CN113258507A - 基于介电泳的交联聚乙烯靶向修复实验平台及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电泳的交联聚乙烯靶向修复实验平台及修复方法，该基于介电泳的交联聚乙烯靶向修复实验平台设置有修复液供给装置、电压施加装置、加热装置等，能够用于研究修复液注入压力、电压频率、电压极性、电场强度、温度等单因素或多因素下，修复液的介电行为以及修复液在绝缘层的扩散、迁移规律，从而揭示基于靶向修复技术的老化电缆绝缘改善及寿命延长机理，为老化电缆绝缘修复技术的革新提供理论和实验数据支撑；本发明提供的靶向修复方法通过外在物理场介电泳作用对修复液进行针对性的靶向导引，促进不同分子量修复液的渗透速度，使得缺陷处的修复液有效成分在短时间内高浓度积聚，从而明显提升老化电缆修复效果。

Description

基于介电泳的交联聚乙烯靶向修复实验平台及修复方法

技术领域

本发明属于电力电缆技术领域，涉及电缆绝缘修复，尤其涉及基于介电泳的交联聚乙烯电力电缆靶向修复技术。

背景技术

电力电缆作为电能传输的关键组成部分，在诸多场合有着不可替代的地位。由于生产工艺的制约，电缆在制造、敷设和运行过程中不可避免的会在绝缘层中形成气隙、裂纹等微观缺陷。且早期的电力部门在电缆敷设和安装维护方面缺乏经验，存在电缆共沟率过高、沟内严重积水等问题，使得电缆在运行过程中易出现散热不良、水树老化等问题，降低了电缆的绝缘性能，缩短电缆的运行寿命。此外，自2000年以来开始的大规模实施电缆入地改造工程，至今大部分电缆已运行20年，接近电缆的设计寿命，老龄化电缆已经成为电网系统安全稳定运行的一大隐患。

电缆绝缘材料中的气隙、杂质、凸起毛刺等缺陷是电缆绝缘劣化的诱因，当电场、热量、机械外力、环境(水)等外界老化因素施加于这些缺陷时，会以水树枝、局部放电之类的老化形态表现出来，最终归结于电树枝的存在而导致绝缘击穿。压力注入修复技术对老化的受潮电缆和水树电缆进行修复，同时对水树转电树和绝缘中的电树均有较好的抑制作用。因此，针对老化在运电缆，通过注入技术对绝缘中存在的局部缺陷进行修复，改善老化电缆的绝缘性能，进而延长电缆的使用寿命，在满足电网可靠性需求的基础上达到“节流””，对于贯彻国家“降本节支、提质增效”的决策部署和服务国民经济和社会发展具有重大意义。

针对绝缘性能下降的老化电缆，有学者在20世纪80年代提出了使电缆“逆生长”的修复技术。最初的修复技术通过注入热干燥氮气带出电缆内水分，或者注入苯乙酮这类增塑剂去填充电缆绝缘内部的孔洞。后来的研究者在此基础上提出了采用含硅氧烷的修复液与电缆中的水发生缩合反应进而填充绝缘内部孔洞的修复技术。分别为第一代修复技术：841技术和011技术和第二代修复技术：732技术和733技术。二代修复技术解决了一代修复技术硅氧烷和催化剂扩散速率不匹配的问题，并在修复液中添加了光稳定剂、抗氧化剂和局部放电抑制剂，在修复水树的过程中有效抑制了电树及局部放电问题。此外，二代修复技术更注重电缆中长期修复效果，同时大大缩短了反应时间。虽然国外公司已公开修复技术对电缆延长寿命具有很好的效果，但这些技术仍未明确解决以下问题：(1)在进行电缆绝缘修复过程中，修复技术所采用的不同注入条件，如压力、温度、修复液浓度等，对缆芯中修复液向绝缘层中的扩散和迁移均会产生不同的影响，这种规律目前尚未见明确报道；(2)修复技术最佳的状态是通过某种技术或者手段，使得修复液中的有效成分能够快速、准确的定向移动至绝缘层的缺陷薄弱处，使得缺陷处修复液较高浓度聚集，从而真正实现对电缆绝缘缺陷的定向修复；然而，现有电缆修复技术并不能确定缺陷的位置，因此使用的是修复液均匀注入的方式，而修复液中功能化稳定剂或催化剂在修复液中的含量较少，且分子量大小不同，从而使得各组分在压力作用的扩散速度不同，导致在需要修复的缺陷处修复液的浓度较少，使得修复效果并非最佳。

