电力电缆老化机理研究

摘 要：电力电缆是电力系统中的重要组成成分，对于保证电力系统的稳定性至关重要。文章对于电力电缆的可靠性进行了研究，为系统运行人员检修和操作提供借鉴。

关键词：电力电缆；电力系统；可靠性

1 影响电力电缆附件运行可靠性的因素分析

在电缆输电线路中，必然会存在电缆终端头和中间接头。与电缆本体故障相比，电缆中间接头和终端头绝缘介质中的电场畸变，会导致局部放电的发生。由于电缆附件改变了电缆本体的结构，电缆中的内外半导体屏蔽层被切断，改变了电缆中的电位和电场强度的分布。特别是中，高压以上的电缆终端头以及中间接头在外金属屏蔽层切断处电场强度最为集中，发生突变的可能性最大。

电缆附件发生绝缘故障与其选用，制作工艺和结构等有着密切的关系。接下来将从以下几个方面对其进行分析：

（1）电缆接头绕包的绝缘层过厚，散热困难导致发热故障

绕包式绝缘材料的体积电阻率，介电系数与电缆相比要小一些。强电场作用下，电缆附件绝缘材料内部的介质损耗以及泄露电流的增加会造成电缆附件发热。绝缘材料绕包过多，由于绝缘的加厚，使得热量难以散发，当绝缘材料内部热量积累到一定程度时，绝缘材料分子会受到破坏造成热击穿事故。故在保证电缆接头电气绝缘性能和机械性能的前提下，要求绝缘的热阻尽可能小一些。

（2）电缆附件选用的材料质量和施工质量的影响

电缆附件由于其特殊性，在安装前是不存在完整的产品电缆附件中绕包用的绝缘带，半导电带等材料性能的好坏对电缆的安全运行至关重要，电缆附件的绝缘水平和运行寿命在很大程度上取决于材料的优劣。比如劣质的压接管会出现砂眼，裂纹，外表粗糙，管壁薄厚不均匀，出现毛刺等问题，在长期负荷运行下使得导线芯的接触电阻增大，引起电场严重畸变。

（3）电缆附件应力管的体积电阻率和介电常数的影响

应力管的介电常数大，有利于改善电场畸变时的电位分布，但是过大的介电常数会引起电容电流产生热量，造成应力控制材料老化。由于绝缘材料本身的限制，介电常数难以提的过高，而体积电阻率也不允许太低。对于电缆中间接头和终端头而言，电场分布与电缆本体相比复杂得多，电场更为集中，等位面弯曲严重，若不及时妥善的处理，在一定条件下，将会形成闪络，损伤电缆及其附件的绝缘介质。

2 绝缘材料的老化特性

2.1 绝缘的热老化

与电缆本体一样，接头和终端也同样长期处于较高的温度下运行。但是两者也有区别，运行中的电缆里只有两个热源，一是导体通过电流产生的损耗（I2R）转变成热能；另一个是在绝缘材料在电压作用下产生的损耗（U2ωCtgδ）也转变成热能。除此之外，电缆附件（接头和终端）里还多了一个热源，那就是导体连接处的接触电阻，在通过电流时也要产生损耗，变成热能。尤其是电缆接头，若导体连接不可靠，运行一段时间后就会因为过热而击穿。

热场不仅与热源有关，还与热阻有关。热阻大，散热困难，温度就高。从这个角度来看电缆附件也比电缆本体差。就接头而言，因成型条件差，加上电场畸变，故绝缘厚度比电缆本体的绝缘厚。为了密封和机械保护，接头外面还要加很多防护层，使得总的热阻要比电缆热阻大很多。可见，在处理不当的情况下，接头绝缘的热老化要比电缆本体严重得多。

电工设备长期在运行温度作用下，由于绝缘材料发生热分解和热氧化裂解等反应，造成分子量、交联度、结晶度的变化，使材料发脆、厚度减薄、形成气隙，生成新的离子杂质和挥发物，导致材料的性能劣化。

热分解和热氧化裂解的反应速度v随温度T升高而增加，可用阿伦尼乌斯方程表示：

■ （1）

式中R为气体常数，A为常数，E为活化能。多数材料的E约为（8～10）×104（J/mol）。

热氧老化属于自由基链式自催化氧化反应，机理如下：

链引发

RHR.+.H（热、氧、光或催化剂作用）（2）

链增长

R.+O2ROO （3）

ROO.+RHROOH+R. （4）

链转移

ROOHRO.+.OH （5）

2ROOHRO.+ROO.+H2O （6）

链终止

R.+R.R-R （7）

ROO.+ROO.稳定产物+O2 （8）

R.+ROO.ROOR （9）

上述式中RH表示橡胶大分子，R.表示自由基，RO.表示氧化自由基，ROO.表示过氧化自由基。

研究表明：天然橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶和硅橡胶等，在使用过程中的热氧老化都属于此种形式。

2.2 绝缘的电老化

电缆接头与终端里的电场分布要比电缆本体复杂得多。电缆绝缘内，径向电位分布是不均匀的，轴（纵）向电位分布基本上是均匀的，但是在电缆附件里就不然，不仅径向电位分布不均匀，轴（纵）向电位分布也是不均匀的，出现了轴向电场。对于接头，是因为内外电极（即导体连接处和绝缘外屏蔽层）结构发生变化而引起的。户内、外终端就更复杂了，由于导电线芯引出在外，终端绝缘外表面就有了电位，而且分布很不均匀。

由此可见，电缆附件里的电场分布远比电缆复杂，而且局部地方电场强度很高，若处理不当，就会引起绝缘击穿或闪络（终端）。高压电工设备中因介质不均匀或电场分布不均匀，特别是在固体或液体材料内部或表面存在气体，就可能产生局部放电。放电产生的带电质点会直接轰击绝缘材料，使材料分解；在放电点可产生很高的温度，使材料发生热裂解或碳化；放电也可能产生各种新的生成物（如臭氧等）而腐蚀材料；放电会发出各种射线及声波，对材料也会起破坏作用。这些都会引起绝缘材料老化。

2.3 其他老化因素

绝缘材料在许多场合下要承受各种机械应力的作用，有恒定的、振动的，有热胀冷缩循环的。这些应力会导致蠕变破坏或疲劳破坏。在户外使用的绝缘材料受日光直接照射，在紫外线作用下也会发生老化。在核反应堆、X射线装置中用的绝缘材料受到辐射作用，均会发生老化。绝缘材料受潮会使电导增大，加大损耗。水还会溶解许多物质，加速导致老化的各种化学反应。酸、臭氧等也会导致化学老化。对于某些绝缘材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的电场强度下也会发生树枝现象（见固体电介质击穿）。此外，在温热带地区绝缘材料会受到各种微生物的损害，即所谓微生物老化。

电缆附件的成型环境远不如电缆，电缆是在工厂内由机器生产出来的，而电缆附件是靠施工人员现场手工操作完成的，两者的环境条件（包括温度、湿度、清洁度等等）相差很大。其质量控制远不如在工厂内由机器生产的电缆优越。

3 结束语

综上所述，无论是从热场分布，还是电场分布；成型（或生产）过程，还是成型（或生产）的环境条件，电缆附件都比电缆本体差得多，所以运行故障率高也是必然的。

绝缘材料在使用或贮存过程中，其性能随时间发生的不可逆的劣化。造成绝缘材料老化的因素很多，排除环境因素对绝缘材料的影响，绝缘材料的老化主要是电老化、热老化和机械老化等。