CN103001155A - 一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法，其特征在于根据电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切的测试值，确定修复液各成分比例，将制备的修复液注入电缆。该方法具有修复效果好、成本低的优点。

Description

一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法

技术领域

本发明涉及一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法，该技术用于水树老化交联聚乙烯电力电缆的智能化修复，属于交联聚乙烯电力电缆修复领域。

背景技术

交联聚乙烯电力电缆具有良好的电气性能和机械性能，已于上世纪七十年代开始在我国电力系统中广泛使用。由于XLPE电缆在生产、运输、安装等过程中造成电缆绝缘内部微观缺陷，在水分和电场共同的作用下，微观缺陷处形成水树枝。水树枝沿着电场方向在电缆绝缘内部发展形成许多叉状树枝，由于水树枝会使绝缘高分子链裂解，当电缆绝缘层中的水树达到一定含量时，电缆的电气性能和机械性能会急剧下降，水树枝逐渐演化成电树枝并最终导致电缆绝缘击穿。早期投运的XLPE电力电缆因电化、绝缘老化和绝缘破坏造成的击穿事故屡屡发生，并呈现上升趋势，这种状况严重威胁电力系统运行安全。电力部门为了保证运行安全将大面积更换老化电缆，然而更换电缆将耗费大量的人力、物力及财力，且在工程实施上也十分困难。因此，考虑在电缆中水树枝向电树枝发展之前实施分批修复，以延长其使用寿命，对提高电缆的利用率，节约电力部门的运行成本，保障电网运行安全具有积极的意义。

美国公司应用电缆修复液对交联聚乙烯电力电缆进行修复已有20多年的技术研究和经验积累，根据运行数据推测，此项技术可能使某些电缆的使用寿命延长20年以上。

研究表明硅氧烷对电缆水树枝具有较好的修复作用，中国专利“一种自生成纳米颗粒的电力电缆修复液及其制备方法和应用(申请公开号：CN 102618037A)”及美国专利“Restoringstranded conductor electrical distribution cable(U.S.Pat.No.4766011)”和“Method forenhancing dielectric strength of cable using fluid having a high diffusioncoefficient(U.S.Pat.No.5372840)”公开了使用硅氧烷作为电缆修复液的技术；但是由于硅氧烷价格较贵，采用这种技术修复电缆时往往需要大量的资金投入，美国专利“Integratedmethod for restoring electrical power cable(U.S.Pat.No.7353601)”和“Method forselecting formulations to treat electrical cables(U.S.Pat.No.7611748)”公开了采用混合硅氧烷修复液开展修复，修复液成分为甲基苯基二甲氧基硅烷、甲氧基三甲基硅烷、乙酰苯等，甲基苯基二甲氧基硅烷和甲氧基三甲基硅烷的价格在乙酰苯的10倍以上，所以混合硅氧烷修复液比硅氧烷修复液更经济。但由于采用较固定的比例，使得电缆水树枝不同时，修复的效果差异甚大。为此急需发明一种成本低于硅氧烷、效果优于既有的混合硅氧烷修复液的修复技术。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法，该技术能有效地降低电缆修复成本，提高电缆修复效果。

本发明实现上述目的由以下技术措施实现：

一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法，其特征在于根据电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值，确定修复液各成分比例，使用无水接触方式混合修复液各成分，将制备的修复液注入电缆。

电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值，其测试方法为：截取5米水树老化电缆作为试样(参照《GB/T 3048.11-2007电线电缆电性能试验方法第11部分：介质损耗角正切试验》)，在试样温度为20℃时测试试样介质损耗角正切为tanδ₁，充分干燥试样，在干燥后试样温度为20℃时测试干燥后试样介质损耗角正切为tanδ₂，水树引起的电缆绝缘介质损耗角正切为tanδ₃＝tanδ₁-tanδ₂。

测试电缆绝缘介质损耗角正切tanδ的具体实施方法：搭建电缆绝缘介质损耗角正切tanδ测试装置，介质损耗测试仪(1)高压HV接头与电缆(2)导体相连，介质损耗测试仪Cx接头与电缆金属屏蔽层相连，温度控制器(3)对电缆绝缘温度进行控制。选用0.5U0～U0测试电压，在电缆绝缘温度达到20℃时，测试电缆绝缘介质损耗角正切tanδ。

水树老化电缆进行取样充分干燥方法：截取一段长为5米的水树老化电缆，将其置于干燥箱中，往电缆导体中持续充入70℃至90℃的干燥空气对电缆绝缘水树进行干燥，每隔8小时测试一次电缆绝缘介质损耗角正切tanδ，当连续3次测试结果相近则停止干燥，此时3次测试结果即为充分干燥后电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₂。

