110 kV電纜長期運行下其電纜附件的老化絕緣性能分析

摘 要：【目的】超過設計使用壽命的電纜附件仍具有良好的電氣和機械性能，但目前尚缺乏根據電纜狀態(tài)評估其使用壽命的有效方法。為了能全方位診斷電纜長期運行中存在的問題，對退役后的電纜附件性能進行深入分析?！痉椒ā繉﹂L期運行的電纜附件的老化性能進行分析，采用電纜切片對電纜電氣絕緣狀態(tài)及表面電阻率、體積電阻率進行測試，并通過靜電位測量對其電荷陷阱密度進行測試?！窘Y果】結果表明，當退役電纜的絕緣失效的累積概率為63.2%時，擊穿電壓均在30 kV左右，這說明電纜附件的電氣強度具有較高的一致性。然而，樣品的表面電阻率和體積電阻率卻顯著不同，電荷陷阱密度測試結果表明，其陷阱能級存在差異，這也進一步說明了其電荷消散速率不同?！窘Y論】通過分析退役電纜的電氣特性，可實現對運行電纜出現的故障及時排查和預警，并為電纜狀態(tài)診斷提供重要參考。

關鍵詞：退役電纜；電纜端子；壽命設計；絕緣擊穿

中圖分類號：TM247" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0008-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.002

Analysis of Aging Insulation Performance of Cable Accessories of

110 kV Cable Under Long-Term Operation

Abstract： [Purposes] Power cables accessories that have exceeded their designed service life still have good electrical and mechanical properties. Currently， there is a lack of effective methods to evaluate the service life of cables accessories based on their status. Therefore， in-depth analysis of the performance of retired cables can comprehensively diagnose problems that exist in the long-term operation of cables. [Methods] This paper analyzes the aging performance of cables accessories under long-term operation， uses cable slices to test the electrical insulation status， surface resistivity and volume resistivity of the cables， and tests their charge trap density through electrostatic potential measurement. [Findings] The results show that the breakdown voltage of retired cables is around 30kV at 63.2%， indicating a high consistency of the electrical strength of cable accessories. However， the surface resistivity and volume resistivity of the samples are significantly different， and the charge trap density test results show that there are differences in their trap energy levels， which further illustrates their different charge dissipation rates. [Conclusions] By analyzing the electrical characteristics of decommissioned cables， timely troubleshooting and early warning of operating cable faults can be achieved， providing important reference value for cable status diagnosis.

Keywords： decommissioning cables; cable terminal; life design; insulation breakdown

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，電力設備朝小型化方向發(fā)展。電力電纜因占地面積小、可靠性高、便于維護等獨特的優(yōu)勢在配電網中的應用日益廣泛，電力電纜使用率隨著城市的建設、發(fā)展而不斷提高［1］。

電纜主要由導體、電纜主絕緣和電纜附件組成。其中，導體是電力傳輸的關鍵，電纜主絕緣通常由交聯(lián)聚乙烯等穩(wěn)定性強、絕緣性能高的材料制成［2］。電力電纜通常深埋于地下，通常不易發(fā)生故障。電纜附件是指用于連接、固定、保護電纜的配件［3］，包括電纜接頭、電纜終端等。目前，三元乙丙橡膠和硅橡膠是預制或冷縮電纜附件使用較多的絕緣材料，主要用于改變電纜接頭或終端的電場分布，保證電纜能長期穩(wěn)定運行［4］。

由于電纜附件長期承受不均勻的電場環(huán)境及機械應力，導致電纜附件成為電纜電力傳輸中容易出故障的位點［5］。統(tǒng)計結果表明，電纜電力傳輸中由電纜附件引發(fā)的故障占比在85.5%以上。因此，對電纜附件的性能進行研究具有重要意義［6-7］。

電力電纜的設計壽命通常為20～30 a。一般情況下，優(yōu)質的電纜在正常使用條件下的設計壽命在20 a以上。然而，有些特殊要求的電纜的設計壽命可能更長，甚至在40 a以上［8-9］。通常情況下，為了保證電力的安全運行，會保留更多的設計盈度。一些電纜即便達到了使用年限，仍具有良好的電氣和機械性能，按照使用設計要求而不得不退役，更換電纜［10］。因此，對退役的電纜性能進行深入分析，能全方位診斷電纜在長期運行中存在的問題，為電纜附件設計及壽命評估提供重要的參考依據，具有重要的理論意義和工程應用價值。

在長期運行過程中，電纜附件的絕緣材料、電阻率、擊穿電場等因素會發(fā)生明顯變化，而這些因素會對電纜的電氣性能產生顯著影響［11］。通過分析退役電纜的電氣特性，可實現對運行電纜故障及時排查和預警，為電纜狀態(tài)診斷提供重要的參考。

