基于硅橡胶基调控的高压电缆缓冲层缺陷修复研究.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-2 9 0 X.2 0 2 3.0 7.0 1 0收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 6 修回日期:2 0 2 3-0 5-2 3基金项目:中国南方电网有限责任公司科技项目(G ZHK J XM 2 0 1 9 0 1 0 4)基于硅橡胶基调控的高压电缆缓冲层缺陷修复研究凌颖1,黄嘉盛1,李濛1,吴智恒2,惠宝军3,刘刚2(1.南方电网广东广州供电局,广东 广州 5 1 0 6 2 0;2.华南理工大学 电力学院,广东 广州 5 1 0 6 4 1;3.南方电网科学研究院有限责任公司,广东 广州 5 1 0 6 6 3)摘要:近年来,缓冲层放电造成的电缆本体击穿事故,对线路的运维检修提出了新的挑战,但目前鲜有抑制缓冲层放电的缺陷修复方法。制备含导电炭黑的加成型硅橡胶作为修复液,将其注入电缆气隙层后,对其修复缓冲层电气性能的情况展开研究。采用场发射扫描电子显微镜和电阻测量装置,从介观和宏观层面分析修复液的导电机理;同时建立高压电缆三维数值仿真模型,分析修复液注入体积以及电导率参数对缺陷电缆修复前后电场分布的影响;最后开展真型电缆局部放电试验,对比缺陷电缆在修复前后的局部放电情况。结果表明:当修复液电导率小于1 0-5 S/m时,电场强度主要受接触界面边缘曲率影响;当修复液电导率超过1 0-5 S/m后,其能够在绝缘屏蔽与铝护套之间构筑良好的导电通道,减小放电烧蚀的风险;修复液注入缺陷电缆后,能够显著抑制缓冲层放电现象,恢复缓冲层的电气性能。关键词:高压电缆;缓冲层放电缺陷;修复方法;加成型导电硅橡胶;电场仿真;局部放电测试中图分类号:TM 7 2 0 7 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-2 9 0 X(2 0 2 3)0 7-0 0 8 4-1 0R e s e a r c h o n D e f e c t R e j u v e n a t i o n o f B u f f e r L a y e r f o r H i g h V o l t a g e C a b l e B a s e d o n S i l i c o n e R u b b e r R e g u l a t i o nL I NG Y i ng1,HUANG J i a s h e ng1,L I M e ng1,WU Z h i h e ng2,HU I B a oju n3,L I U G a ng2(1.C S G G u a ngd o ng G u a ngz h o u P o w e r S up ply B u r e a u,G u a ngz h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 6 2 0,C h i n a;2.S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e r E ngi n e e r i ng,S o u t h C h i n a U n i v e r s i ty o f T e c h n o l og y,G u a ngz h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 6 4 1,C h i n a;3.C S G E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,G u a ngz h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 6 6 3,C h i n a)A b s t r a c t:I n r e c e n t ye a r s,t h e b r e a k d o w n a c c i d e n t o f t h e c a b l e b o dy c a u s e d by t h e d i s c h a rge o f b u f f e r l aye r h a s po s e d n e w c h a l l e nge s t o t h e ope