根据水树引起的电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₃的测试值，确定修复液成分及各成分比例，修复液由以下成分及成分比例组成：

钛酸四异丙酯，占修复液总重量的0.9％-1.5％；苯三唑甲酚，占修复液总重量的1.1％-2％；香叶基丙酮，占修复液总重量的2.3％-3％；二茂铁，占修复液总重量的2.3％-3％；Cable KV10，占修复液总重量的0.9％-1.5％；修复液主体，由甲基苯基二甲氧基硅烷和乙酰苯构成，占修复液总重量的89％-92.3％，其中甲基苯基二甲氧基硅烷的比重由电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值决定，计算式如下：

$\frac{m_{\mathrm{PMDMS}}}{m_{\mathrm{XDYZR}}}=0.97127-0.5222\exp [-\frac{{(\tan {\mathrm{\δ}}_3+0.02867)}^2}{0.0017}]$

式中m_PMDMS为甲基苯基二甲氧基硅烷的重量，m_XDYZR为修复液主体的重量，即甲基苯基二甲氧基硅烷和乙酰苯的总重量。

钛酸四异丙酯为催化剂，苯三唑甲酚为紫外稳定剂，香叶基丙酮为电压稳定剂，二茂铁为局放抑制剂，Cable KV10为抗氧化剂。

无水接触方式混合修复液方法：在环境温度20℃至30℃之间时，关闭三角烧瓶(4)中长导管(7)的开关(10)和短导管(5)上的开关(9)，使用注射器通过橡胶塞(8)将电缆修复液各组分按比例注入到三角烧瓶中，使用搅拌器(6)对修复液进行充分搅拌。

制备的修复液通过注入装置注入电缆包括如下步骤：

(1)修复前准备

向电缆注入修复液前，将堵油式中间接头置换成贯穿式中间接头(24)，将原有电缆终端接头置换成改装后带注液孔(14)的肘型电缆终端接头(11)，其中注液孔加工于肘型电缆终端接头的验电点(13)，交联聚乙烯电力电缆导体(12)紧固于肘型电缆终端接头中；往电缆中注入温度为室温的干燥空气以尽量排除电缆导体中残留的水分，并观察修复装置中各压力控制装置中压力表(17)(28)数值，及时对泄漏部分进行修补处理，干燥空气注入电缆持续时间1-3天。

(2)修复液注入修复液罐

打开三角烧瓶(4)中长导管(7)的开关(10)和短导管(5)的开关(9)，将长导管与修复罐注液孔(19)相连，往短导管中注入氮气将配制完成的修复液通过长导管注入修复液罐(18)。

(3)修复液注入电缆修复

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，空气压缩机(15)将空气注入干燥罐(16)干燥，并将干燥空气通过压力控制装置(17)调节注入气体压力为0.1-0.3MPa时注入修复液罐(18)，使修复液(20)被压出进入分液器(21)再通过改装后的肘型电缆终端接头(22)的注液孔进入电缆(23)导体中，再经过贯通式中间接头(24)使修复液充满整根电缆；在修复液通过与电缆修复液流出端相连的改装后的肘型电缆终端接头(25)的注液孔流出进入分液器(26)再进入余液收集器(27)时，关闭与电缆修复液流出端相连的分液器(26)，调节压力控制装置保持0.07MPa的注入气压对电缆进行低压浸泡处理，持续时间1-3天。

(4)拆除修复装置并封堵电缆两端

拆除交联聚乙烯电力电缆修复装置，保留电缆两端的肘型电缆终端接头，封堵注液孔。

本发明涉及的原理如下：

修复液的修复效果是通过修复液中的硅氧烷与水发生反应形成小分子物质，小分子物质在水和催化剂作用下发生聚合反应生成二聚物、三聚物及多聚物，最终形成大量的网状大分子结构，从而消除绝缘中的水树。由于交联聚乙烯也为网状大分子结构，所以聚合反应生成物能较好地填补水树缺陷，并且在电气和机械性能上接近于正常交联聚乙烯部分。

目前混合硅氧烷修复液一般采用固定比例，并且硅氧烷含量比例高，造成一方面修复成本高；另一方面在水树比较少的情况下，硅氧烷含量比例高，与水发生反应时生成物以低聚物为主，形成的网状大分子少，修复后效果不理想。为此，急需确定修复不同水树老化电缆所需硅氧烷含量的合理值。