因此，为了摸清注入条件对修复液向绝缘层扩散和迁移规律的影响，以及实现修复液有效成分能够定向聚集至绝缘缺陷处的最佳修复效果，有必要设计一种能够在不同注入条件下实现修复液向绝缘缺陷处定向移动的具有靶向修复特性的修复技术，从而为修复采用的最佳注入条件提供理论依据，同时为修复技术的升级换代提供有力支撑。

发明内容

本发明针对传统修复技术存在的因修复液扩散速度差异导致的修复效果不理想的技术现状，提供一种基于介电泳的交联聚乙烯靶向修复实验平台，研究外在的物理场对修复液进行针对性的靶向导引，在不同条件(压力、温度、修复液浓度)下加电压运行时，单个因素或复合因素对交联聚乙烯缺陷样本修复影响。

本发明另一目的旨在提供一种基于介电泳的交联聚乙烯电力电缆靶向修复方法，通过外在的物理场对修复液进行针对性的靶向导引，在不同条件(压力、温度、修复液浓度)下加电压运行时，受到介电泳力的作用，促进不同分子量修复液的渗透速度，使得缺陷处的修复液有效成分在短时间内高浓度积聚，从而明显提升修复效果；可用于长时间运行老化后的交联聚乙烯电力电缆的绝缘修复工程，以提升介电性能。

本发明交联聚乙烯电力电缆的靶向修复是基于电场力对水分子或离子等具有明显的介电泳力学作用，导致材料发生形变，促进分子或离子朝向电场更强的方向实现定向运动。介电泳现象在1978年被H.A.Pohl首次定义，主要思想为：对于一个球形颗粒来讲，当其半径为R时，这个球形颗粒在非均匀电场中所受到的介电力F_DEP可表示为：

R为颗粒半径，ε_m为媒质介电常数，K(ω)为Clausius-Mossotti因子，E_rms为电场强度的有效值，

为梯度算子。K(ω)描述的是颗粒和媒质间复合介电常数的关系，其表达式如式(2)所示：

以上公式中ε_m为媒质的介电常数，ε_p为媒质中的颗粒介电常数，ω表示交流电场的角频率，σ_m和σ_p分别为媒质和颗粒的电导率。由公式(3)可知，颗粒受到的介电泳大小与颗粒半径的立方、媒质的介电常数、电场强度梯度的平方成正比；此外，也与颗粒和媒质介电常数的差值呈正相关。因此，改变电场频率、强度、极性和颗粒的介电常数等，均可产生不同大小和方向的介电泳力。

在均匀电场中，偶极子受到的电场矢量和为零，不会产生介电泳现象；而在非均匀电场中，极性分子因受到电场力的矢量和不为零，在交流或直流电场作用下会向缺陷处(即电场畸变处)迁移，加之液体分子的介电常数大于基体，便可以发生缺陷(或空洞)填充作用，进而均匀基体的局部电场。

基于上述分析，本发明提供的交联聚乙烯靶向修复是在介电泳力的驱动下进行的。要实现对缺陷(例如局部电场畸变缺陷或水树)的靶向修复，首先需要研究修复液所受介电泳力的影响因素。修复液的介电泳力主要受到电场、修复液本身的特性、温度和注入压力的影响。其中，电场影响介电泳行为的因素很多，如：①交流或直流、电压频率、电场畸变程度和电压极性等；②不同的修复液成分具有不同的物理化学性质，如：介电常数、电导、分子量、侧链烷基数和粘度等；③温度会影响XLPE的基体分子链和修复液中分子的热运动以及修复液的溶解性，进而也会影响介电泳行为；④修复液注入压力的大小会影响其离子的运动特性，从而影响介电泳行为。可见，单一因素或复合因素对修复液介电泳行为均会产生不同程度的影响，进而得到不同的靶向修复效果。

为了研究单一因素或复合因素对交联聚乙烯样本缺陷修复的影响，本发明提供了基于介电泳的交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，针对于交联聚乙烯片状样本和交联聚乙烯电力电缆两种情况，本发明提供了两种不同结构的修复实验平台。

对于交联聚乙烯片状样本，本发明提供的第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台包括实验槽、电源组件和装有修复液的微流注射泵；

所述实验槽内装有变压器油，交联聚乙烯片状样本放置于变压器油中；交联聚乙烯片状样本一端安装有凹槽电极，且凹槽电极与交联聚乙烯片状样本端部之间形成容纳修复液的空腔；所述凹槽电极上开设有液体注入口；

所述电源组件包括并联设置的第一直流调压器和第一交流调压器；所述第一直流调压器和第一交流调压器分别与第一选择电路两个输入端连接，第一选择电路的输出端经第一限流电阻与针电极连接；针电极置于交联聚乙烯样本安装凹槽电极相对的一端内；

