1、本科毕业论文（20 届）交联聚乙烯电缆电树、水树产生原因及生长的理论分析所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -交联聚乙烯电缆电树、水树产生原因及生长的理论分析摘要电树枝化与水树枝化是影响交联聚乙烯电力电缆安全可靠运行的重要因素，电缆在长期的运行过程中受到电压和温度的影响，绝缘性能逐渐下降，直接威胁到电网的安全运行。特别是伴随电压等级的迅速提高，电树枝化、水树枝化对电缆的可靠性和使用寿命的影响正日益突出。本文以近些年来日本不同电压等级交联聚乙烯电缆的故障和运行状况作为背景，进而展开，从四方面阐述了其绝缘老化的
2、机理。同时，交联聚乙烯电缆与冲油电缆相比较，交联聚乙烯电缆有着敷设安装方便，运行维护简单，不存在油的淌流问题等优点，但其绝缘在运行中存在树枝化放电，造成绝缘老化破坏，很大程度上影响了其寿命。通过分析影响 XLPE 电缆电树枝引发和生长因素，进而找到防止其发生的措施。与此同时，XLPE电缆水树枝化放电现象在正常运行中也极为常见，其对电网正常安全运行也会构成影响。本文阐述了对水树枝放电产生发展的分析，叙述了水树枝缺陷在线检测的方法。进而得出了工厂企业实际施工中，防止其发生故障的相应方法与对策。国外早在 20 世纪 60 年代就开始了关于 XLPE 电缆绝缘弱点检出和老化检测技术的研究，至今仍在不断
3、深入发展，不乏统计与测试数据，富有参考价值。通过对 XLPE 电缆绝缘击穿事故统计分析和初步进行现场局部放电测试情况，并借鉴国外技术进展，对 XLPE 电缆绝缘老化、相应的绝缘检测技术给予叙述，以提高运行管理水平。因此，研究交联聚乙烯电缆电树枝的生长特性对电缆的安全运行具有重要意义。关键词 XLPE 电缆；电树枝；水树枝；绝缘缺陷；局部放电；老化机理。哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Electrical Tree in XLPE cable, water tree causes and development of theoretical analysisAbstractThe tree
4、ing-induced aging is one of the major factors that undermine the long-term operational reliability of high voltage rating cross-linked polyethylene power cables.XLPE cable suffers from thermal and electrical aging stress in the long-term operation.It will deteriorate the insulating performance and t
5、hreaten the reliability of power grid directly.As to the rapid rise of voltage rating in power system, electrical trees and water trees effect to reliability and service life of XLPE cable.Thus,it is necessary to study the characteristics and influencing on factors of electrical trees and water tree
6、s in XLPE.The article analyses cable structure and defects of insulation layer,the defects of insulation layer mainly include air gap and impurity,air gap is one of major factors causes PD and impurity lead to the insulation aging of XLPE cable. By analyzing the influential XLPE power cables and gro
7、wth factors caused the branches, and then find the measures to prevent the occurrence. At the same time, XLPE cable water dendronized discharge in the normal operation of the phenomenon is common, the normal operation of power grids safety will constitute the influence. This paper expounds the water
8、 discharge to produce branches analysis of the development, described the water branches defects detection method of online. And a conclusion that the factory enterprise actual construction, to prevent the occurrence of fault corresponding methods and countermeasures.Foreign as early as in the 1960
9、s began about XLPE insulated cables weakness detection and aging detection technology research, still in the further development, is many statistics and test data, rich reference value. Through to 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -XLPE insulated cables breakdown accident statistics analysis and preliminary test t
10、he partial discharge, and draw lessons from foreign technology progress, to LPE cable insulation aging, corresponding insulation testing technology to give, makes a thorough development of this field of comprehensive investigation and research, in order to improve the operation management level. The
11、refore, the crosslinked polyethylene cable electric branch growth properties of the safe operation of the cable has important significance.Keywords XLPE Cable；Electrical Trees；Water Trees；Insulation Defects；Partial Discharge；Aging Mechanisms.哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 高压 XLP
12、E 电缆及其附件的绝缘损坏 .11.2 日本不同等级 XLPE 电缆近年运行情况 .11.2.1 日本不同电压等级 XLPE 电缆绝缘损坏比较 .11.2.2 日本 66kV 级 XLPE 电缆线路绝缘损坏故障分布状况 .21.2.3 日本高压级 XLPE 电缆线路运行情况 .21.3 绝缘之间的接口问题 .21.4 我国需关注绝缘老化问题 .21.5 本章小结 .3第 2 章 XLPE 电缆系统绝缘老化的机理分析 .42.1 局部放电 .42.2 电树枝老化 .42.3 水树老化 .52.4 热老化 .52.5 本章小结 .5第 3 章 XLPE 的电树枝化放电分析 .63.1 交联聚乙烯电
13、缆电树枝老化研究的意义 .63.2 电树枝的定义及分类 .73.2.1 电树枝的定义 .73.2.2 电树枝的分类 .73.3 影响电树枝引发和生长的因素 .83.3.1 影响电树枝引发的因素 .83.3.1.1 交流迭加冲击电压下 XLPE 中的电树枝起始特性 .83.3.1.2 残存机械应力对电树枝引发时间的影响 .83.3.1.3 缺陷对 XLPE 中的电树枝起始特性的影响 .93.3.2 影响电树枝生长的因素 .93.3.2.1 外施电压 .93.3.2.2 频率 .123.3.2.3 残余机械应力 .143.3.2.4 温度 .143.3.3 XLPE 电缆绝缘中电树枝的抑制方法 .