在实验室搭建测试平台进行测试，当交联聚乙烯电力电缆绝缘中水树引起的介质损耗角正切值在0.5％＜tanδ₃＜5％时，绝缘水树相对严重，需引起注意，考虑对此范围内水树老化电缆进行修复。取6条同一型号新电缆，对其中5条在实验室进行加速水树老化，得到5条老化程度不同的电缆，对未进行水树老化的新电缆按以上电缆绝缘介质损耗角正切值测试方法得tanδ＝0.2％。为了确定修复液中硅氧烷含量的合理值，按表1所示不同P_MDMS/m_XDYZR比例配制修复液，对不同水树老化的电缆通过上述电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试方法确定tanδ₃，运用注入装置将制备完成的修复液注入电缆，测试修复完一个月后电缆绝缘介质损耗角正切tanδ，结果如表1所示。

表1不同水树状态电缆使用不同m_PMDMS/m_XDYZR比例修复液修复一个月后电缆绝缘tanδ值

从表1可以看出，不同水树老化程度电缆对应不同m_PMDMS/m_XDYZR比例修复液进行修复，修复一个月后电缆绝缘tanδ值均有一个最接近新电缆的介质损耗角正切tanδ，由此即可确定修复液中硅氧烷含量的合理值。

提取表1中修复不同水树老化程度电缆所使用的最佳m_PMDMS/m_XDYZR比例，得到表2最佳修复不同水树状态电缆绝缘时，水树引起的介质损耗角正切tanδ₃与甲基苯基二甲氧基硅烷在修复液中所含比重关系如下表所示。

表2最佳修复不同水树状态电缆绝缘时

水树引起的介质损耗角正切tanδ₃与甲基苯基二甲氧基硅烷在修复液中所含比重关系

tanδ3	0.47％	1.48％	2.51％	3.52％	4.53％
						mPMDMS/mXDYZR	0.7	0.8	0.875	0.925	0.95

通过表2的数据拟合得到表达式：

$\frac{m_{\mathrm{PMDMS}}}{m_{\mathrm{XDYZR}}}=0.9127-0.5222\exp [-\frac{{(\tan {\mathrm{\δ}}_3+0.02867)}^2}{0.0017}]$

本发明具有如下优点：

1.根据水树老化电缆绝缘介质损耗角正切值可以有效确定电缆整体水树老化状态。

2.根据电缆绝缘中水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值，智能化配制修复液中甲基苯基二甲氧基硅烷所含比重，既保证了对不同水树老化程度电缆的最佳修复效果，又降低修复成本。

3.修复液整体配制考虑了紫外屏蔽、电场均匀、局放抑制及抗氧化能方面的问题，并给出了详细的比例，在此比例下进行修复取得了较好的效果。

附图说明

图1交联聚乙烯电力电缆介质损耗角正切tanδ测试连线图

图2无空气接触修复液配制装置示意图

图3改装后带注液孔的肘型电缆终端接头示意图

图4交联聚乙烯电力电缆修复装置示意图

图中1-介质损耗测试仪，2.12.23-交联聚乙烯电力电缆，3-温度控制器，4-三角烧瓶，5-短导管，6-搅拌器，7-长导管，8-橡胶塞，9.10-开关，11.22.25-肘型电缆终端接头，13-验电点，14-注液孔，15-空气压缩机，16-干燥罐，17-压力控制装置，18-修复液罐，19-修复罐注液孔，20-修复液，21.26-分液器，24-贯穿式中间接头，27-余液收集器

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述：有必要在此指出的是本实施例只用于对发明进行进一步说明，不能理解对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

测试水树老化电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₁：截取5米水树老化电缆作为试样，将介质损耗测试仪高压HV接头与电缆导体相连，Cx接头与电缆金属屏蔽层相连，温度控制器对电缆绝缘温度进行控制。选用0.5U₀测试电压测试得到电缆绝缘温度在20℃时的介质损耗角正切tanδ₁＝0.68％。

测试水树老化电缆充分干燥后的介质损耗角正切tanδ₂：截取一段长为5米的水树老化电缆，将其置于干燥箱中，往电缆导体中充入75℃的干燥空气对电缆绝缘水树进行干燥，每隔8小时测试一次电缆绝缘介质损耗角正切tanδ，其中电缆绝缘介质损耗角正切测试方法：将介质损耗测试仪高压HV接头与电缆导体相连，Cx接头与电缆金属屏蔽层相连，温度控制器对电缆绝缘温度进行控制，选用0.5U₀测试电压测试得到电缆绝缘温度在20℃时的介质损耗角正切值。在第29次到31次测试得到的介质损耗角正切值接近，停止干燥，充分干燥后电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₂＝0.21％。