所述微流注射泵输入端与修复液供给装置连接，输出端经管道与凹槽电极上设置的液体注入口连接。

上述第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，所述实验槽进一步设置有给变压器油加热的加热器。所述加热器为沿实验槽侧面和底部设置的加热片。

上述第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，所述第一直流调压器可供0～10kV的高压直流电源；所述第一交流调压器可供0～10kV的高压交流电。第一直流调压器和第一交流调压器可以采用本领域已经披露的常规设置。

上述第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，所述第一选择电路为第一单刀双掷开关；所述第一直流调压器和第一交流调压器分别与第一单刀双掷开关的两个不动端连接，第一单刀双掷开关的动端经第一限流电阻与针电极连接；针电极置于交联聚乙烯样本固定凹槽电极相对的一端内。

上述第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，所述微流注射泵又称之为微量注射泵或微流控注射泵，其能够用于控制输出的修复液压力。本发明对修复液没有任何限定，可以根据待修复缺陷选择合适的修复液。

上述第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，利用第一选择电路选择向交联聚乙烯片状样本施加电场的电压源；利用微流注射泵调节向交联聚乙烯样本注入的修复液压力；还可以进一步通过加热片对变压器油进行加热，调节交联聚乙烯片状样本所处的环境温度。通过上述条件，便可实现对联聚乙烯缺陷修复的单因素或复合因素影响的研究，为交联聚乙烯片状材料修复提供有效的数据支持。

对于交联聚乙烯电力电缆样本，本发明提供的第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台包括两个结构相同的适配器、修复液供给装置和电压施加装置；

两个适配器分别安装于交联聚乙烯电力电缆样本的两端；所述适配器上设置有注液口和导电件，导电件与交联聚乙烯电力电缆缆芯连接；

所述修复液供给装置包括用于存放修复液的储液罐和与储液罐连通，向修复液施加压力的储气罐；所述储液罐通过设置有阀门的管道与交联聚乙烯电力电缆样本一端适配器的注液口连接；交联聚乙烯电力电缆样本另一端适配器的注液口经设置有阀门的管道与余液收集器连接；

所述电压施加装置包括并联设置的第二直流调压器和第二交流调压器，所述第二直流调压器和第二交流调压器分别与第二选择电路两个输入端连接，第二选择电路的输出端经第二限流电阻与交联聚乙烯电力电缆样本一端的适配器导电件连接；

所述交联聚乙烯电力电缆样本的最外侧层接地。

上述第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，进一步设置有向交联聚乙烯电力电缆样本加热的加热装置。所述加热装置为全绝缘升流器，升流器输入端连接有交流电源；输出端正负极分别与交联聚乙烯电力电缆样本两端导电件连接。

上述第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，所述适配器包括与交联聚乙烯电力电缆样本外表面适配的第一连接部、与交联聚乙烯电力电缆缆芯适配的第二连接部以及将第一连接部和第二连接部连接为一体的第三连接部。适配器的第一连接部套设于交联聚乙烯电力电缆样本的外半导电层上，且与外半导电层紧密接触；为了增加两者之间的密封效果，进一步在适配器的第一连接部与外半导电层之间加入填充胶带，还可以进一步通过套设于适配器的第一连接部外侧的卡箍固定。适配器的第二连接部套设于与交联聚乙烯电力电缆缆芯卡接的导电件上(将交联聚乙烯电力电缆缆芯卡入导电件卡接部，并利用液压钳将两者紧密连接)，为了增加适配器第二连接部与导电件的密封效果，进一步在适配器的第二连接部与导电件之间加入填充胶带，还可以进一步通过套设于适配器的第二连接部外侧的卡箍固定。适配器的第三连接部为锥形结构，其内径由第一连接部孔内径渐变至第二连接孔内径；第三连接部上设置有与其内部连通的注液口；第三连接部覆盖电力电缆绝缘层、缆芯和导电件的过渡位置。

上述第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，所述第二选择电路为第二单刀双掷开关；所述第二直流调压器和第二交流调压器分别与第二单刀双掷开关的两个不动端连接，第二刀双掷开关的动端经第二限流电阻与交联聚乙烯电力电缆样本一端的适配器导电件连接。

上述第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，利用第二选择电路选择向交联聚乙烯样本施加电场的电压源；利用修复液供给装置调节向交联聚乙烯电力电缆样本注入的修复液压力；还可以进一步通过加热装置对交联聚乙烯电力电缆样本进行加热，调节交联聚乙烯电力电缆样本所处的环境温度。通过上述条件，便可实现对交联聚乙烯电力电缆样本缺陷修复的单因素或复合因素影响的研究，为交联聚乙烯电力电缆提供有效的数据支持。