r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e o f t h e l i n e.H o w e v e r,t h e r e a r e d e f e c t r eju v e n a t i o n m e t h o d s t o r e s t r a i n t h e d i s c h a rge o f t h e b u f f e r l aye r.I t i s n e c e s s a ry t o d e v e l op a n e w m e t h o d t o r eju v e n a t e t h e d e f e c t s o f t h e b u f f e r l aye r.By pr epa r i ng a s i l i c o n r u b b e r c o n t a i n i ng c o n d u c t i v e c a r b o n b l a c k a s t h e r eju v e n a t i o n f l u i d,t h i s pape r i n v e s t iga t e s t h e e l e c t r i c a l pr ope r t i e s o f t h e b u f f e r l aye r a f t e r t h e r eju v e n a t i o n f l u i d i s i nje c t e d i n t o t h e a i r gap l aye r o f t h e c a b l e.By u s i ng t h e f i e l d e m i s s i o n s c a n n i ng e l e c t r o n m i c r o s c op y a n d r e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t d e v i c e,i t a n a lyz e s t h e c o n d u c t i v e m e c h a n i s m o f r eju v e n a t i o n f l u i d b o t h i n m e s o s c opi c a n d m a c r o s c opi c a spe c t s.I t a l s o e s t a b l i s h e s a 3 D n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m o d e l o f h igh v o l t age c a b l e t o a n a lyz e t h e i mpa c t o f t h e i nje c t i o n v o l u m e o f r eju v e n a t i o n f l u i d a n d c o n d u c t i v i ty pa r a m e t e r s o n t h e e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o f d e f e c t i v e c a b l e b e f o r e a n d a f t e r r eju v e n a t i o n.F i n a l ly,a pa r t i a l d i s c h a rge t e s t i s pe r f o r m e d o n t h e r e a l c a b l e t o c o mpa r e t h e pa r t i a l d i s c h a rge s i t u a t i o n o f t h e d e f e c t i v e c a b l e b e f o r e a n d a f t e r r eju v e n a t i o n.T h e r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e c o n d u c t i v i ty o f t h e r eju v e n a t i o n f l u i d i s l e s s t h a n 1 