XLPE電力電纜潮氣及水分驅除技術研究

蔡玉汝，張 靜，吳俊杰，楊 旭，陳 佳，黃立才，程立豐

（1南瑞集團/國網(wǎng)電力科學研究院有限公司，江蘇南京 211106；2國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢 430074）

隨著經(jīng)濟社會的不斷進步和城市化進程的不斷加快，傳統(tǒng)的架空電線已經(jīng)被埋于地下的電纜替代。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜具有結構輕便、易于彎曲、電氣性能良好、耐熱性能好、傳輸容量大、安裝方便、附件制作簡單等優(yōu)點，是最常見的輸電電纜［1］。XLPE 電纜的絕緣在運行中易將潮氣吸進界面，造成電纜絕緣老化，引發(fā)水樹等缺陷，或者浸入電纜中間接頭界面，最終導致中間接頭絕緣閃絡擊穿，嚴重地影響了 XLPE 絕緣電力電纜的安全運行。

在電力電纜水分驅除技術方面，Ave［2］研究了美國制造商使用氮氣吹掃以消除商用和軍用應用中的光電系統(tǒng)的殘余濕度。Crine［3］通過分別采用氮氣和空氣作為干燥介質(zhì)對XLPE電力電纜進行了去潮處理的模擬試驗，討論了氮氣和空氣的去潮效率，提出空氣介質(zhì)基本能夠滿足受潮電纜的去潮要求，適合于運行現(xiàn)場實際應用。云南電網(wǎng)公司昆明供電局［4］介紹了在工程中遇到的電纜進水的兩種情況，提出進水后抽真空對電纜的處理方法，采用濕度表作為水分檢測手段，對電纜及敷設的現(xiàn)狀提出了改進建議。廣東電網(wǎng)公司佛山供電局［5］通過利用抽水和真空干燥方法對電纜進水問題進行處理，采用硅膠不變色作為水分檢測手段，得出了10kV電力電纜進水問題的處理方法。

總結來看，現(xiàn)有的電纜潮氣及水分驅除方法主要分為三類：氣體壓入法［6］，真空析出法［7］和加熱蒸發(fā)法［8］。實際工程中，由于電纜內(nèi)部結構及密封條件、真空泵功率等因素影響，氣化的水在達到飽和蒸氣壓以后又會重新回到液態(tài)，因此驅水處理時間長、效率較低［9-10］。并且現(xiàn)有的方式在工藝參數(shù)控制方面及潮氣、水分檢出方面，鮮有針對高壓電纜的研究數(shù)據(jù)以及干燥前后對緩沖層性能影響，導致工程應用上主要依靠經(jīng)驗對電纜進行干燥。本文針對110kV電纜結構提出了氣體吹掃與加熱的水分驅除方案，搭建了水分驅除平臺，研究了電纜長度、溫度及氮氣流速等工藝參數(shù)，探究了浸濕后干燥對緩沖層機械及電氣性能的影響。

1 110kV電纜驅水試驗

1.1 試驗方案

針對110kV進水電纜，本文擬先采用空氣泵驅除電纜大部分液態(tài)水，待液態(tài)水被大部分吹掃出來后，再使用高純干燥氮氣吹掃來提高電纜內(nèi)部水分表面的流速，從而加快水分蒸發(fā)，并隨著干燥氮氣一并排出電纜內(nèi)部，利用工業(yè)加熱墊進行輔助加熱，并通過測量吹掃出的剩余氮氣中的含水量以及測量進水電纜的絕緣性能參數(shù)（介質(zhì)損耗因數(shù)、絕緣電阻）來判斷驅水的有效性，水分驅除平臺如圖1所示。

圖1 驅水實驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of water drive experiment