本发明进一步提供了一种基于介电泳的交联聚乙烯电力电缆靶向修复方法：按照修复液注入所需的气压设定值，向待修复电力电缆注入修复液，同时按照设定的电压值，向待修复电力电缆施加电压；修复液在电压提供的电场介电泳作用下迁移扩散至电力电缆待修复缺陷处，完成对缺陷的修复。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，能够用于研究修复液注入压力、电压频率、电压极性、电场强度、温度等单因素或多因素下，修复液的介电行为以及修复液在绝缘层的扩散、迁移规律，从而揭示基于靶向修复技术的老化电缆绝缘改善及寿命延长机理，为老化电缆绝缘修复技术的革新提供理论和实验数据支撑。

2、本发明提供的交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，通过研究单因素或多因素影响，能够揭示了修复液与绝缘缺陷之间的关联；因此，利用对靶向条件的调控，有望成为高效改善老化电缆绝缘状态、延长电缆寿命的新一代电缆修复技术。

3、本发明提供的交联聚乙烯电力电缆靶向修复方法，向待修复电力电缆注入修复液的同时向待修复电力电缆施加电压，使修复液在电压提供的电场介电泳作用下迁移扩散至电力电缆待修复缺陷处，能够实现对交联聚乙烯电力电缆缺陷快速、准确、有效的修复，极大提升电力电缆修复效果。

附图说明

图1为局部尖端或水树缺陷的修复液靶向修复原理。

图2为第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台示意图；图中，01-交联聚乙烯片状样本，11-实验槽，12-加热器，13-微流注射泵，14-变压器油，15-凹槽电极，1501-注入口，16-第一直流调压器，17-第一交流调压器，18-第一单刀双掷开关，19-第一限流电阻，110-针电极。

图3为交联聚乙烯局部尖端缺陷区样本制备示意图；其中，(a)为立体图，(b)凹槽电极俯视图。

图4为交联聚乙烯水树缺陷区样本制备示意图。

图5为第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台示意图；图中，02-交联聚乙烯电力电缆样本，21-适配器，2101-第一连接部，2102-第二连接部，2103-第三连接部，2104-填充胶带，2105-卡箍，2106-铜鼻子，2107-注液口，22-储液罐，23-储气罐，24余液收集器，25-第二直流调压器，26-第二交流调压器，27-第二单刀双掷开关，28-第二限流电阻，29-升流器，210-交流电源。

图6为适配器结构示意图。

图7为扫描电镜观测下水树老化电缆靶向修复后样品绝缘层中无机颗粒分布；其中，(a)为无电场情况，(b)为电缆缆芯施加正极性电压情况，(c)为缆芯施加负极性电压情况，(d)为缆芯施加交流电压情况。

图8为水树老化电缆靶向修复后样品介质损耗因数随时间变化示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

修复液在介电泳力驱动下会定向移动至基体的电场畸变区处，其具有功能性的离子会与局部微观缺陷(局部电场畸变缺陷或水树)发生化学反应，进而填充缺陷或空洞。微观缺陷主要考虑针尖和水树缺陷两种，以针尖的尖端来模拟局部电场畸变缺陷，通过加速水树老化形成水树局部电场畸变缺陷。本发明分别利用交联聚乙烯薄片样本和电力电缆样本进行靶向修复研究。修复液不同成分电压稳定剂对针尖缺陷和水树缺陷的靶向修复原理如图1所示。可见，缺陷处的局部畸变场强对修复液离子产生的介电泳力具有明显的靶向驱动功能，其中分子量较小的离子率先运动至缺陷处，分子量较大的离子运动速率较慢，但最终都会在介电泳力的作用下定向移动至缺陷处，从而实现缺陷处的电场均匀，使得电缆绝缘中最薄弱点得到改善，提高电缆的运行寿命。

实施例1

本实施例提供了针对交联聚乙烯片状样本的第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台。

如图2所示，第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，包括实验槽11、电源组件、加热器12和装有修复液的微流注射泵13。

如图2所示，实验槽11内装有变压器油14(本实施例中采用的是#25号变压器油)，交联聚乙烯片状样本01放置于变压器油14中。交联聚乙烯片状样本一端安装有凹槽电极5，且凹槽电极15与交联聚乙烯样本端部之间形成容纳修复液的空腔；所述凹槽电极上开设有修复液注入口。