0-5 S/m,t h e e l e c t r i c f i e l d s t r e ngt h i s m a i n ly a f f e c t e d by t h e c u r v a t u r e o f t h e c o n t a c t i n t e r f a c e e dge.W h e n t h e c o n d u c t i v i ty e x c e e d s 1 0-5 S/m,a go o d c o n d u c t i v e c h a n n e l c a n b e c o n s t r u c t e d b e t w e e n t h e i n s u l a t i o n s h i e l d a n d t h e a l u m i n u m s h e a t h t o r e d u c e t h e r i s k o f d i s c h a rge a b l a t i o n.A f t e r t h e r eju v e n a t i o n f l u i d i s i nje c t e d i n t o t h e d e f e c t i v e c a b l e,t h e d i s c h a rge ph e n o m e n o n o f t h e b u f f e r l aye r c a n b e s ign i f i c a n t ly s up pr e s s e d a n d t h e e l e c t r i c a l pr ope r t i e s o f t h e b u f f e r l aye r r e s t o r e d.K e y w o r d s:h igh v o l t age c a b l e;b u f f e r l aye r d i s c h a rge d e f e c t;r eju v e n a t i o n m e t h o d;a d d i t i o n ty pe o f c o n d u c t i v e s i l i c o n e r u b b e r;e l e c t r i c f i e l d s i m u l a t i o n;pa r t i a l d i s c h a rge t e s t 第3 6卷 第7期广 东 电 力V o l.3 6 N o.7 2 0 2 3年7月G U A N G D O N G E L E C T R I C P OWE RJ u ly 2 0 2 3 缓冲层作为高压电缆的重要结构,承担着电气连接和机械缓冲的作用 1。随着高压电缆大量投入使用,中国与东南亚等地区陆续出现了由高压电缆缓冲层放电烧蚀引发的本体故障 2-3。通过对故障电缆解剖分析发现,缓冲层与铝护套的紧密接触处出现了大量白斑缺陷 4,这些缺陷的持续发展和恶化可能是导致绝缘屏蔽甚至主绝缘发生烧蚀放电的主要原因。上述国内出现的故障电缆多为国产电缆,最长运行年限不足2 0年,远低于其设计使用寿命。缓冲层缺陷问题已成为制约电缆长期安全运行的瓶颈。若这些未达到使用年限的缺陷电缆无法立即更换,势必造成电缆带隐患运行,给电网的安全稳定运行带来极大风险。目前关于缓冲层烧蚀放电机理的研究主要集中在仿真模型建立 5、放电模拟实验 6-7以及成分分析 8等。针对缓冲层故障修复,近年来才开始有专家和学者提出应对方法。文献 9 率先公开了一种消除电缆绝缘屏蔽烧蚀的方法,指出可以采用导电溶剂恢复缓冲层电气性能,由此避免缓冲层缺陷造成的电缆击穿事故;文献 1 0 则指出,用于缓冲层缺陷修复的材料可以是气体或是含有半导电颗粒的液体,并认为修复后的缓冲层电阻率应小于1 03 m;文献 1 1 提出通过在电缆两侧加装适配器的方式,将修复溶剂注入电缆本体中,但对于不同外径的电缆,需要配备不同规格的适配器,且该方法无法保证修复溶剂能够完全灌满气隙层;文献 1 2 认为可以使用冷却后可凝固的材料恢复绝缘屏蔽与铝护套之间的电气接触,但并未对该材料进行详细说明。上述文献所提出的方法均为缓冲层缺陷修复的理论及试验研究提供了思路和参考方向。随着时间推移,关于修复溶剂具体材料的研究有了新的进展。