搭建的氮氣吹掃實驗平臺如圖2所示，主要設備包括氮氣瓶、減壓閥、氣管、密封適配器、硅膠加熱墊、受潮電纜、閥門以及精密露點儀。氮氣瓶容積為40L，充滿氣時壓強為1.3MPa，能夠容納520L氮氣，可供長時間通氮氣的試驗使用。減壓閥可控制氮氣壓強在0~2 MPa范圍內(nèi)可調(diào)。采用硅膠加熱墊作為電纜加熱設備，能夠保證一定的保溫與隔水的作用，膠加熱墊的溫度調(diào)節(jié)范圍在30~80 ℃，保持硅膠加熱墊的溫度恒定來控制電纜段在驅水過程中的加熱溫度。電纜的兩端采用定制的漏斗狀的密封適配器，一端連接電纜橫切面，一端鏈接8mm氣體連接管。

圖2 氮氣吹掃實驗平臺Fig.2 Nitrogen purging experimental platform

在干燥氮氣吹掃過程中，對如下三個參數(shù)進行測量：電纜末端吹出氮氣的含水量、電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)、電纜的絕緣電阻值。通過測量三個參數(shù)在實驗過程中隨時間的變化值，來研究電纜長度、電纜加熱溫度、氣體流速對驅水效果的影響。

利用變色硅膠定性判斷電纜中吹掃過的氣體中是否含有水分，利用精密智能露點儀裝置定量實時分析流出氣體中的含水量來判斷電纜的干燥程度。綜合考慮精密露點儀配備氣體流速要求、電纜除水經(jīng)濟性和整體設備的氣密性，通過調(diào)節(jié)閥門保證流速在40L/h左右。

本實驗通過AI-6000E介質(zhì)損耗測量儀測量電纜段的介質(zhì)損耗。由于試驗電纜浸水后絕緣性能下降過多，在進行10kV實驗時出現(xiàn)了較為強烈的放電現(xiàn)象。因此本實驗采用5kV下的變頻反接法測量電纜在驅水過程中的介質(zhì)損耗因素。采用兆歐表測量電纜的絕緣電阻，兆歐表的正極連接到電纜中心的銅芯，而負極連接到電纜的鋼帶處，鋼帶位于緩沖層和外護套之間。

1.2 試驗過程

在進水較嚴重情況下，會有大量液態(tài)水從護套破損處或電纜接口入侵到電纜的緩沖層與線芯中。針對110kV的電纜，通過浸泡和注水兩種方式來模擬電纜的嚴重進水情況。浸泡方式是將電纜樣品放置于容器中，浸沒于水面下；注水方式是將電纜截面浸于水面下，同時用注射器向緩沖層中注水。

本實驗采用的電纜長度有三種0.3m、0.6m和1.2m。其中0.3m和0.6m可以采用浸泡和注水兩種方式，而1.2m的電纜段由于其長度較長，浸泡需要較長時間，僅使用注水的方式進行模擬進水。

在初期通過壓縮泵直吹電纜，以最大的流速吹掃4h，初始可以看到電纜出口有水分與氣泡析出，4h后電纜出口沒有大量氣泡，證明此時電纜內(nèi)部以流動液體形式存在的水分大部分已經(jīng)流出。后打開加熱墊電源，設備入口連接氣體鋼瓶，通過減壓閥向電纜輸送氮氣，出口同樣放置密封適配器將氣體導入到變色劑和微水儀。在加熱后可以觀察到電纜出口熱水蒸汽凝結成的液珠，與之連接的吸水硅膠由藍色變成紅色。

從圖3可以看出，雖然空氣吹掃后電纜內(nèi)的液體形式存在水分已經(jīng)大部分被去除，但是電纜內(nèi)部特別是緩沖層中還是存在大量水分由于擴散和吸收效應進入了材料的內(nèi)部。僅靠空氣吹掃無法完全干燥受潮電纜。

圖3 空氣吹掃后的尾氣含水情況Fig.3 Water content of tail gas after air purging

將氮氣罐中的氮氣直接導入到儀器中，測量得到氮氣罐中的含水量在800~850 μL/L之間，后將利用空氣泵出水后接入氮氣吹掃的電纜廢氣導入儀器測量其含水量發(fā)現(xiàn)其含水量在5800~6000 μL/L之間，待吹出電纜的廢氣氮氣含水量讀數(shù)達到穩(wěn)定時作為氮氣吹掃驅水實驗的結束節(jié)點。