如图2所示，电源组件包括并联设置的第一直流调压器16和第一交流调压器17。第一直流调压器16和第一交流调压器17分别与作为第一选择电路的第一单刀双掷开关18的两个不动端(即第一选择电路的输入端)连接，第一单刀双掷开关的动端(即第一选择电路的输出端)经第一限流电阻19与针电极110连接。针电极置于交联聚乙烯片状样本安装凹槽电极相对的一端内，凹槽电极经导线接地。第一直流调压器可供0～10kV的高压直流电源；第一交流调压器可供0～10kV的高压交流电。第一直流调压器和第一交流调压器可以采用本领域已经披露的常规设置。

加热器12用于给变压器油加热。如图2所示，本实施例中使用的加热器12为沿实验槽侧面和底部设置的加热片。

如图2所示，微流注射泵13输入端与修复液供给装置连接，输出端经管道与凹槽电极上设置的修复液注入口连接。

本实施例针对的交联聚乙烯片状样本可以具有电树缺陷区域的样本，也可以为具有水树缺陷区域的样本。

上述交联聚乙烯片状样本的制作方法如下：

(1)交联聚乙烯薄片样本制备

将XLPE颗粒置于金属模具中；再将模具置于真空压模机中，于120℃、3～5MPa下抽真空预热处理10min，使颗粒模压成型；而后将压模机温度升至180℃，同时调节压力为15MPa进行交联处理30min；冷却退模后裁剪成实验用的尺寸为76mm×5mm×13mm交联聚乙烯片状样本坯料。

(2)缺陷样本制备

(i)具有电树缺陷区域的样本：

如图3所示，本实施例中使用的凹槽电极15为铜槽，其外部尺寸为80mm×8mm×10mm，壁厚为2mm，其内部设置有台阶槽，台阶槽上部与交联聚乙烯片状样本尺寸相匹配，交联聚乙烯片状样本放置于台阶槽上，交联聚乙烯样本端部与凹槽电极底部之间形成容纳修复液的空腔，尺寸为72mm×3mm×5mm。凹槽电极底部开设有直径为1mm的液体注入口。

将交联聚乙烯片状样本01置于凹槽电极中，利用玻璃胶将其与凹槽电极密封固定，并利用扎带固定好，然后将针电极110(利用热扎法)从顶部中间位置扎入交联聚乙烯片状样本内，并使针尖距凹槽距离2mm左右。之后，将针电极与高压电源连接，凹槽电极接地；通过高压电源向交联聚乙烯片状样本施加0、1、2、5kV电压1h，得到具有电树缺陷区域的样本。

(ii)具有水树缺陷区域的样本：

这里使用的两个凹槽电极与图3中的相同。

如图4所示，利用先在交联聚乙烯片状样本上等间距布置扎入五根针电极110，针尖距离下方凹槽电极2mm左右；然后在样本顶部和底部分别利用玻璃胶将其与上部、下部的凹槽电极密封固定，并利用扎带固定好；将上部凹槽电极与高压电源连接，下部凹槽电极接地；接着通过上部凹槽电极的注入口向其内部注入饱和NaCl溶液，并对凹槽电极接通高压，向交联聚乙烯片状样本施加7.5kV电压20天，进行加速水树老化，进而得到具有水树缺陷区域的样本。

针对上述两种电缆老化缺陷，本实施例选用的修复液为由硅氧烷修复液90份、钛酸四异丙酯7份和抗氧剂300 3份共混得到。

利用上述第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台对具有电树/水树缺陷区域的交联聚乙烯片状样本按照以下步骤进行靶向修复实验：

(1)利用玻璃胶，将交联聚乙烯片状样本底部与凹槽电极进行密封粘连；接着，将修复液通过注入口注入后将开孔密封；然后，检查整个装置的密封性是否完好，若有液体漏出，用密封胶进行再次密封，至没有液体漏出；然后，利用绑扎带将样本和凹槽电极固定好。

(2)将安装有凹槽电极的交联聚乙烯片状样本浸在装有变压器油的透明实验槽11中，针电极110(这里使用的是注射器针头电极)经第一限流电阻19接至第一单刀双掷开关18的动端，凹槽电极15经导线接地；第一单刀双掷开关18的两个不动端分别与第一直流调压器和第一交流调压器连接。将微流注射泵13输入端与修复液供给装置连接，输出端经管道与凹槽电极上设置的修复液注入口连接。

(3)通过控制第一单刀双掷开关可提供不同类型(直流、交流)、不同极性(正极性、负极性)的高压电源，以实现不同电场下的电缆靶向修复。通过控制微流注射泵的输出压力，使得注入交联聚乙烯片状样本中的修复液的压力发生变化，进而实现不同注入压力下的靶向修复。通过控制透明实验槽外层的加热片温度，可实现不同温度条件下修复液的靶向修复。