文献 1 3 提出采用石墨颗粒作为导电颗粒、聚二甲基硅氧烷作为介质的液体修复溶剂,此方法需要考虑静置一段时间后导电颗粒沉淀所带来的修复质量下降问题;文献 1 4 则认为可以利用电缆两端的正负压气流将石墨粉体注入电缆中,以达到降低缓冲层电阻率的目的;类似地,文献 1 5 采用往气隙层中注入石墨烯气溶胶的方法,以此恢复缓冲层缺陷的电气性能。缺陷不仅发生在缓冲层与铝护套之间,在某些情况下,缓冲层与绝缘屏蔽之间也会出现缺陷,因此选择气溶胶作为修复介质,需进一步考虑导电颗粒如何为绝缘屏蔽与铝护套之间提供良好的电气连接通道,同时克服实际电缆气隙层形态不规则导致的导电颗粒分散不均的问题。为了克服上述修复方法的不足,本文提出一种将修复液注入电缆后固化的缓冲层缺陷修复方法,通过观察并测量导电颗粒的微观形态以及电气物性参数,分析修复液的导电机理。同时,为研究修复液注入电缆过程中影响修复效果的重要因素,建立高压电缆三维数值仿真模型,通过真型电缆局部放电试验,验证所提修复方法的有效性。1 高压X L P E电缆缓冲层缺陷修复液电气性能分析1.1 修复液制备修复液能够导电的关键因素是其中含有导电颗粒 1 6,而导电颗粒的种类、规格及含量等均会对修复液的导电、固化及应力等诸多性能产生重要影响 1 7。从导电性能和成本等方面考量,本文采用碳系导电填料中的炭黑作为修复液的导电介质,同时选择环保型双组分A B加成型硅橡胶作为修复液的基材。将乙烯基硅油、催化剂、表面活性剂和防水乳液加入带加热和减压系统的搅拌机中,升温至6 0,减压搅拌1 h制得修复液A液。接着将乙烯基硅油、含氢硅油、消泡剂和增稠剂加入带加热和减压系统的搅拌机中,升温至6 0,减压搅拌1 h制得组分B。利用高速搅拌和超声波分散技术将导电炭黑均匀分散于组分B中制得修复液B液,以此降低整体修复液的体积电阻率。修复液A、B液的原料见表1。表1 修复液双组份原料T a b.1 R a w m a t e r i a l s o f t w o-c o m p o n e n t r e j u v e n a t i o n f l u i d 修复液原料名称质量分数/%A液乙烯基硅油9 4.7催化剂3.3表面活性剂1防水乳液1B液乙烯基硅油6 5.7含氢硅油3 0增稠剂1消泡剂0.3导电填料3液态硅橡胶久置后,分散在基体中的导电炭黑颗粒会团聚沉淀,这也是液体修复溶剂应用时的主要问题 1 8。实际应用时,需要将液态硅橡胶均匀分散后固化。在实验室条件下,分别制备炭黑质量分数为3%、2.4%、1.8%、1.2%的修复液B液,58 第7期凌颖,等:基于硅橡胶基调控的高压电缆缓冲层缺陷修复研究并以11的比例加入修复液A液,分散均匀后放入平板硫化机进行压制。随后,将试样放入6 0 的恒温箱中放置5 0 m i n后取出,待冷却后脱模冲片,即得到炭黑质量分数分别为1.5%、1.2%、0.9%、0.6%的固态导电硅橡胶试样。1.2 修复液电气性能表征为了说明导电硅橡胶中炭黑颗粒介观结构与宏观电气性能的关联机制,研究导电硅橡胶对缓冲层电气 性 能 的 改 善 作 用,通 过 扫 描 电 子 显 微 镜(s c a n n i ng e l e c t r o n m i c r o s c ope,S EM)测试与电阻率测试,分析不同炭黑质量分数下导电硅橡胶的电气性能。采用场发射扫描电子显微镜,对制备完成的固态硅橡胶试样进行形貌观测,以研究分散在固态硅橡胶中的导电炭黑颗粒的分布状态。图1所示为不同炭黑质量分数下试样的S EM图像,其中出现的明显突起结构即为炭黑颗粒。从图1可以看出,硅橡胶中的炭黑颗粒并非独立存在,而是基本以团聚体形式出现的。当炭黑质量分数为0.6%时,炭黑团聚体聚落之间的距离为1.4 1 m,此时距离相对较大,炭黑整体分布较为分散,同时S EM成像存在明显的荷电效应;这说明此时材料表面的电阻率相对较高,二次电子的发图1 不同炭黑质量分数下的固态硅橡胶S E M图像F i g.1 S E M i m a g e s o f s o l i d s i l i c o n e r u b b e r w i t h d i f f e r e n t c a r b o n b l a c k m a s s f r a c t i o n s射率较低,因此图像呈现出异常的亮暗分明 1 9。当炭黑质量分数为1.2%时,开始出现明显的炭黑链状结构,电镜视野中的炭黑团聚体聚落逐渐增多,聚落之间的距离也开始变小。当炭黑质量分数为1.5%时,团聚体聚落的规模开始增大,团聚体个数明显增多,炭黑颗粒的整体分布也更加均匀。