交聯聚乙烯電纜水樹老化離線診斷方法的研究

郭金明，覃秀君，李婧

（廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧 530023）

0 前言

隨著我國的經濟迅速發展，城市用電量急劇增大。城市寶貴的地面空間有限，完成復雜的配電過程勢必需要地下埋設大量電力電纜。若排除敷設電纜時操作不當對電纜造成的損壞，電纜的絕緣老化是導致電纜事故的主要原因。

由于城市地下較為潮濕，部分電纜溝里電纜運行環境惡劣，存在如電纜共溝率高、電纜溝積水等問題。在電場日積月累的作用下，水分會逐漸侵入電纜，電纜中原本存在的微孔缺陷會逐漸擴大，形成水樹通道，導致電纜絕緣內部水樹的出現。水樹會造成電纜的絕緣水平與擊穿電壓顯著下降，在電纜的實際運行中容易造成擊穿而引發事故。因此，電纜中水樹缺陷的診斷已成為目前迫在眉睫的問題。

1 水樹的產生及其危害

對于交聯聚乙烯（XLPE）電纜來說，通常絕緣內部是沒有水分存在的。但是由于制作工藝的缺陷，交聯聚乙烯電纜半導電層以及主絕緣部分會存在一些微觀缺陷。因為水分子是極性分析，在電纜運行時，由于電場的作用，水分子會沿著電場方向移動，逐漸侵入電纜，聚集在微觀缺陷處。在水分子和電場的同時作用下，微觀缺陷處的絕緣材料發生永久性降解，擴大微觀缺陷，形成水樹通道，進一步發展為水樹[1-2]。

水樹枝的結構由許多微米級的親水性空洞以及存在于電纜無定形區的納米級水樹通道組成?？斩磁c通道均存在于電纜絕緣內部，隨著水樹通道的逐漸發展，這些通道將孤立的親水性空洞連接成一片水樹劣化區域，形成水樹枝的形貌。

水樹通?？煞譃橥L型水樹和蝶形水樹。由于半導電層的有部分突起，導致其和絕緣層貼合不緊密，形成小的空腔，水分子可逐漸滲入，空腔從內、外半導電層向絕緣層發展，形成通風型水樹；由于絕緣層內部存在雜質、微裂紋和微氣隙，水分子在電場的作用下侵入，微觀缺陷在絕緣層內部發展，形成蝶形水樹。

由于水樹形成的空腔與通道降低了絕緣層厚度，同時水樹中水分子增大了電纜絕緣電導率。所以相較于健康區域，水樹區域僅需更低的電壓便能引發電樹，電樹生長后能夠橋接整個電纜絕緣，最終造成絕緣的擊穿，引發電纜事故。

2 水樹的離線診斷

2.1 超低頻介損法

常規50 Hz 下的介損測試測試結果準確度不夠，且由于測試頻率與工頻相同而受干擾較大，近年來漸漸不再使用，轉而被超低頻下的介損測試取代。在電導損耗為主的情況下，超低頻下的介損tanδ 擁有更大的數值，測試受到的干擾也就更小。超低頻下的介損tanδ 與擊穿電壓有良好的關聯性[3]。

通過頻譜分析發現,超低頻介損與電纜絕緣的水樹劣化狀態相關性較好[4-5]。水樹劣化電纜在0.3 Hz 以下差頻范圍的電流響應波形與完好電纜有顯著差異，信號特征明顯，檢測靈敏度高，抗干擾能力強[6]。

超低頻下的介損測試并不是一成不變的。有學者發現在同一電壓等級下的超低頻介損測試，tanδ 值會隨著時間的加壓時間變化而出現一定的變化，表現出同一電壓下介損測試結果的分散性。此外，在不同電壓等級下進行測試，tanδ 值也不是隨著電壓升高呈線形變化，表現出超低頻介損的非線形性并且在測試過程中不同電壓等級下的測試結果會表現出遲滯性，即前一電壓等級下的介損測試會對后一電壓等級的測試造成影響[7]。