例如，为研究不同加压时间下修复液在介电泳力下的定向运动情况，及在针尖附近的浓度分布，具体操作为接通电源，通过调节第一直流调压器16或第一交流调压器17，将电压(直流或交流)调至2kV左右，分别保持电压30min、1h、2h后，关闭电源。进行后续的修复效果实验。

修复液在绝缘层中通过介电泳力进行定向运动相较于液体而言比较困难，虽然绝缘层中存在极不均匀电场(针电极处)，但其并不能像液体中的介电泳力行为一样，快速定向运动。因此需要考虑通电情况下的时间影响。由于修复液在聚合物中的介电泳行为并不清晰，因此，设定三种不同加压时间，通过对比不同加压时间后电缆绝缘性能的变化情况，进而分析时间与介电泳行为之间的关系，以确定修复效果最佳的加压时间。

通过控制高压电源、修复液注入压力、修复液温度等，可进行单因素条件下局部缺陷样本的靶向修复实验，也可不同因素相互组合，进行复合因素条件下局部缺陷样本的靶向修复实验。

实施例2

本实施例提供了针对交联聚乙烯电力电缆样本的第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台。

如图5所示，第一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，包括个结构相同的适配器21、修复液供给装置和电压施加装置。

两个适配器分别安装于交联聚乙烯电力电缆样本的两端。如图6所示，适配器21包括与交联聚乙烯电力电缆样本外表面适配的第一连接部2101、与交联聚乙烯电力电缆缆芯适配的第二连接部2102以及将第一连接部和第二连接部连接为一体的第三连接部2103。适配器的第一连接部2101套设于交联聚乙烯电力电缆样本的外半导电层上，且与外半导电层紧密接触；为了增加两者之间的密封效果，进一步在适配器的第一连接部与外半导电层之间设置填充胶带2104，还进一步通过套设于适配器的第一连接部外侧的卡箍2105固定。适配器的第二连接部套设于作为导电件的铜鼻子2106，铜鼻子的卡接部套设于交联聚乙烯电力电缆缆芯上，并利用液压钳将铜鼻子与电缆缆芯紧密连接；为了增加适配器的第二连接部与电缆缆芯之间的密封效果，进一步在适配器的第二连接部与铜鼻子之间加入填充胶带2104，还可以进一步通过套设于适配器的第二连接部外侧的卡箍2105固定。适配器的第三连接部为锥形结构，其内径由第一连接部孔内径渐变至第二连接孔内径；第三连接部上设置有与其内部连通的注液口2107；第三连接部覆盖电力电缆绝缘层、缆芯和铜鼻子的过渡位置。

如图5所示，修复液供给装置包括用于存放修复液的储液罐22和与储液罐连通，向修复液施加压力的储气罐23，储液罐和储气罐安放于绝缘支架上。储液罐通过设置有阀门的管道与交联聚乙烯电力电缆样本一端适配器的注液口连接，交联聚乙烯电力电缆样本另一端适配器的注液口经设置有阀门的管道与余液收集器24连接。

如图5所示，电压施加装置包括并联设置的第二直流调压器25和第二交流调压器26。第二直流调压器25和第二交流调压器26分别与作为第二选择电路的第二单刀双掷开关27的两个不动端(即第二选择电路的两个输入端)连接，第二单刀双掷开关的动端(即第二选择电路的输出端)经第二限流电阻28与交联聚乙烯电力电缆样本上端的适配器铜鼻子连接。交联聚乙烯电力电缆样本的最外侧层(这里是外半导体层)接地。

如图5所示，加热装置包括升流器29，升流器输入端连接有交流电源210；输出端正、负极分别与交联聚乙烯电力电缆样本上、下端适配器铜鼻子连接。本实施例采用的是35kV额定电压全绝缘升流器，交流电源幅值为0～220V。通过升流器向交联聚乙烯电力电缆样本施加大电流，通过控制输出电流大小0～1000A，间接控制电缆缆芯温度。

本实施例针对的交联聚乙烯电力电缆样本为具有水树缺陷的电力电缆样本，使用的电缆样本是由交联聚乙烯电缆，去除外护套、铝护套、缓冲层，暴露出外半导体层后的部分，且两端露出缆芯部分。

交联聚乙烯电力电缆样本缺陷具体制作方法为：采用水针电极老化法加速样本老化，将长约400mm的电缆样本两端剥去绝缘层，露出长约20mm的缆芯，再将其两端的外半导电层剥去100mm。用注射器针头在电缆样本的外半导电层每隔固定距离扎入针孔缺陷，电缆有针孔的一段浸于NaCl溶液中，同时对电缆施加7.5kV、400Hz的高频高压信号，进行20天的加速老化，得到水树缺陷样本。

