiàng)目（521997150009）