2 結果與討論

2.1 驅水工藝的影響

2.1.1 電纜長度

對比氮氣流速40L/h、環(huán)境溫度25°C下，0.3m、0.6m、1.2m電纜的氮氣吹掃時間與電纜中流出的氣體含水量之間的關系，與干燥過程中電纜的絕緣電阻和介質(zhì)損耗隨吹掃時間的變化，如圖4~圖6所示。

圖4 不同長度電纜含水量隨吹掃時間的關系Fig.4 Relationship between water content of cables with different lengths and purging time

圖6 不同長度電纜介質(zhì)損耗隨吹掃時間的關系Fig.6 Relationship between dielectric loss of cables with different lengths and purging time

由圖4看出，三種長度的電纜在進行氮氣驅水初始氣體含水量都在5900~6000 μL/L之間，驅水實驗結束時含水量穩(wěn)定在900μL/L附近不再下降。隨著電纜長度的增加，所需驅水時間變長，但未見明顯線性關系。0.3m電纜達到穩(wěn)定耗時4h，0.6m電纜耗時8h，1.2m電纜耗時約10h。驅水過程的最初1h內(nèi)0.3m長的電纜段含水量下降了約2800μL/L，0.6m長的電纜含水量下降了約2200μL/L，1.2m長的電纜下降了約1300 μL/L，之后含水量下降速率逐漸減少至0。電纜長度增加到一定程度以后，只要氣路打通，在保證流速一定的情況下，電纜的驅水進度不會因長度增加而成倍的增加。

進水操作前，實驗測得電纜在良好絕緣條件下，電纜的絕緣電阻在85~95 GΩ之間。由圖5看出，電纜浸水后，測量得到的絕緣電阻下降到了MΩ級別，介質(zhì)損耗的測量過程也會出現(xiàn)放電的現(xiàn)象。經(jīng)過氮氣驅水過程后，0.3m的電纜絕緣電阻恢復到了80GΩ，0.6m和1.2m的電纜恢復到了90GΩ。實驗表明氮氣驅水實驗對電纜的絕緣電阻恢復效果較好，分別在3h、6h以及8h各個長度的電纜絕緣電阻就回復到了近70GΩ。

圖5 不同長度電纜絕緣電阻隨吹掃時間關系Fig.5 Relationship between insulation resistance of cables with different lengths and purging time

進水操作前，實驗測得0.3m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為0.578%，0.6m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為0.417%，1.2m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為0.363%。由圖6看出，受潮后0.3m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為3.103%，0.6m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為3.539%，1.2m電纜介質(zhì)損耗因數(shù)為2.713%，進水后電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)顯著增加。經(jīng)過電纜驅水后0.3m電纜恢復到0.630%，0.6m恢復到0.468%，1.2m電纜恢復到0.312%。實驗表明氮氣驅水實驗對電纜的介質(zhì)損耗恢復效果較好，干燥后的電纜介質(zhì)損耗因數(shù)能夠接近干燥狀態(tài)下的電纜介質(zhì)損耗因數(shù)，整個介質(zhì)損耗也呈現(xiàn)一個先快后慢的過程。

2.1.2 溫度

控制氮氣流速為40L/h不變，分別設置外部硅膠加熱套為25℃、50℃和70℃，樣品電纜長度為0.3m。得到氮氣吹掃時間與電纜中出來的氣體含水量之間的關系，與干燥過程中電纜的絕緣電阻和介質(zhì)損耗的變化，如圖7~圖9所示。

圖7 不同溫度下電纜含水量隨吹掃時間關系Fig.7 Relationship between cable water content and purging time at different temperatures

圖8 不同溫度下電纜絕緣電阻隨吹掃時間關系Fig.8 Relationship between cable insulation resistance and purging time at different temperatures

圖9 不同溫度下電纜介質(zhì)損耗因素隨吹掃時間的關系Fig.9 Relationship between cable dielectric loss factor and purging time at different temperatures