针对上述电缆老化缺陷，本实施例选用的修复液由硅氧烷修复液90份、钛酸四异丙酯7份和抗氧剂3003份共混得到。

利用上述第二种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台对交联聚乙烯电力电缆样本按照以下步骤进行靶向修复实验：

(1)搭建实验平台

将交联聚乙烯电力电缆样本两端分别安装适配器，交联聚乙烯电力电缆样本一端安装的适配器注液口经设置有阀门的管道与储液罐连接，另一端安装的适配器注液口经设置有阀门的管道与余液收集器连接，形成修复液流通回路；然后，将连接储液罐的交联聚乙烯电力电缆样本端部安装的适配器铜鼻子经电压施加装置的限流电阻连接至电压施加装置的高压电源(直流或交流)上，用来进行不同电场下的电缆靶向修复实验。交联聚乙烯电力电缆样本两端分别接至升流器的正、负极，用来进行不同温度下的电缆靶向修复实验。

(2)交联聚乙烯电缆样本靶向修复实验

(i)单一因素下的靶向修复实验

可以按照以下条件之一，实现单一因素下的靶向修复实验：

(a)通过改变储气罐出气口阀门大小来控制气体注入修复液罐内的压力大小，一般气压在0.1～0.8Mpa内可调节，实现不同压力下的修复；

(b)通过改变第二直流调压器或第二交流调压器极性或大小，实现不同电压(0～20kV)下的靶向修复实验；

(c)通过控制升流器输出电流大小(0～1000A)，间接控制缆芯温度，实现不同温度下的修复。

(ii)多因素下的靶向修复实验

保持第二直流调压器或第二交流调压器的极性和大小的电压不变，改变储气罐阀门大小控制修复液注入压力或者改变升流器输出电流大小控制温度，或者同时改变修复液注入压力和温度，从而实现多因素下的电缆靶向修复。

以下给出了在保持储气罐气压为0.2Mpa、关闭升流器情况下，对电缆进行修复液注入直至电缆尾端有修复液流出，关闭适配器，保持压力不变，对四根同样水树缺陷交联聚乙烯电力电缆分别施加不同电压条件(A组无电场、B组10kV正极性电压、C组10kV负极性电压、D组幅值为10kV和频率为50Hz的交流电压)下的靶向修复实验，修复时间为4h。实验结果如图7和图8所示。

图7为扫描电镜观测下不同运行电压下的水树老化电缆靶向修复后样品绝缘层中无机颗粒分布情况。从图中可以看出，无电场情况下样本无机填充物的数量最少，而缆芯施加正极性电压情况下样本中整个断面充满了无机填充物，且填充物分布均匀；缆芯施加负极性电压和施加交流电压时样本中的无机填充物明显少于正极性电压情况，但比无电场情况下样本中填充物多且分布较均匀。由此，可以看出，电缆样本施加不同类型、不同极性电压时，对其靶向修复效果的影响不同。

图8为电缆样本在不同运行电压条件下，其介质损耗因数随修复后时间的变化情况。从图中可以看出，修复前，加速水树老化电缆的介质损耗因数在3％左右，已经属于较为严重的老化电缆。修复4h后，4组样本的介质损耗因数迅速下降，随着修复时间的增加，4组样本的平均介质损耗因数下降速率均逐渐减缓。此外，正极性电压下的电缆样本的介质损耗因数随着时间变化最快，且最先达到稳定状态。说明相较于不施加电场的一般修复方法，靶向修复方法效果更佳，主要是因为在靶向修复条件下，修复液能够定向快速扩散至绝缘缺陷处，对缺陷进行有效修复，进而能在较短时间内恢复电缆的绝缘性能。

基于上述分析，本实施例进一步提供了一种基于介电泳的交联聚乙烯电力电缆靶向修复方法：先按照常规手段对待修复电缆进行一系列检测，以评估电缆的绝缘水平及电缆对修复液流量及压力的承载能力，得到修复液注入所需的气压；然后参照前面针对电力电缆样本的靶向修复实验平台，将待修复电缆两端通过适配器接入修复液供给装置以及高压电源(可以参考电压施加装置)；按照设定的修复液注入所需的气压值，向待修复电力电缆注入修复液，同时按照设定的电压值，向待修复电力电缆施加给定极性(直流或交流)和大小的电压；修复液在电压提供的电场介电泳作用下迁移扩散至电力电缆待修复缺陷处，完成对缺陷的修复。