14、15哈尔滨理工大学学士学位论文- V -3.4 交联聚乙烯电缆绝缘中的导电和非导电型电树枝概述 .153.5 本章小结 .16第 4 章 XLPE 的水树枝化放电分析 .174.1 水树枝现象 .174.2 水树枝的类型 .204.3 水树枝产生的机理 .204.4 水树枝产生发展与环境温度、水质和电压的关系 .224.5 XLPE 的水树枝缺陷在线监测系统 .234.5.1 交联聚乙烯电缆在线监测方法 .234.5.1.1 直流分量法 .234.5.1.2 直流迭加法 .234.5.1.3 介损法 .234.5.1.4 差频法 .244.5.1.5 复合判定法 .244.5.2 系统原理 .
15、244.6 工厂企业防止 XLPE 电缆因水树枝劣化而发生电缆故障的对策 .244.6.1 设计及选型阶段 .244.6.1.1 选型 .244.6.1.2 电缆敷设方式设计 .254.6.2 订货及施工阶段 .254.6.2.1 电缆的选择 .254.6.2.2 电缆的防潮 .254.6.2.3 施工的监管 .254.6.3 投用后的检测 .254.6.3.1 在线检测 .254.6.3.2 定期进行预防性试验 .264.7 本章小结 .26结论 .27致谢 .28参考文献 .29附录 A 英文文献 .31附录 B 非线性绝缘中的电树建模 .36哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章
16、 绪论1.1 高压 XLPE 电缆及其附件的绝缘损坏 广州供电系统在国内较早地使用高压 XLPE 电缆，迄今 110kV 级XLPE 电缆总长度已达 636km。19952000 年共发生 110kVXLPE 电缆绝缘击穿事故 11 起，分类如下：电缆本体 7 起，均属外力破坏造成；电缆接头 4 起，其中 3 起为投入运行不久出现，是归属于构成材料、工艺所致，另 1 起则是绝缘击穿，其接头无防水构造，并运行了 10 年，经分析是水树老化所致。上述绝缘击穿事故显示了电缆本体未出现绝缘老化损坏，但运行时间终究有限，是否出现绝缘老化的异常指标，尚未经测试，XLPE电缆是否都能够可靠运行至预期使用寿命
17、还是个待研究的问题。而有一起电缆接头已出现绝缘老化，则至少表明对于包含附件在内的电缆系统绝缘老化问题需引起重视。现不妨借鉴国外较早应用高压 XLPE 电缆及其附件的实践经验 1,2，结合予以分析。 1.2 日本不同等级 XLPE 电缆近年运行情况1.2.1 日本不同电压等级 XLPE 电缆绝缘损坏比较 一般 XLPE 电缆高压级比中压级的本体绝缘老化损坏较少，如日本19651995 年按电压级统计电缆绝缘事故率，显示了随电压级增高其相应的电缆绝缘损坏率依次较低，见表一。这或许是 XLPE 电缆的制造工艺对高电压级有较严格的质量目标管理，加之 110kV 及以上电压级电缆均采用金属层径向防水构造
18、的缘故。 表一 日本 66kV 级 XLPE 电缆线路绝缘损坏的分布次数绝缘损坏影响因素 电缆 电缆附件水树 12侵水 7外伤 10 15异物 2 7半导电层突起 2界面空隙 12形状不良 11其它 2 2哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -1.2.2 日本 66kV 级 XLPE 电缆线路绝缘损坏故障分布状况 日本在 19771995 年 66kVXLPE 电缆线路发生 82 次绝缘损坏故障，其分布特点有： a)电缆本体因水树老化导致绝缘损坏达 12 起，它存在于沿电缆纵向的局部位置，但这些电缆是 19751980 年投产的一批，当时的制造工艺含湿法交联(20 世纪 80 年代后才完全为干法
19、交联)，且电缆构造没有径向防水层。因之，历经 1219 年运行后出现绝缘击穿。 b)电缆附件因形状不良、接口空隙导致绝缘损坏达 23 起，占相当大比例。其电缆接头基本上为绕包型，安装质量受作业环境、技术熟练等条件制约，人为过失因素较显著。1.2.3 日本高压级 XLPE 电缆线路运行情况 高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术述评日本 110kV 及以上电压级 XLPE 电缆线路至 2005 年已使用 1705km，迄今未出现电缆本体绝缘损坏。已运行的 4000 多个电缆附件中，虽未出现水树老化导致绝缘击穿，但发生过 1 次接头绝缘损坏，是模塑型接头绝缘挤出作业中有纤维性异物混入所致。 1.3