为了从宏观层面表征不同炭黑质量分数下的微观差异,采用B DD-2型电缆半导电电阻测量装置以及测厚规,测量不同炭黑质量分数的固态导电硅橡胶体积电阻率以及厚度。测量之前,用无水乙醇擦拭 样 本 表 面 以 及 电 极 表 面,以 保 证 接 触 面 的洁净。实验中,测量4种不同炭黑质量分数的1 2片固态硅橡胶试样电阻,试样的体积电阻率=RSL.(1)式中:R为电阻测量结果,k;S为电流流过固态硅橡胶的横截面积,mm2;L为电流流过固态硅橡胶的长度,mm。表2为不同炭黑质量分数的电阻R与厚度d测量结果和体积电阻率计算结果。由表68第3 6卷 2可知,随着固态硅橡胶中的炭黑质量分数提升,其电阻率将逐渐下降。在同一电极尺寸条件下,可以用同一炭黑质量分数中不同试样的电阻率数据方差大小来衡量固态硅橡胶中导电炭黑的分散性。固态硅橡胶的电阻率在炭黑质量分数达到1.2%时开始急剧下降,同时电阻率结果的方差数值也明显降低,这意味着此时的炭黑分散性能显著提高。表2 固态硅橡胶体积电阻率测量结果T a b.2 V o l u m e r e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f s o l i d s i l i c o n e r u b b e r/%试样编号R/k d/mm/(m)平均电阻率a v/(m)/(m)20.6A19 5 0.81.0 32 4 3 7.3 8B19 7 2.41.3 53 2 7 6.5 1C19 5 6.21.3 43 1 9 5.1 42 9 6 9.6 71 9.3 40.9A24 7 01.0 21 1 9 6.3 9B22 7 6.51.0 66 7 3.7 8C22 5 5.81.0 57 3 2.4 58 6 7.5 31 5.2 91.2A33 50.7 46 4.7 5B33 5.60.6 45 6.6 2C33 60.7 06 3.1 96 1.5 21.8 71.5A42 7.10.9 36 3.1 4B42 70.9 26 1.8 2C42 7.60.8 05 5.4 86 0.1 41.8 2随着硅橡胶基体中炭黑质量分数继续上升,当炭黑质量分数达到1.5%时,从图1(d)可看出,团聚体分布均匀且聚落较多,导电通道已趋于完善。图2所示为炭黑质量分数为1.5%时导电炭黑微观结构。若此时继续添加同种导电炭黑颗粒,将难以大幅提升硅橡胶的导电性能,反而会使得未固化前的液态硅橡胶黏度增加,增加其配置以及注入电缆中的难度 2 0。因此在本文试验条件中,结合正常图2 炭黑质量分数为1.5%时导电炭黑的微观分支结构F i g.2 M i c r o s t r u c t u r e o f c o n d u c t i v e c a r b o n b l a c k w h e n t h e m a s s f r a c t i o n o f c a r b o n b l a c k i s 1.5%缓冲层的电阻率标准 2 1,为了呈现修复液良好的电气性能,炭黑质量分数配制在1.2%1.5%左右较为合适。2 修复效果影响因素三维数值仿真分析2.1 高压X L P E电缆结构及电场数学模型建立为了准确描述高压X L P E电缆缓冲层与皱纹铝护套之间的接触情况,分析在导电硅橡胶(下文简称“修复液”)注入过程中影响修复效果的因素,结合型号为Y J LW 0 3-6 4/1 1 0-18 0 0的高压电缆真实结构,建立高压电缆三维有限元仿真模型,如图3所示。在模型中,采用节距为2 5 mm的螺旋型皱纹铝护套;考虑重力的作用,当缓冲层与皱纹铝护套波谷底部紧密接触时,缓冲层顶部与波谷之间存在2 mm的空气间隙;设置波谷嵌入缓冲层深度为0.5 mm。电缆的各层物性参数见表3。仿真计算过程包含如下假设:假设电缆各层介质的电参数均为各向同性;建模过程中,由于铝护套接地,可忽略铝护套表面的薄沥青层及外护套;忽略温度对各层结构物性参数的影响,修复液的电导率仅由炭黑质量分数决定。