综上所述，本发明提供的基于介电泳的交联聚乙烯电力电缆靶向修复方法，通过外在物理场介电泳作用对修复液进行针对性的靶向导引，促进不同分子量修复液的渗透速度，使得缺陷处的修复液有效成分在短时间内高浓度积聚，从而明显提升老化电缆修复效果的一种修复方法。由于电缆绝缘基体中的微缺陷导致电场畸变，不均匀电场作用在修复液的极性分子中，使其在介电泳力的驱动下定向移动至缺陷区域，其具有功能性的离子会与局部微观缺陷(局部电场畸变缺陷或水树)发生化学反应，进而填充缺陷或空洞，起到均匀缺陷区域电场和抑制缺陷进一步劣化的作用。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于包括实验槽(11)、电源组件和装有修复液的微流注射泵(13)；

所述实验槽(11)内装有变压器油(14)，交联聚乙烯片状样本(01)放置于变压器油中；交联聚乙烯片状样本一端安装有凹槽电极(15)，且凹槽电极与交联聚乙烯片状样本端部之间形成容纳修复液的空腔；所述凹槽电极上开设有液体注入口(1501)；

所述电源组件包括并联设置的第一直流调压器(16)和第一交流调压器(17)；所述第一直流调压器和第一交流调压器分别与第一选择电路两个输入端连接，第一选择电路的输出端经第一限流电阻(19)与针电极(110)连接；针电极置于交联聚乙烯样本安装凹槽电极相对的一端内；

所述微流注射泵(13)输入端与修复液供给装置连接，输出端经管道与凹槽电极上设置的液体注入口连接。

2.根据权利要求1所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于所述实验槽进一步设置有给变压器油加热的加热器(12)。

3.根据权利要求2所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于所述加热器为沿实验槽侧面和底部设置的加热片。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于所述第一选择电路为第一单刀双掷开关；所述第一直流调压器和第一交流调压器分别与第一单刀双掷开关的两个不动端连接，第一单刀双掷开关的动端经第一限流电阻与针电极连接；针电极置于交联聚乙烯样本固定凹槽电极相对的一端内。

5.一种交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于包括两个结构相同的适配器(21)、修复液供给装置和电压施加装置；

两个适配器(21)分别安装于交联聚乙烯电力电缆样本的两端；所述适配器上设置有注液口(2107)和导电件，导电件与交联聚乙烯电力电缆缆芯连接；

所述修复液供给装置包括用于存放修复液的储液罐(22)和与储液罐连通，向修复液施加压力的储气罐(23)；所述储液罐通过设置有阀门的管道与交联聚乙烯电力电缆样本一端适配器的注液口连接；交联聚乙烯电力电缆样本另一端适配器的注液口经设置有阀门的管道与余液收集器(24)连接；

所述电压施加装置包括并联设置的第二直流调压器(25)和第二交流调压器(26)，所述第二直流调压器和第二交流调压器分别与第二选择电路两个输入端连接，第二选择电路的输出端经第二限流电阻(28)与交联聚乙烯电力电缆样本一端的适配器导电件连接；

所述交联聚乙烯电力电缆样本的最外侧层接地。

6.根据权利要求5所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于进一步设置有向交联聚乙烯电力电缆样本加热的加热装置。

7.根据权利要求6所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于所述加热装置包括升流器(29)，升流器输入端连接有交流电源(210)；输出端正负极分别与交联聚乙烯电力电缆样本两端导电件连接。

8.根据权利要求5至7任一权利要求所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于所述适配器包括与交联聚乙烯电力电缆样本外表面适配的第一连接部(2101)、与交联聚乙烯电力电缆缆芯适配的第二连接部(2102)以及将第一连接部和第二连接部连接为一体的第三连接部(2103)；第三连接部为锥形结构，其内径由第一连接部孔内径渐变至第二连接孔内径；第三连接部上设置有与其内部连通的注液口(2107)。

9.根据权利要求8所述交联聚乙烯样本靶向修复实验平台，其特征在于所述第二选择电路为第二单刀双掷开关；所述第二直流调压器和第二交流调压器分别与第二单刀双掷开关的两个不动端连接，第二单刀双掷开关的动端经第二限流电阻与交联聚乙烯电力电缆样本一端的适配器导电件连接。

10.一种基于介电泳的交联聚乙烯电力电缆靶向修复方法，其特征在于按照修复液注入所需的气压设定值，向待修复电力电缆注入修复液，同时按照设定的电压值，向待修复电力电缆施加电压；修复液在电压提供的电场介电泳作用下迁移扩散至电力电缆待修复缺陷处，完成对缺陷的修复。

Images