20、 绝缘之间的接口问题 荷兰 150kVXLPE 电缆系统在 1993 年 1 天中曾发生多个电缆终端一连串绝缘击穿，造成大范围停电。经分析判明，原因是干式构造终端的预制橡胶应力锥与 XLPE 绝缘之间的接口问题。后对该系统出现绝缘击穿前已退出运行的电缆终端检查，发现接口上存在电树枝痕迹，表明形成电树枝已有较长时日。这一界面问题已引起欧、日等业界重视。绝缘之间的接口问题是不同绝缘接口间出现的缺陷，或因电缆的交联聚乙烯与附件的硅橡胶部件各有不同热膨胀系数而形成位移，或运行一定时间后接口变得干燥，或接口间压力随时间推移而减低，或安装时的杂质带入等。 1.4 我国需关注绝缘老化问题 从上述事例可以看到
21、，无径向防水构造的高压 XLPE 电缆、绕包式接头、预制干式终端或接头，已在高压级 XLPE 电缆运行中出现过绝缘老化。国内 110kV 级 XLPE 电缆在使用早期多缺乏径向防水层，又多采用绕包式接头，近年 110220kV 级大量使用预制干式电缆附件，故而需关注绝缘老化问题。另一方面，由于 110220kV 级 XLPE 电缆制造已按绝缘弱点目标实施质量管理，加之具有金属套构造达到有效防水，因此可认为不存在一般中压 XLPE 电缆那样多的水树老化，从而其预防性老化检测可较为简化。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -1.5 本章小结对国内外部分高压交联聚乙烯电缆(XLPE)系统的绝缘损坏作了
22、统计，分析了电缆及其附件绝缘老化原因和形态，叙述了 XLPE 电缆绝缘老化的机理。指出对高压电缆附件和缺乏径向防水构造的 XLPE 电缆需重视绝缘老化问题。对于 XLPE 电缆本体绝缘老化检测，认为高压级可比中压级简化。概述了国外绝缘老化诊断新技术的发展。最后，对局部放电检测绝缘老化技术方法作了试验探讨。 交联聚乙烯(简称 XLPE)绝缘电缆由于敷设容易、运行维护简便，现已是 10220kV 供电电缆的主流。近 20 年来，大量引进的 66220kV 级和国产的 66220kV 级 XLPE 电缆已广泛应用于城网送电系统中。随着时间的推移，如今运行的 66kV 及以上高压的 XLPE 电缆，有
23、些已逐渐进入电缆及其附件预期寿命的“中年期” 。电缆系统在实际使用状况下，能够继续长时期可靠工作或因绝缘老化加速而缩减使用寿命是运行管理部门十分关注的问题。 国外早在 20 世纪 60 年代就开始了关于 XLPE 电缆绝缘弱点检出和老化检测技术的研究，至今仍在不断深入发展，不乏统计与测试资料，富有参考意义。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第 2 章 XLPE 电缆系统绝缘老化的机理分析2.1 局部放电 在运行电压下，局部放电能够存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的接口上。当绝缘中存在微孔或绝缘层与内、外半导电层间有空隙时，将由于局部放电侵蚀绝缘而使绝缘性降低，以致发生老化形态，表现为绝
24、缘击穿。 根据绝缘层中存在微孔的模型，由下面经验式算出允许最大微孔尺寸：（2-1）65.2)ln(3.1020rRUa式中 2a微孔直径， ； mU施加电压，kV； 绝缘层内半径，mm； 0绝缘层外半径， mm。 高压 XLPE 电缆按满足(2-1)关系式进行设计，能保证在正常运行场强下不发生局部放电，这或许是在正常使用条件下未出现因局部放电导致绝缘老化击穿事例的缘故。但当电缆本身受到外伤或附件组装不善时，就可能出现起因于局部放电导致绝缘老化的绝缘击穿。2.2 电树枝老化它是由于绝缘材料中含杂质，形成场强集中部位发生局部放电，具有树枝状痕迹逐步伸展至全部路径而击穿的老化形态。对于 XLPE 绝缘，由电树枝出现到全部路径击穿的时间较短，这是电树枝与水树有所区分的一个特点 1,3。 在 XLPE 电缆绝缘层，由于杂质或半导电层突起，出现场强集中就存在有害性，其有害性的界限可按下式算出： （2-2）maxEkfntc式中 发生树枝的场强，kV/mm；才最大工作场强，kV/mm； ax温度校正因子，取 1.2； tk寿命换算因子，取 2.52； n