图3 高压X L P E电缆三维有限元仿真结构F i g.3 3 D f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s t r u c t u r e o f h i g h v o l t a g e X L P E c a b l e表3 电缆结构及物性参数表T a b.3 C a b l e s t r u c t u r e a n d p h y s i c a l p r o p e r t y p a r a m e t e r s 结构或材料Y J W 0 3-6 4/1 1 0(导体截面8 0 0 mm2)外径/mm厚度/mm电导率/(S/m)相对介电常数铜导体3 5.261 071导体屏蔽层3 6.21.3 511 0-37 0 0X L P E绝缘层7 1.21 7.511 0-1 82.6绝缘屏蔽层7 3.2111 0-37 0 0缓冲层8 0.24.921 0-33.4空气隙9 1.80.301皱纹铝护套9 5.85.7 53.71 071 0 0 0 0白斑缺陷103.4修复液21 0-3178 第7期凌颖,等:基于硅橡胶基调控的高压电缆缓冲层缺陷修复研究 从宏观层面分析电缆电磁场,其本质是在一定边界条件下求解麦克斯韦方程组的问题。工频交流电下的电场强度分布对时间的变化不敏感,可以认为电缆缓冲层 的场域分 布在仿 真 过 程 中 是 稳 定的 2 2,因此考虑采用准静态场进行分析。对模型加载边界条件,沿电缆轴向(y轴方向)耦合相电压的最大幅值U m a x=UL/3.(2)式中UL为高压X L P E电缆所在电力系统的线电压幅值,取1 1 0 2 k V;由 此 得 出U m a x8 9.8 1 4 k V。金属护套的接地方式为单端接地,护套回路为开路状态 2 3,因此不考虑护套环流对电场强度的影响。根据C OM S O L对网格的要求,本仿真模型所处理的几何体属于中高复杂度的三维模型,需要采用细化网格进行剖分,以获得相对较高的求解精度。为了提高求解效率,采用物理场控制网格,单元大小设置为“细化”,得到电缆各层网格剖分如图4所示。图4 高压X L P E电缆网格剖分示意图F i g.4 G r i d d i s t r i b u t i o n o f h i g h v o l t a g e X L P E c a b l e2.2 数值仿真结果及分析利用建立的三维高压电缆准静态场仿真模型,计算分析含白斑缺陷电缆在修复液注入前后缓冲层与铝护套之间接触界面的电场强度变化,研究修复液对缓冲层与铝护套之间电气性能的影响。当水分入侵电缆后,缓冲层与皱纹铝护套之间的接触界面会发生电化学反应 2 4,生成不导电的白斑腐蚀产物等缺陷。受缺陷影响,缓冲层与铝护套之间无法进行等电位连接 2 5。设置白斑缺陷厚度为0.2 mm,分别计算正常电缆以及白斑缺陷电缆从导体中心至铝护套的电场强度变化,如图5所示。从图5(a)可以看出,当电缆缓冲层与铝护套间的电气连接良好时,其接触界面的电场强度最大值仅为4.91 0-4 k V/mm。当存在白斑腐蚀产物 如图5(b)时,电场强度在径向变化的过程中存在2个极大值:第1个电场强度极大值出现在绝缘层与绝缘屏蔽层的交界处,约为7.9 k V/mm,由图5 电缆径向电场强度变化曲线F i g.5 V a r i a t i o n c u r v e s o f c a b l e r a d i a l e l e c t r i c f i e l d于绝缘层的击穿强度较高(达2 8 k V/mm),在电缆正常运行情况下,该程度电场强度不足以对电缆绝缘及绝缘屏蔽造成损害;第2个电场强度极大值出现在白斑处,由于电场强度与介电常数成反比,而白斑缺陷的相对介电常数远小于缓冲层与绝缘屏蔽 2 6,绝缘屏蔽至铝护套之间的电场强度集中点出现在白斑界面处。由图5(b)可知,白斑界面处的电场强度极大值为3.8 k V/mm,远大于正常电缆接触界面的电场强度,因此,白斑腐蚀产物的存在会使缓冲层与皱纹铝护套界面间出现电场强度集中区域,极大地提高了界面的放电风险。为了能够更直观分析实际修复液注入情况对电缆的影响,接下来将通过改变修复液材料的电导率以及注入体积,研究修复液注入气隙层后,电缆缓冲层电气性能的恢复情况。2.2.1 修复液注入体积对气隙层电场分布影响修复液从气隙层注入电缆内部并固化后,将存在于电缆铝护套与绝缘屏蔽层之间。图6所示为修复液注入前后缓冲层与铝护套接触界面的情况。为88第3 6卷 了更好地描述修复液的注入体积情况,将修复液液面高度两端点与导体中心连线所形成的夹角定义为注入修复角。为研究注入修复角对白斑缺陷周围电场强度分 布 的 影 响,计 算分 别 为1 0、3 0、6 0、1 5 0、2 7 0 和3 6 0 时的电场强度大小(3 6 0 即代表修复液完全填充满气隙层)。图7所示为当修复液电导率设置为1 0-5 S/m时,缓冲层与铝护套之间弧鞍形接触界面电场强度云图随修复液变化的情况。