電纜的起始含水量均在6000μL/L左右，25℃下，經(jīng)過4h的氮氣吹掃含水量穩(wěn)定在900μL/L，絕緣電阻從18GΩ恢復到80GΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)從3.104%恢復到0.631%；50℃下，經(jīng)過3.5h的氮氣吹掃含水量穩(wěn)定在880μL/L，絕緣電阻從20GΩ恢復到90GΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)從3.617%恢復到0.521%；70℃下，經(jīng)過2.5h的氮氣吹掃含水量穩(wěn)定在830μL/L，絕緣電阻從20GΩ恢復到90GΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)從3.421%恢復到0.581%。最初的0.5h內(nèi)25℃下含水量下降了1700μL/L，50℃下含水量下降了1900μL/L，70℃下含水量下降了2100μL/L。提高氮氣吹掃時的溫度有助于加速電纜各項絕緣性能指標的恢復。

2.1.3 氮氣流速

分別控制氮氣流速為30L/h、40L/h和50L/h，對長度為0.6m電纜的電纜段進行驅水實驗，較高的流速要求整個設備具有更好的氣密性，否則過高的氣壓可能造成氣體泄露。實驗發(fā)現(xiàn)隨著流速的增加，驅水處理時間呈現(xiàn)出縮短的趨勢，但是由流速乘以時間得到總用氣量可以看出，30L/h下總用氣量為300L，40L/h下氣體總用量為320L，50L/h下總用氣量為350L/h。氣體含量的增加對設備整體的氣密性提出了更高的要求，所以要合適選擇氣體的流速。特別是在對較長電纜進行驅水操作時，合理考慮氮氣吹掃速度是十分必要的。

2.2 緩沖層干燥后的性能

為了進一步探究浸濕后干燥對阻水帶機械及電氣性能的影響，分別對浸濕前和浸濕干燥后阻水帶的體積電阻率、厚度、單重、縱向斷裂強度、縱向斷裂伸長率、膨脹速率、膨脹高度及含水率八項參數(shù)進行了檢測。

常見半導電阻水帶主要有兩種結構，半導電阻水帶和半導電緩沖阻水帶。半導電阻水帶主要用于電力電纜各部件之間，起阻水、緩沖和屏蔽作用，主要由半導電聚酯纖維非織造布、半導電粘合劑和高速膨脹吸水樹脂制作而成。半導電緩沖阻水帶主要用于電力電纜金屬護套內(nèi)，由半導電聚酯纖維非織造布、半導電粘合劑、高速膨脹吸水樹脂和半導電蓬松棉制作而成，置于電力電纜的保護套內(nèi)，起到均勻電場、阻水、緩沖、屏蔽等作用。本文采用了四種阻水帶樣品，1號和3號兩種阻水帶屬于半導電緩沖阻水帶，而2號和4號兩種阻水帶屬于半導體阻水帶。

針對阻水帶浸濕條件，本試驗采用直接浸泡阻水帶的方式，阻水帶在浸入水中后迅速吸水膨脹，中間層出現(xiàn)結晶體；其中較薄的兩種阻水帶浸泡至3s時開始出現(xiàn)輕微掉粉現(xiàn)象，浸泡至5s時出現(xiàn)嚴重分層掉粉的現(xiàn)象。因此選擇將試樣浸泡2s，阻水帶充分吸水，且水中無明顯晶體物脫落殘留。本試驗采用烘箱烘干的方法進行浸濕后的阻水帶干燥處理，烘箱溫度設置為70℃，對于所取2cm×2cm的四種試樣，其完全烘干時間均為2h。

2.2.1 體積電阻率

1~4號阻水帶的體積電阻率的測量結果見表1，分別相比于處理前變化了-10.3%、14.3%、-5.6%和-14.6%，烘干后的四種阻水帶的體積電阻率均滿足JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》中的技術指標。

表1 電纜阻水帶體積電阻率檢測結果（Ω?cm）Table 1 Volume resistivity test results of cable buffer layers (Ω?cm)