根據以上所述的超低頻下的介損測試的性質，韓國有學者提出通過超低頻介損測試時U0的tanδ 平均值（TD，tanδ）、1.5U0 下tanδ平均值和0.5U0 下tanδ 平均值之差（DTD，Delta tanδ）、1.5U0 下tanδ 的 標 準 偏 差（STDEV，Standard deviation）三個特征參量，建立三維評判體系，對電纜老化狀況進行診斷[8-9]。隨后演變為IEEE Std. 400.2，將0.1 Hz 下的介損測試列入電纜現場實驗和評估的手段之一[10]。

2.2 空間電荷法

由于產生水樹的電纜區域的介電常數不同于其他正常區域，且在水分子和電場的同時作用下，絕緣材料會發生降解，空間電荷陷阱增多，所以通過測量空間電荷來表征水樹老化行為，是可行的，并且已經取得了良好效果。壓力波傳 播 法（PWP，Pressure Wave Propagation method）和電聲脈沖法（PEA，Pulsed Electro-Acoustic method）是測量空間電荷的有效方法。在水樹尖端容易聚集空間電荷，且其極性與水樹生長點的電壓極性相一致[11-12]。壓力波傳播法的基本原理是對電纜施加一個或多個電脈沖，電脈沖激發空間電荷，使得空間電荷運動，在電極上產生一個增量，可通過隨之產生的位移電流檢測到。在電聲脈沖法中，電聲脈沖是由電脈沖和樣品內的空間電荷的相互作用產生的，并經過樣品被傳感器檢測。傳感器檢測到的開路電壓直接正比于樣品中的空間電荷分布[13]。

目前國外有學者將電聲脈沖法結合到電纜水樹診斷與定位中。運用電聲脈沖法，可測試電纜不同徑向角度的空間電荷響應。對于存在空間電荷的位置及推測可能存在已經成型的水樹。電纜表面與電極的接觸面積控制在1～2 mm，由此電聲脈沖法檢測的徑向角度可控制在很小的范圍內。提高水樹區域所在電纜徑向角度定位的精度。同時，由于電聲脈沖法能夠檢測出兩個電極之間的空間電荷分布，所以水樹區域所在的電纜徑向位置也能夠確定[14-15]。

圖1 是日本學者利用電聲脈沖法的空間電荷測試系統：

圖1 PEA法空間電荷測量系統

2.3 殘余電壓法

殘余電荷法是通過檢測水樹中空間電荷來判斷電纜水老化程度的方法。日本學者對殘余電壓法用于水樹電纜的研究較為深入[16-17]。傳統的殘余電荷法首先向水樹老化電纜施加恒定直流電壓，在直流電壓的作用下，電荷移動并且被水樹區域陷阱捕獲。一段時間后電纜被接地，大部分空間電荷被釋放，但仍有部分被深陷阱捕獲的空間電荷（也即殘余電荷）存在于絕緣中，特別是水樹區域中。隨后電纜被施加交流電壓，在交流電壓的作用下，殘余的空間電荷得以釋放。通過計算此過程中電流的積分，得到殘余電荷量，可作為評價絕緣水樹老化程度的標準。

但是，傳統的殘余電荷法檢測XLPE 電纜中的水樹精度不高。并且施加的直流電壓有可能導致與電纜相聯結的GIS 設備放電，傳統的殘余電荷法并不適用于與GIS 設備相連的電纜線路。此外，由于需要長時間施加直流高壓和交流電壓，所以導致設備體積較為龐大笨重。為了解決這些問題，研究者嘗試使用脈沖寬度1～10 ms 的脈沖電壓代替上述測試過程中的直流電壓和交流電壓完成電纜的電荷積累和電荷釋放過程，取得了良好的測試效果[18]。同時，改進后的殘余電荷法能夠用于與GIS 設備相連的電纜的水樹診斷，并且設備體積大大減小。

改進后的殘余電荷法雖然解決了上述兩個問題，但是也暴露出了新的問題。由于使用脈沖電壓，所以必然會有反射脈沖存在，導致水樹區域的電流響應難以辨別。針對這一問題，日本學者進行了進一步研究，產生了進一步改進的殘余電荷法[19-21]。

