交聯聚乙烯(XLPE)電纜是固態絕緣的代表。聚乙烯樹脂本身是一種在常溫下電性能極優的絕緣材料,用輻照或化學的方法對它進行交聯處理,使其分子結構由原來的線性結構變成網狀立體結構,則可以很好地改善它在高溫下的電氣性能和機械性能,利用它制作的電纜可以避免使用絕緣油,主要適用于10kV及以上電壓等級的輸配電線路,使用場合十分廣泛。XLPE電纜的歷史只有四十年,自60年代初世界上第一條66kVXLPE電纜投入使用以來。大約每5年提高一個電壓等級。目前全世界66kV及以下的XLPE電纜的銷售量,已占電力電纜總量的90%以上。在日本,這種電壓等級下充油電纜己經全部被XLPE電纜取代。70年代的普遍看法是XLPE電纜適用限度為110-220kV,但隨著干式交聯工藝、三層擠出工藝以及采用超凈材料等重大技術進步的實現,電纜絕緣性能大幅度提高。目前,法國和日本分別制作出400kV和500kV的XLPE電纜,并已經有十年的使用歷史。我國從80年代中期開始,北京、上海、廣州和深圳等陸續進口了一批110-220kV的XLPE電纜,運行情況良好,在施工和運行方面都積累了一些經驗。
XLPE電纜主要有以下的優點:
(1)優越的電氣性能。在理論上,XLPE電纜的電氣性能指標甚至比充油電纜還好。
(2)良好的熱性能和機械性能。聚乙烯樹脂在經過交聯工藝后,大大提高了耐熱性能和機械性能。其正常允許工作溫度達到90℃,比充油電纜高,因而在相同的導體截面下,XLPE電纜的載流能力也比充油電纜強。
(3)敷設安裝方便。由于XLPE電纜是干式絕緣結構,不需要敷設供油設備,這給施工帶來了極大的方便,連接頭和終端頭己經采用預制成型附件,安裝時間可縮短。安裝落差不受限制,在振動的場合不需要采取專門的防振措施,和GIS連接時不存在油混入絕緣氣體的問題。
XLPE電纜主要有以下缺點:
(1)高電壓等級的XLPE電纜的開發使用時間不長,在制造工藝和運行方面的技術和經驗遠不如充油電纜,在理論和實踐上都有一些問題尚待解決。
(2)在制造過程中,由于受到工藝水平的限制,從材料生產、處理到絕緣層擠塑的整個生產過程中,絕緣層內部容易出現雜質、水分和微孔,按目前的水平,只能盡量控制它們的數量和尺寸。更為不利的是,電壓等級越高,絕緣層厚度越大,擠壓后冷卻收縮過程中產生微孔的幾率也越大。
(3)當交聯聚乙烯電纜處于潮濕或其它惡劣環境下運行時,在高壓電場的作用下也會產生絕緣惡化,特別是直埋的情況下,更容易產生水樹而使絕緣迅速惡化,因此,電力系統中運行若午年后的交聯聚乙烯電纜常有絕緣擊穿事故發生。為此必須對運行中的交聯聚乙烯電纜經常進行絕緣狀況的檢測或診斷。在電力系統中,慣用的檢測或診斷辦法是在停電的情況下,對被測電纜絕緣施加直流高壓,檢測直流泄漏電流的大小,以此判斷電纜絕緣的好壞。這種方法不僅需要停電將電纜退出運行,更為嚴重的是對交聯聚乙烯電纜絕緣施加直流高壓會對絕緣造成損害,加速絕緣惡化的過程。用施加直流高壓檢測泄漏電流合格的電纜,在重新投入運行后很快發生絕緣擊穿事故,這在電力系統中屢見不鮮。其主要原因就是直流高壓對絕緣惡化的加劇。事實上交聯電纜的絕緣層不同于油紙電纜,去掉直流高壓之后的一段時期內仍舊維持著極化狀態的分子排列,特別是在因老化而生成的各種樹枝結構內,其分子排列更不容易恢復到施加直流高壓之前的狀態,因此當再次承受交流高壓時就很容易發生擊穿事故,可見,對交聯電纜施加直流高壓進行耐壓試驗,實際上是一種弊多利少的“破壞性試驗”。
(4)目前國內充油電纜己經有定型產品供選用,而高電壓等級的XLPE電纜還要靠進口,且價格比較昂貴。
總之,XLPE電纜以其優越的絕緣性能和安裝方便,越來越受到青睞,盡管目前的造價比較高,但隨著工藝技術的不斷發展,會得到改善,造價接近充油220kV及以上電壓等級的XLPE電纜會越來越多。
城網改造和農網改造的實施,電纜的使用愈來愈多,電纜的運行狀況直接關系到電力系統的安全運行及供電的可靠性,因此,保證電網的安全運行己成為十分重要的問題。
長期的實踐證明,局部放電是造成電力電纜絕緣破壞的主要原因。首先,在局部放電的過程中,電離出來的電子、正負離子在電場力的作用下具有較大的能量,當它們撞到絕緣內空氣隙的絕緣壁時,足以打斷絕緣材料高分子的化學鍵,產生裂解。其次,在放電點上,介質發熱可達到很高的溫度,使得絕緣材料在放電點被燒焦或熔化;溫度升高還會產生熱裂解或促使氧化裂解;同時溫度升高會增大介質的電導和損耗,由此產生惡性循環,導致絕緣體破壞。第三,在局部放電過程中會產生許多活性生成物,這些生成物會腐蝕絕緣體,使得介質性能劣化。第四,局部放電有可能產生X射線和Y射線。這兩種射線具有較高的能量,能夠促使高分子裂解。除此之外,連續爆破性的放電以及放電產生的高壓氣體都會使絕緣體產生微裂,從而發展成電樹枝。
國內外運行經驗和研究成果表明:XLPE電力電纜性能早期劣化或使用壽命很大程度上取決于XLPE絕緣介質的樹枝狀老化,而局部放電測量是定量分析樹枝狀劣化程度的有效方法之一,即樹枝引發初期,其局部放電量約0.1pC;當樹枝發展到介質擊穿臨界狀態時,其局部放電量達到1000pC左右。因此,對XLPE電力電纜絕緣的局部放電進行檢測是及時發現故障隱患,預測運行壽命,保障電力電纜安全可靠運行的重要手段。