2.2.2 厚度、單重及膨脹性能變化分析

參考JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》給出的阻水帶參考厚度、單重及其對應的膨脹性能技術要求標準值，對表2試驗檢測結果進行分析。

表2 電纜阻水帶厚度、單重及膨脹性能檢測結果Table 2 Test results of thickness, unit weight and expansion performance of buffer layer

對比分析浸濕烘干前后四種阻水帶的厚度、單重、膨脹速率及膨脹高度變化，可以得出：四種阻水帶的厚度相比于浸濕烘干前均有所增加，2號阻水帶處理前后厚度變化最大，3號變化最??；四種阻水帶的單重相比于浸濕烘干前均有所降低，2號阻水帶處理前后單重變化最大，3號變化最小。

2號和4號阻水帶處理前后的膨脹速率均在參考范圍內(nèi)，變化不大；1、3號阻水帶處理前后的膨脹速率在參考范圍之外。四種阻水帶處理前后的膨脹高度值均落在此參考范圍內(nèi)，1~4號阻水帶膨脹高度分別變化了-16.7%、9.1%、-15.8%和16.0%。

2.2.3 縱向斷裂強度和縱向斷裂伸長率

根據(jù)JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》，半導電阻水帶的斷裂強度的技術要求為≥40N/cm，試驗測量結果見表3。

表3 電纜阻水帶縱向斷裂強度和縱向斷裂伸長率檢測結果Table 3 Test results of longitudinal breaking strength and elongation at break of buffer layers

四種阻水帶處理前后的斷裂強度均滿足技術要求，且斷裂強度均相比于處理前有所增加，1~4號阻水帶的斷裂強度相比于處理前分別增加了20.8%、10.2%、32.4%和1.8%。其中，3號阻水帶的斷裂強度增加幅度最大，而4號阻水帶增加幅度最小，一定程度上可認為其基本不變。

JB/T 10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》中要求半導電阻水帶的縱向斷裂伸長率≥12%，四種阻水帶處理前后的縱向斷裂伸長率均滿足技術要求，1~4號阻水帶的縱向斷裂伸長率相比于處理前分別變化了0、-11.8%、7.7%和-7.7%。

2.2.4 含水率

阻水帶浸濕烘干前后變化最為顯著的參數(shù)是含水率，表4為四種阻水帶含水率的檢測結果。

表4 電纜阻水帶含水率檢測結果（%）Table 4 Test results of moisture content (%)

四種阻水帶的含水率在浸水烘干后均大幅降低，含水量降低幅度均在90%~95%之間，浸水烘干后四種阻水帶的含水率皆在1%及以下，干燥標準遠超JB/T 10259-2014所給技術要求7%，證明烘干操作進行得很充分。

3 結論

針對110kV XLPE電纜水分及潮氣驅除問題，提出了采用空氣泵驅除電纜大部分液態(tài)水，再使用高純干燥氮氣吹掃來提高電纜內(nèi)部水分表面的流速加速蒸發(fā)，利用工業(yè)加熱墊進行輔助加熱的驅水方案。研究了電纜長度、溫度及氮氣流速等工藝參數(shù)對驅水過程影響，探究了浸濕后干燥對緩沖層機械及電氣性能的影響。

（1）XLPE電纜絕緣層、緩沖層可通過干燥方式將潮氣或水分排出，浸水電纜通過驅水處理后，尾氣中的水分含量穩(wěn)定在900μL/L，含水量降低幅度達85%，其絕緣電阻和介質(zhì)損耗均可實現(xiàn)接近未進水前電纜的良好水平，驗證了干燥后的電纜能夠滿足重新投運的要求。

（2）電纜的驅水進度不會因長度增加而成倍的增加，滿足電纜氣密性要求的情況下，提高氮氣吹掃溫度及氮氣流速有助于加速受潮電纜的水分驅除。

（3）采用70℃恒溫烘干4h的方法可以驅除緩沖層中的水分，干燥后的緩沖層不再具備阻水性能，其機械性能和電氣性能基本處在可控范圍之內(nèi)，能夠滿足短時投運要求。