浅析交联聚乙烯电缆绝缘缺陷的成因及耐压试验方法

【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（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1017Ω・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，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压试验引起的单极性空间电荷，空间电荷受介质高电阻的限制不能在短时期内泄漏，在介质局部形成空间电荷附加电场。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，由空间附加电场与外施工频电场叠加成为很高的局部电场时，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，严重时会发生电缆绝缘击穿。即使电缆在通过了直流耐压试验不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤，它将加速绝缘老化缩短使用寿命。这些现象在XLPE电力电缆直流耐压试验时经常发生，如直流耐压试验合格的电缆线路正常送电后不久就发生击穿故障。

4、XLPE电缆最致命的弱点是绝缘内易产生水树枝，空间电荷的附加电场效应加强了水树枝尖端处的电场而引发介质局部放电，释放大量高能带电粒子，不断地轰击水树枝端部和水树枝通道壁的介质分子链段，使得介质分子链段断链、降解，水树枝快速转变成为电树枝，加速了XLPE电力电缆绝缘性能早期劣化，以至于运行后在工频电压作用下形成击穿。而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值，并能保持一段时间。

5、XLPE的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷。但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线上产生波振荡，在已积聚空间电荷的地点，由于振荡电压极性迅速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击穿。

6、直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如在电缆附件内，绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点，在直流电压下往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点，因此直流耐压试验不能模拟高压交联电缆的运行工况。

7、若使用交流测试电压，当达到电压峰值时，无论是正极性还是负极性峰值时，待测绝缘体都承受最大压力。因此，如果决定选择使用直流电压测试，就必须确保直流测试电压是交流测试电压的√2倍，这样直流电压才可以与交流电压峰值等值。例如：1500V 交流电压，对于直流电压若要产生相同数量的电应力必须为 1500×1.414即2121V直流电压。因此，要加到相同的电压强度，所加的直流电压近似为交流电压的1.5倍。

8、交流耐压测试的优点在于，它可以检测所有的电压极性，这更接近与实际的实用情况。另外，由于交流电压不会对电容充电，因此大多数情况下，无需逐渐升压，直接输出相应的电压就可以得到稳定的电流值。并且，交流测试完成后，无需进行样品放电。直流耐压测试的不足在于它只能在一个方向施加测试电压，不能像交流测试那样可以在两个极性上施加电应力，而多数电子产品正是在交流电源下进行工作的。

三、交流试验方法举例

既然直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的敷设和附件的安装质量。有以下几种交流试验的方法可供选择。

1、超低频0.1Hz耐压试验

因被试交联电缆的电容量很大，工频试验时所需试验变压器的容量也要很大，导致试验设备笨重而不适用于现场使用。采用0.1Hz作为试验电源【2】，理论上可以将试验变压器的容量降低到1/500，试验变压器的重量可大大降低，可以较容易地移动到现场进行试验。目前，此种方法主要应用于中低压电缆的试验，由于电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电缆试验。

2、振荡电压试验

振荡电压试验方法的基本思路是利用电缆等值电容与电感线圈串联谐振原理，使振荡电压在多次极性变换过程中电缆缺陷处会激发出局部放电信号，通过高频耦合器测量该信号从而达到检测目的[3][4]。此种方法比直流耐压试验方法有效，但仍不如工频试验有效。

3、调频式谐振耐压试验[5]

可调电感型谐振试验系统可以满足耐压要求，但由于重量大，可移动性差，主要用于试验室。而变频谐振试验方法不但能满足高压交联电缆的耐压要求，设备因体积小，重量轻，谐振频率易于调节，因而宜在现场试验中使用。该方法采用固定电抗器作为谐振电抗器，试验变压器及试验电压由调谐电源提供，以调频的方式实现谐振，频率的调节范围为30-300Hz，符合CIGRE WG21.09《高压挤包绝缘电缆竣工试验建议导则》中推荐使用工频及近似工频（30～300Hz）的交流电压。这种交流电压可以重现与运行工况下相同的场强，并已被证明是最有效的方法。

四、结论

本文主要针对现为广泛应用的交联聚乙烯电缆的绝缘缺陷的成因做简要分析，在此基础上简要分析两种检测其绝缘缺陷耐压试验方法的优缺点，同时简要分析了几种耐压试验的适用情况。综合而言，相比交流耐压试验，直流耐压试验的主要缺点是由于交、直下绝缘内部的电压分部不同，直流耐压试验对绝缘的考验不如交流更接近实际。交流耐压试验对绝缘的考验非常严格，能有效的发现较危险的集中性缺陷。它是鉴定电气设备绝缘强度最直接的方法，对于判断电气设备能否投入运行具有决定性的意义，也是保证设备绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要手段。

参考文献：

[1]王元昌.交联聚乙烯（XLEP）电缆水树枝老化机理及试验方法.

[2]陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术.

[3]林晓宇，黄瑞.交联聚乙烯电缆现场交流耐压试验.

[4]陆国俊，熊俊.振荡波电压法检测10kV电缆局部放电试验.

[5]钟聪，陈洪波.220 kV 交联聚乙烯电缆现场交流耐压试验.