電纜附件主要由絕緣層和半導電層組成，其絕緣材料性能發(fā)生劣化時，附件中的應力錐及屏蔽管將不能充分發(fā)揮功能，從而發(fā)生附件擊穿事故。因此，為確保電纜與附件絕緣界面的安全可靠運行，要關注電纜附件在長期運行中的絕緣狀態(tài)及理化性能。

1 試驗裝置及測試系統(tǒng)

1.1 樣品制備

試驗中采用的絕緣樣品取自110 kV電纜附件。其中，電纜主絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，電纜附件的絕緣材料為硅橡膠（SIR），該電纜附件主要來自于電纜終端，如圖1所示。選取3個不同運行工況的電纜終端制樣，分別命名為電纜終端1、電纜終端2、電纜終端3，并對其相關的電氣性能進行分析。

1.2 擊穿試驗

電纜附件的擊穿強度是其重要的電氣特性。為了分析110 kV退役電纜的電氣性能，對電纜附件進行切樣，樣品厚度為1 mm，采用交流電源對樣品進行耐壓測試，升壓速率設置為2 kV/s，并逐步提高電壓，直至樣品擊穿，兩次擊穿時間間隔為1 min。整個測試過程中，裝置放置在變壓器油中，并將試樣完全沒入油中，這樣能抑制試樣的沿邊閃絡。每組樣品重復做10次擊穿試驗，并統(tǒng)計分析樣品的絕緣擊穿電壓。此外，采用三電極法測試樣品的電阻率。

由于影響絕緣材料擊穿場強的因素較多，如電壓波形、電場的均勻性、電壓作用時間、試樣厚度的均勻性及試驗環(huán)境條件等，即使在同等的試驗條件下，擊穿場強也存在一定的隨機性和分散性。因此，不能直接用測得的擊穿場強代表材料的擊穿場強。威布爾（Weibull）概率分布統(tǒng)計是目前最廣泛應用于聚合物擊穿場強的統(tǒng)計分析工具

通過比較不同試樣Weibull分布的尺度參數，可以判斷其介電性能的優(yōu)越性。

Weibull分布的累積分布函數見式（1）。

式中：U為測得的閃絡電壓；P為絕緣失效的累積概率；e為自然底數；U0表示P為63.2％時的擊穿電壓；α為絕緣的可靠性［8］。

每個Weibull配件包括10個測量值。國際標準IEEE 930—2004發(fā)布了一種簡單的方法來計算電介質的威布爾分布，用Pi來表示，見式（2）。

式中：i是將U的值按升序排序時的第i個結果；n是樣本數。取每組樣本的10個數據從小到大排列，并繪制相應的概率分布圖。

2 試驗測量結果

2.1 擊穿試驗結果

試驗的絕緣性能可用威布爾分布概率表示，測量結果如圖2所示。由圖2可知，退役電纜附件終端仍具有較高的絕緣強度，63.2％時的擊穿電壓均在30 kV左右，相差不大，這說明其仍具有較高的一致性，為同一批次的電纜狀態(tài)絕緣監(jiān)測提供試驗參數。進一步對比數據后發(fā)現，電纜終端1的分散性較大，電纜終端2和電纜終端3的絕緣擊穿強度基本上保持一致。由此可知，電纜終端在長時間運行后仍保持較好的絕緣特性。因此，在電纜壽命設計時應充分考慮電纜終端的擊穿強度，可考慮在更長的運行壽命情況下的運行工況，在實現電纜長期穩(wěn)定運行的同時，節(jié)省運行成本。

2.2 體積電阻率和表面電阻率

通常情況下，電纜主絕緣的擊穿強度要遠高于電纜附件，即電纜附件的使用壽命對整個電纜的安全穩(wěn)定運行具有重要影響［12］。電纜附件的電氣性能除了受擊穿電壓影響外，電阻率也會對其穩(wěn)定運行產生影響。因此，本研究對電纜附件的體積電阻率和表面電阻率進行測量，采用三電極測試法分別對3個電纜終端進行測量。表面電阻率是指材料表面單位面積的電阻值，是描述材料表面導電性能的重要參數，其反映了材料表面對電流的阻抗程度，即表面單位面積上通過的電流與施加在表面上的電壓之比。體積電阻率是指材料內部單位體積的電阻值，是描述材料導電性能的重要參數，其反映了材料內部對電流的阻抗程度，即單位體積內通過的電流與施加在材料內部的電壓之比。