進一步改進的殘余電荷法的原理是先對水樹老化電纜施加一個負極性高壓脈沖，持續時間1 s，使水樹區域積累負極性空間電荷。隨后將電纜接地放電1 s，放出除水樹尖端空間電荷外的大部分電荷。然后對電纜施加一次或者多次正極性的去極化脈沖，脈沖寬度1 μs，間隔5 μs～1 s，得到電流響應，包括水樹區域的響應和反射脈沖響應。再對電纜施加同樣持續時間的正極性高壓脈沖，使水樹區域積累正極性空間電荷。同樣接地放電1 s。隨后施加正極性參考脈沖，同樣的脈沖寬度與脈沖間隔。由于水樹區域空間電荷極性與參考脈沖相同，所以此時水樹區域并無脈沖響應，得到只包含反射脈沖的響應。兩次響應相減即可得到只包含水樹區域電流響應的波形。根據其積分后的電荷量判斷水樹老化程度。此外，這種進一步改進的殘余電荷法還可實現對水樹區域的定位，定位精度約為100 m。

圖2 殘余電荷法外加脈沖電壓和響應示意圖

2.4 介電響應法

由于XLPE 絕緣層中出現水樹老化現象時，通常伴隨著水分侵入和材料自身結構的改變，絕緣材料的介電性能也會隨之發生變化。因此，作為一種非破壞性并且可靠的測試手段，測量材料的介電響應并從中提取相應的老化特征參數能夠有效診斷電纜絕緣的水樹老化程度[22-27]。雖然交聯聚乙烯為非極性材料，并且其絕緣性能很好。但由于絕緣材料老化后介電性能的變化，其在電場的作用下仍會出現極化現象，并且也會存在微小的電導電流以及損耗現象。通過檢測這些現象的特征，來判斷電纜絕緣材料的老化情況。這便是介電響應用以表征絕緣材料老化狀況的原理。

介電響應的檢測方法包括時域方法和頻域方法，時域測量包括極化去極化電流法（Polarization and Depolarization Current， PDC）和回復電壓法（Return Voltage Method， RVM），而頻域介電譜（Frequency Domain Spectroscopy，FDS）則屬于頻域測量方法。下面對這三種介電響應測量用電纜水樹診斷的方法進行介紹：

2.4.1 極化去極化電流法

極化去極化電流法屬于介電響應測試法中的時域測量。首先利用直流源對絕緣介質進行充電。在此充電過程中，絕緣介質將產生極化現象。即內部偶極子按照電場方向重新排列，同時介質表面會有束縛電荷的出現。在這個充電過程中由于流過絕緣電介質的電流稱之為極化電流，主要包含電導電流、電容電流和吸收電流三部分。其中偶極子極化和夾層極化產生的電流組成了吸收電流的主要部分[28]。然后接地短接絕緣介質，由于極化產生的絕緣介質表面上的電荷得以釋放，同時介質內部發生去極化過程。這個過程中流過電介質的電流稱之為去極化電流。

圖3 極化去極化法電路原理圖

利用極化去極化電流法進行絕緣狀態診斷，主要有三種類型的特征參量來表征水樹老化，分別為利用極化去極化電流值判斷、利用時頻變換得到的介質損耗角正切值判斷和利用水樹的非線性進行判斷。

有學者指出，在水樹早期的表征中，相比于介損，PDC 更加敏感[29]。去極化電流絕對值大小和衰減時間長短取決于水樹區域大小和水樹中水的含量多少。水樹區域較大，水樹長度較長且其中水分的含量較為豐富時，去極化電流絕對值明顯較大且其衰減更為緩慢[30]。此外，極化電流峰值大小和電導率與水樹長度相關性很好[31-33]。由于在極化過程中，水樹區域會積累空間電荷，所以對極化電流高頻成分積分得到空間電荷量不失為一種診斷水樹老化的有效方法。前文中殘余電荷法診斷水樹電纜正是利用這一原理。同時由于PDC 法和殘余電荷法有著幾乎相同的極化過程，所以對極化電流高頻成分進行積分得到的電荷量也可用在PDC 法對水樹電纜的診斷中[34-36]。有文獻指出I*t～ln(t)曲線幅值大小能反映因水樹而產生的陷阱深度的變化，以此可作為水樹老化程度的判據。