则电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃＝tanδ₁-tanδ₂＝0.68％-0.21％＝0.47％。

根据电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值智能化配制修复液各成分比例，其中修复液由以下成分组成：

钛酸四异丙酯，占修复液总重量的1.5％；苯三唑甲酚，占修复液总重量的2％；香叶基丙酮，占修复液总重量的3％；二茂铁，占修复液总重量的3％；Cable KV10，占修复液总重量的1.5％；修复液主体，由甲基苯基二甲氧基硅烷和乙酰苯构成，占修复液总重量的89％，其中甲基苯基二甲氧基硅烷的比重由电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值决定，计算式如下：

$\frac{m_{\mathrm{PMDMS}}}{m_{\mathrm{XDYZR}}}=0.97127-0.5222\exp [-\frac{{(0.0047+0.02867)}^2}{0.0017}]=0.7$

则甲基苯基二甲氧基硅烷占修复液总重量的62.3％，乙酰苯占修复液总重量的26.7％。

无水接触方式混合修复液方法：在环境温度22℃时，关闭三角烧瓶中长导管和短导管上的开关，使用注射器通过橡胶塞将交联聚乙烯电力电缆修复液各组分按比例注入到三角烧瓶中，使用搅拌器对修复液进行充分搅拌。

制备的修复液通过注入装置注入电缆包括如下步骤：

(1)修复前准备

向电缆注入修复液前，将堵油式中间接头置换成贯穿式中间接头，将原有电缆终端接头置换成改装后带注液孔的肘型电缆终端接头，其中注液孔加工于肘型电缆终端接头的验电点，交联聚乙烯电力电缆导体紧固于肘型电缆终端接头中；往电缆中注入温度为室温的干燥空气以尽量排除电缆导体中残留的水分，并观察压力控制装置中压力表数值与压力控制装置中压力表数值，及时对泄漏部分进行修补处理，干燥空气注入电缆持续时间1天。

(2)修复液注入修复液罐

打开三角烧瓶中长导管和短导管上的开关，将长导管与修复罐注液孔相连，往短导管中注入氮气将配制完成的修复液通过长导管注入修复液罐。

(3)修复液注入电缆修复

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，空气压缩机将空气注入干燥罐干燥，并将干燥空气通过压力控制装置调节注入气体压力为0.1MPa时注入修复液罐，使修复液被压出进入分液器再通过改装后的肘型电缆终端接头的注液孔进入交联聚乙烯电力电缆导体中，再经过贯通式中间接头使修复液充满整根电缆；在修复液通过电缆修复液流出端改装后的肘型电缆终端接头的注液孔流出进入分液器再进入余液收集器时，关闭与电缆修复液流出端相连的分液器，调节压力控制装置保持0.07MPa的注入气压对电缆进行低压浸泡处理，持续时间1天。

(4)拆除修复装置并封堵电缆两端

拆除交联聚乙烯电力电缆修复装置，保留电缆两端的肘型电缆终端接头，封堵注液孔。

实施例2

测试水树老化电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₁：截取5米水树老化电缆作为试样，将介质损耗测试仪高压HV接头与电缆导体相连，Cx接头与电缆金属屏蔽层相连，温度控制器对电缆绝缘温度进行控制。选用U₀测试电压测试得到电缆绝缘温度在20℃时的介质损耗角正切tanδ₁＝4.75％。

测试水树老化电缆充分干燥后的介质损耗角正切tanδ₂：截取一段长为5米的水树老化电缆，将其置于干燥箱中，往电缆导体中充入85℃的干燥空气对电缆绝缘水树进行干燥，每隔8小时测试一次电缆绝缘介质损耗角正切tanδ，其中电缆绝缘介质损耗角正切测试方法：将介质损耗测试仪高压HV接头与电缆导体相连，Cx接头与电缆金属屏蔽层相连，温度控制器对电缆绝缘温度进行控制，选用U₀测试电压测试得到电缆绝缘温度在20℃时的介质损耗角正切值。在第61次到63次测试得到的介质损耗角正切值接近，停止干燥，充分干燥后电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₂＝0.22％。

则电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃＝tanδ₁-tanδ₂＝4.75％-0.22％＝4.53％。

根据电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值智能化配制修复液各成分比例，其中修复液由以下成分组成：