采用三電極法對3個試樣的表面電阻率進行測試，結果如圖3所示。電纜附件的主要作用之一是避免電場分布出現畸變，實現電壓均壓，從而避免電纜事故的發(fā)生，表面電阻率對界面電場和表面電位分布有重要作用，適當減小絕緣表面電阻率，能有效抑制絕緣的沿面放電發(fā)生［13］。由圖3可知，電纜終端1的表面電阻率最大，其次是電纜終端2，電纜終端3的表面電阻率最小，且表面電阻率都有較大的波動，這說明在長時間的運行下，電纜附件的表面電阻率有一定程度的下降和性能損傷，且同批次中電纜附件的表面電阻率波動值比較大。因此，應在電纜檢修過程中重點關注該參數的變化。

體積電阻率的測試結果如圖4所示。由圖4可知，體積電阻率和表面電阻率并沒有明顯的關系，電纜終端3的體積電阻率最大，而其表面電阻率比較低。對電纜終端3來說，導體產生的電流主要從表面泄漏，長期運行下導致其表面電阻率下降，而通過體積垂直方向的電流比較小，因此其具有較高的提交電阻率。電纜終端1則表現出與之相反的規(guī)律，其表面電阻率較高，而體積電阻率較小，導體的泄漏電流經體積電阻路徑流出。

用等溫表面電位衰減法探究電纜附件絕緣表面的電荷積聚及消散特性，通過測量樣品表面電位來表征絕緣材料表面電荷的分布特性。通過等溫表面電位衰減理論計算的三種樣品的陷阱參數分布如圖5所示。結果表明，電纜終端2的陷阱密

度最大，有雙峰結構且以淺陷阱為主，主陷阱能級約為0.93 eV，淺陷阱能級密度遠高于深陷阱能級；電纜終端3的電荷陷阱與電纜終端1基本一致；電纜終端1以深陷阱密度為主，且主陷阱能級約為1.05 eV，這說明電纜終端1的電荷消散速度更慢。

3 結語

本研究對110 kV退役電纜附件的電氣性能和材料的絕緣狀態(tài)進行分析，對電纜附件進行切樣處理，開展電纜附件的絕緣擊穿性能測試和表面電阻率及體積電阻率進行測試，并對其電荷陷阱密度進行測試。結果表明，退役電纜終端仍具有較高的絕緣特性，且3個電纜終端的擊穿電壓具有較好的一致性。然而，樣品的表面電阻率和體積電阻率卻顯著不同，電荷陷阱密度測試結果也進一步說明了其電荷消散速率不同。因此，退役電纜附件仍具有較好的電氣特性，研究結果為電纜的壽命設計和狀態(tài)監(jiān)測提供試驗依據和數據支撐，具有潛在的工程應用價值。

參考文獻：

［1］龔黎翔.高壓電力電纜故障分析及診斷處理策略［J］. 電力系統(tǒng)裝備，2018（9）：117，119.

［2］費益軍，張云霄，周遠翔.硅橡膠熱老化特性及其對電纜附件運行可靠性的影響［J］.電工電能新技術，2014，33（12）：30-34.

［3］黃鋒，郭金明，唐捷.一起110 kV XLPE電纜中間接頭故障原因分析及防范措施［J］.紅水河，2018，37（3）：63-65.

［4］張瑞敏，張沛紅，宋淑偉，等.界面空間電荷對高壓直流電纜終端電場分布的影響［J］.高電壓技術，2019，45（6）：1762-1766.

［5］劉淑軍，吳啟仁，李棟，等.高壓直流電纜附件用EPDM與XLPE電氣性能匹配關系研究［J］.絕緣材料，2022，55（12）：75-79.

［6］王連輝，張世煉.高壓電力電纜典型缺陷分析［J］.電力安全技術，2023，25（9）：17-19.

［7］趙洋，魏思蕓，馬憲偉，等.±320 kV直流電纜終端界面氣隙缺陷的直流局放試驗電壓確定方法［J］.絕緣材料，2023，56（3）：61-69.

［8］吳宇紅，莫金龍，徐國華，等.電纜終端熱缺陷預警方法研究［J］.電氣應用，2023，42（5）：46-50.

［9］HE D X，MENG F S，LIU H S，et al. The influence mechanism of semiconductive material on space charge accumulation in HVDC cable accessory［J］. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2019，26（5）：1479-1486.

［10］繆皓亮.110 kV高壓電纜施工中的關鍵技術分析［J］.集成電路應用，2023，40（2）：274-276.

［11］祝賀，何峻旭，鄭亞松，等.電纜終端應力錐錯位缺陷對界面溫度及應力分布的影響［J］.電工技術學報，2024，39（1）：65-75.

［12］胡磊磊.電纜附件高頻局部放電檢測技術及應用［J］.電氣時代，2024（1）：120-122，130.

［13］戴征宇，姜蕓，羅俊華.預制型電纜附件沿面放電試驗研究［J］.高電壓技術，2002（9）：7-8.