如图7(a)、(b)所示,当修复液注入体积较小图6 修复液注入前后缓冲层接触界面示意图F i g.6 S c h e m a t i c d i a g r a m o f b u f f e r l a y e r c o n t a c t i n t e r f a c e b e f o r e a n d a f t e r i n j e c t i o n o f r e j u v e n a t i o n f l u i d图7 注入修复角对弧鞍形接触界面电场强度分布的影响F i g.7 I n f l u e n c e o f i n j e c t i o n r e j u v e n a t i o n a n g l e o n e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n a t a r c s a d d l e c o n t a c t i n t e r f a c e98 第7期凌颖,等:基于硅橡胶基调控的高压电缆缓冲层缺陷修复研究时,原本隔绝电气联系的白斑缺陷将会被修复液部分覆盖,并在缓冲层与铝护套之间构筑一条新的导电通道,恢复绝缘屏蔽与铝护套之间的电气接触;当修复角为1 0 时,电缆注入修复液前后弧鞍形接触界 面 电 场 强 度 最 大 值 从7.9 k V/mm下 降 至1 k V/mm,相较 于 未 修 复 前 电 场 最 大 值 降 低 了8 7%,显著改善了由白斑缺陷引起的电场强度集中情况。随着修复角增大,接触界面电场强度最大值进一步降低。当弧鞍形界面被修复液完全覆盖后,接触界面电场强度最大值稳定在0.1 k V/mm以下,此时继续注入修复液,电场强度改善程度变化已不明显。因此修复液的注入体积需以能否完全覆盖白斑缺陷来衡量。2.2.2 修复液电导率对气隙层电场强度分布的影响为研究不同电导率的修复液对气隙层中电场强度的影响,在仿真模型的物性参数设置中,通过参数化扫描修复液材料电导率的方式,使其从1 0-7 S/m变化至0.0 1 S/m,计算对应电导率下气隙层电场强度最大值,见表4。由表4可知,当电导率从1 0-6 S/m提高至1 0-5 S/m时,气隙层处电场强度最大值降低了9 1%;当电导率继续从1 0-4 S/m提升 至1 0-3 S/m时,电 场 强 度 最 大 值 仅 降 低0.0 1 6 k V/mm。这是由于当修复液电导率较低时,绝缘屏蔽与铝护套之间的分压电压较高,使得缓冲层与铝护套界面的电场强度相对较大;当修复液电导率高于1 0-5 S/m后,缓冲层与铝护套之间开始建立起良好的导电通路,电场强度集中情况已得到显著改善,此时电导率的变化对电场强度的影响已不明显。表4 不同导电硅橡胶电导率对应气隙层电场强度最大值T a b.4 M a x i m u m e l e c t r i c f i e l d s t r e n g t h o f a i r g a p c o r r e s p o n d i n g t o r e s i s t i v i t y o f d i f f e r e n t c o n d u c t i v e s i l i c o n e r u b b e r 电导率/(S/m)电场强度/(k V/mm)电导率/(S/m)电场强度/(k V/mm)1 0-71 9.71 0-40.0 1 91 0-6 2.01 0-30.0 0 31 0-5 0.21 0-24.61 0-4图8所示为2种修复液电导率对应的缓冲层与铝护套接触界面的电场强度云图。如图8(a)所示,当修复液电阻率为1 0-5 S/m时,由于接触界面边缘曲率相对较大,且尚未形成良好导电通道,在边缘处存在电场强度局部集中区域;当修复液电阻率提高至1 0-3 S/m后,修复液的导电性能使得接触边缘电场强度得到了极大改善,同时提高了接触界面被修复液覆盖区域电场强度的均匀程度,其最大值减小了5个数量级,显著降低了缓冲层与铝护套之间的放电风险。图8 不同修复液电导率下缓冲层与铝护套接触界面电场强度云图F i g.8 E l e c t r i c f i e l d n e p h o g r a m o f c o n t a c t i n t e r f a c e b e t w e e n b u f f e r l a y e r a n d a l u m i n u m s h e a t h u n d e r d i f f e r e n t r e j u v e n a t i o n f l u i d c o n d u c t i v i t y3 高压电缆缓冲层修复方法有效性验证仿真分析表明,修复液在气隙层中的注入能够明显改善外屏蔽至铝护套之间的电场强度分布,降低缓冲层的放电风险。