钛酸四异丙酯，占修复液总重量的0.9％；苯三唑甲酚，占修复液总重量的1.1％；香叶基丙酮，占修复液总重量的2.3％；二茂铁，占修复液总重量的2.3％；Cable KV10，占修复液总重量的0.9％；修复液主体，由甲基苯基二甲氧基硅烷和乙酰苯构成，占修复液总重量的92.5％，其中甲基苯基二甲氧基硅烷的比重由电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值决定，计算式如下：

$\frac{L_{\mathrm{PMDMS}}}{L_{\mathrm{XDYZR}}}=0.97127-0.5222\exp [-\frac{{(0.00453+0.02867)}^2}{0.0017}]=0.95$

则甲基苯基二甲氧基硅烷占修复液总重量的87.875％，乙酰苯占修复液总重量的4.625％。

无水接触方式混合修复液方法：在环境温度28℃时，关闭三角烧瓶中长导管和短导管上的开关，使用注射器通过橡胶塞将交联聚乙烯电力电缆修复液各组分按比例注入到三角烧瓶中，使用搅拌器对修复液进行充分搅拌。

制备的修复液通过注入装置注入电缆包括如下步骤：

(1)修复前准备

向电缆注入修复液前，将堵油式中间接头置换成贯穿式中间接头，将原有电缆终端接头置换成改装后带注液孔的肘型电缆终端接头，其中注液孔加工于肘型电缆终端接头的验电点，交联聚乙烯电力电缆导体紧固于肘型电缆终端接头中；往电缆中注入干燥空气以尽量排除电缆导体中残留的水分，并观察压力控制装置中压力表数值与压力控制装置中压力表数值，及时对泄漏部分进行修补处理，干燥空气注入电缆持续时间3天。

(2)修复液注入修复液罐

打开三角烧瓶中长导管和短导管上的开关，将长导管与修复罐注液孔相连，往短导管中注入氮气将配制完成的修复液通过长导管注入修复液罐。

(3)修复液注入电缆修复

连接交联聚乙烯电力电缆修复装置，空气压缩机将空气注入干燥罐干燥，并将干燥空气通过压力控制装置调节注入气体压力为0.3MPa时注入修复液罐，使修复液被压出进入分液器再通过改装后的肘型电缆终端接头的注液孔进入交联聚乙烯电力电缆导体中，再经过贯通式中间接头使修复液充满整根电缆；在修复液通过电缆修复液流出端改装后的肘型电缆终端接头的注液孔流出进入分液器再进入余液收集器时，关闭与电缆修复液流出端相连的分液器，调节压力控制装置保持0.07MPa的注入气压对电缆进行低压浸泡处理，持续时间3天。

(4)拆除修复装置并封堵电缆两端

拆除交联聚乙烯电力电缆修复装置，保留电缆两端的肘型电缆终端接头，封堵注液孔。

Claims (3)

1.一种交联聚乙烯电力电缆绝缘水树的智能修复方法，其特征在于根据水树引起的电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₃的测试值，确定修复液成分及各成分比例，将制备的修复液注入电缆。

2.根据权利要求1所述的水树引起的电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₃的测试值，其特征在于测试方法为：截取5米水树老化电缆作为试样，在试样温度为20℃时测试试样介质损耗角正切为tanδ₁，充分干燥试样，在干燥后试样温度为20℃时测试干燥后试样介质损耗角正切为tanδ₂，水树引起的电缆绝缘介质损耗角正切为tanδ₃＝tanδ₁-tanδ₂。

3.根据权利要求1所述的根据水树引起的电缆绝缘介质损耗角正切tanδ₃的测试值，确定修复液成分及各成分比例，其特征在于修复液由以下成分及成分比例组成：

钛酸四异丙酯，占修复液总重量的0.9％-1.5％；苯三唑甲酚，占修复液总重量的1.1％-2％；香叶基丙酮，占修复液总重量的2.3％-3％；二茂铁，占修复液总重量的2.3％-3％；Cable KV10，占修复液总重量的0.9％-1.5％；修复液主体，由甲基苯基二甲氧基硅烷和乙酰苯构成，占修复液总重量的89％-92.3％，其中甲基苯基二甲氧基硅烷的比重由电缆绝缘水树引起的介质损耗角正切tanδ₃的测试值决定，计算式如下：

$\frac{m_{\mathrm{PMDMS}}}{m_{\mathrm{XDYZR}}}=0.97127-0.5222\exp [-\frac{{(\tan {\mathrm{\δ}}_3+0.02867)}^2}{0.0017}]$

式中m_PMDMS为甲基苯基二甲氧基硅烷的重量，m_XDYZR为修复液主体的重量，即甲基苯基二甲氧基硅烷和乙酰苯的总重量。

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