極化去極化電流法中，可通過傅里葉變化或者Hamon 變換將測試得到的時域響應變化到頻域，觀察介質的頻域響應特性。對于水樹電纜，其介損頻譜在低頻處會出現峰[37]，峰值位置大約在0.1 Hz[31]。所以可根據介損在頻域下的平均值以及0.1 Hz 處的峰值反應水樹老化情況以及水樹長度。

此外，在電壓較低的情況下部分水樹通道處于關閉狀態，此時電纜電導率和介損相比于正常電纜增加并不明顯，不能很好的判斷電纜水樹老化情況。若此時增加電壓到一定程度，大部分水樹通道在電場的作用下一齊打開，表現出非線性特性[38-41]?？梢酝ㄟ^不同極化電壓下的電纜電導率的比值作為時域非線性系數來判斷水樹電纜。有學者提出對水樹電纜進行兩次PDC 測量，第一次測量使用1 kV 極化電壓對電纜加壓極化600 s；第二次測量使用5 kV極化電壓對電纜加壓極化60 s，然后再取20s至60 s 之間的極化去極化電流值計算電導率。以這兩個電導率的比值作為水樹老化表現出的非線性的表征[42]。除時域的非線性外，水樹電纜在頻域也表現出非線性，即為低頻介損的非線性。且頻域中的非線性比時域中表現更加強烈[43]。

2.4.2 回復電壓法

在對電力電纜進行直流耐壓測試時發現了回復電壓現象后，RVM 一直被認為是一種無損的測試方法，引起了學者的廣泛關注。其原理是將直流電壓U0較長時間tc作用在一個被試絕緣體上，然后經較短時間td的短路放電，開路后未充分放電的剩余極化電荷會逐漸返回其自由狀態，引起絕緣體兩端間電壓差的升高，這種電壓差被稱為回復電壓(Return Voltage，RV)。RVM 早期作為材料電介質物理現象和特性研究在實驗室內開展，后被證實其圖譜與絕緣材料的水分含量和老化狀態存在著較強的相關性[42]。相關研究證明回復電壓法是有可能用于水樹診斷的[45-46]。傳統回復電壓法很難準確判斷水樹電纜與無水樹電纜之間的區別，稍有不慎即可造成誤判。針對此情況荷蘭學者研究出一種改進回復電壓法——比率譜法，對水樹電纜進行診斷[47]。結果顯示，新電纜的比率譜為一條相對平直的線，水樹老化電纜的比率譜有一個峰值；根據比率譜最大值分布圖可以直接判斷電纜的絕緣水樹狀態。此外，水樹面積對比率譜最大值更敏感[48]。

2.4.3 頻域介電譜法

時域介電響應法可以通過傅立葉變換獲得頻域介電特性，但是在有限的時域測量時間內變換得到的頻率范圍有限，并且結果不一定準確。針對這一情況，頻域介電譜法直接對電纜進行不同頻率下的介電響應檢測得到直接的頻域特性不失為一種有效方法。FDS 測量主要可以反映在較寬頻率范圍（0.1 mHz～1 kHz）下的介質的阻抗特性、復介電常數特性以及介質損耗因數特性等。由此可以判斷電纜水樹長度，水樹位置和水樹老化程度等，并且可以將電纜附件的影響區別開來[49-50]。

3 結束語

隨著我國多數電纜運行時間的增長，進入壽命中后期階段，水分逐漸侵入電纜，電纜中開始出現水樹生長的情況。電纜中水樹的存在會導致電纜的擊穿電壓下降，容易引發電力事故，造成巨大損失。電纜的水樹老化診斷迫在眉睫。

本文概述了水樹的離線診斷方式，包括超低頻介損法、空間電荷法、殘余電壓法和介電響應法等方法應用于電纜水樹診斷。介紹了該方法應用于電纜水樹診斷的原理，總結了近年來國內外學者的研究經驗。

由于大多數離線診斷方法主要用于電纜的整體老化的檢測。因此對于電纜的水樹缺陷診斷，首先應提高方法的水樹缺陷辨識能力和辨識的準確性。此外，電纜絕緣狀態與其特征參數之間的關系存在統計分散性，單純依靠一種方法判斷水樹電纜，可能會有漏判或誤判的可能，應采用多種離線檢測方法綜合測量判斷。