为了进一步说明本文所提修复方法的效果,本章通过检测和对比缺陷电缆在修复前后的局部放电(以下简称“局放”)信号结果,验证修复方法的有效性。3.1 缺陷电缆局放检测试验截取1根长1 7 m的缺陷电缆作为试验样品,利用该电缆样品在屏蔽室搭建放电信号检测平台。试验平台主要由计算机、电压发生器、耦合电容器和局 放 检 测 仪 等 组 成。试 验 场 地 的 背 景 噪 声 为1.2 2 pC,分 别 记 录 导 体 电 压U约 为1.0U0、1.5U0和1.7 5U0(U0=6 4 k V,为额定电压)下对应的局放信号。局放信号如图9所示。09第3 6卷 图9 缺陷电缆修复前局放检测结果F i g.9 P a r t i a l d i s c h a r g e t e s t r e s u l t s b e f o r e r e j u v e n a t i o n o f d e f e c t i v e c a b l e 局放检测试验结果表明,缺陷电缆内部存在明显的放电信号。随着导体电压进一步升高,放电次数逐渐增多,放电量也逐步增大。当导体电压加至1.7 5U0时,放电量Q可达到2 1.9 7 pC。3.2 缺陷电缆修复液灌注方法为了修复缺陷电缆,将导电修复液注入电缆缓冲层与铝护套之间的空气隙中。本文提出采用“中间注入两端流出”的方法,在电缆两端安装有终端或是接头的情况下进行修复,灌注通路如图1 0所示,按照以下步骤进行修复液灌注:利用打孔仪器在电缆中部及电缆两端开孔,孔口朝上且开孔深度超过铝护套但不伤及缓冲层,并在开孔处用双通接头焊接气口阀门,通过注入软管将焊接气口与修复液密封罐连接(焊接气口处应略低于集液口)。对缺陷电缆靠近终端的两端进行环切操作,即切除两端外护套、铝护套以及缓冲层1周,露出洁净的绝缘屏蔽层,将绝缘屏蔽层与终端连接。利用绕包带将步骤露出的2个环切口进行密封操作。关闭两端集液口阀门,开启焊接气口处阀门,设置气压瓶注入压力为0.4 MP a,通过向电缆中注入气体1 m i n的方式检查灌注通路气密性。气密性检查完毕后,关闭气压瓶开关,打开电缆两侧集液口阀门,利用流出软管将集液口阀门与修复液回收装置连接;再将气压瓶、修复液密封罐以及电缆焊接气口通过进气软管连接,打开气压瓶开关,将修复液注入电缆气隙中,待修复液从两端集液口均流出后,停止加压。关闭各电缆阀门,拆除注入装置,在室温(2 0)下静置至少2 h,待修复液完全固化后再进行相关电气性能试验。3.3 缺陷电缆修复后局放检测试验及分析在向缺陷电缆内部灌注满导电修复液并撤下注图1 0 导电修复液灌注通路连接示意图F i g.1 0 S c h e m a t i c d i a g r a m o f p e r f u s i o n p a t h c o n n e c t i o n o f r e j u v e n a t i o n f l u i d19 第7期凌颖,等:基于硅橡胶基调控的高压电缆缓冲层缺陷修复研究入装 置 后,按 照 相 关 标 准 进 行 局 放 测 试 回 路 连接 2 7。试验终端使用水终端,在电缆端部插入去离子水,可以降低电缆本体绝缘处的电场强度并均匀化电场 2 8。在铝护套外侧缠绕1层绝缘纸,防止出现铝护套对地高压导致的放电现象。图1 1所示为缺陷电缆在修复前后局放信号量随导体电压的变化。由图1 1可知:在修复前,由于缺陷电缆缓冲层与铝护套之间电气连接不良,电缆内部存在明显的放电信号;在注入导电修复液后,缺陷电缆几乎没有可检测的放电信号。缺陷电缆的缓冲层与铝护套之间通过修复液形成1道导电通路,大大降低了气隙层之间由于电气接触不良导致的放电风险。试验结果表明,修复液的注入有效地抑制了电缆缓冲层放电。图1 1 缺陷电缆修复前后放电量F i g.1 1 P a r t i a l d i s c h a r g e t e s t r e s u l t s b e f o r e a n d a f t e r r e j u v e n a t i o n o f d e f e c t i v e c a b l e