CN115322377B - 一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电缆修复技术领域，公开了一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液及其制备方法和应用；该修复液组分以重量份数计包括：硅氧烷90～99.2份；催化剂0.3～3份；蒸馏水0.5～7份；本发明所提供的预缩合电力电缆绝缘老化修复液进行预缩合后，由于离去基团背后的分子链占有体积更大，空间位阻效应增大，将限制亲核试剂的进攻，从而减缓水解速率，避免了水解反应过快使副产物甲醇、乙醇等积累到能够明显腐蚀铝芯的程度；本发明所提供的修复液可修复水树老化区域、抑制绝缘劣化和电树枝引发，延长电缆寿命，且更适合用于大截面、高运行温度的聚合物绝缘电力电缆。
Description
技术领域
本发明属于电缆修复技术领域，特别涉及一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液及其制备方法和应用。
背景技术
由于中国经济的飞速发展，全社会用电量也快速增长，同时随着城市化建设的推进，10kV配电电缆逐渐替代架空输电线，成为城市电能传输的主要载体，电缆敷设长度截止2022年已经超过100万公里(国网和南网官网数据)，其中使用最广泛的是以交联聚乙烯为绝缘材料的电力电缆。XLPE电缆具有优良的电-机械性能及抗热应力能力等，理想运行寿命超过40年，但若敷设环境潮湿甚至积水严重、运行条件恶劣，其使用年限可能大幅缩减至20年以内。
城网改造初期，一方面国内厂家的整体生产技术水平不高，电缆绝缘内部存在较多的微孔和杂质缺陷，防水性能不佳；另一方面，运行单位缺乏运行管理经验，某些地下电缆存在敷设年限及线路不明、共沟率高、浸水严重等问题，长期暴露在热、水分、机械应力等作用之下，老化较为严重。通过改进制造工艺、在绝缘中加入功能添加剂等手段，电缆的抗水树、电树能力得到加强，但是添加剂会随着时间而消耗或流失，加之配电电缆存在接头附件等薄弱环节、护套外破等意外情况，电缆内部仍可能受到水分侵蚀，从而引发水树生成，甚至进一步产生电树直至击穿，威胁电力系统的安全运行。
目前，国内城市配电电缆的存量大、增速快，并且大量电缆投运年限逐渐超过20年，步入“老龄化”阶段，进入事故高发期。如此多老化电缆的诊断与维护对电力工作人员来说是一项巨大的挑战，若对老化电缆进行大规模更换，将耗费巨额投资，停电、施工也将动用大量人力物力。加之电力体制改革，电网公司实行降本增效等管理方案，能否寻找一种行之有效且经济便捷的处理老化电缆的手段成为行业人员日益关心的问题。
上世纪八十年代，国外学者首次提出一种基于硅氧烷的压力注入式电缆修复技术，通过压力将修复液从绞合缆芯的空隙中泵入，并使其逐渐扩散至绝缘层之中。硅氧烷能够发生水解-缩合反应，去除电缆内部水分的同时，生成一种凝胶状低聚物，填充内部缺陷，从而实现降低老化电缆介质损耗、提高击穿电压的作用。这项技术实施简单，通常不需要破土动工，相较于直接更换老化电缆，其停电时间、设备和施工成本均大幅减少，在国外已经有三十几年的商业化运行经验，截至2016年底，累计修复电缆数量超过26480km。
但是对于大截面和重负荷电缆的修复仍存在一些难题，文献[Bertini G J,Keitges N E,Vincent G A.Considerations for injecting cables with highconductor temperature[C]//ICC Subcommittee A,November 11,2009.]认为常规修复技术仅适用于在较冷土壤中的轻负荷电缆，在温暖气候条件下对重负荷电缆，特别是馈线电缆(Feeder Cable)进行修复，电缆的失效概率偏高。在一次修复案例中，使用PMDMS和0.2wt.％TIPT的配方对亚利桑那州公共服务(APS)公司的馈线电缆进行修复，事后发生故障的概率甚至超过了之前地下配电电缆(URD Cable)修复案例的10倍，并且故障时间主要集中在夏末，此时的土壤温度和负荷全年最高。
造成电缆在以上条件下失效的原因可能为高蒸气压、铝芯腐蚀和修复液浓度过高等：
(1)修复液及其副产物中的易挥发成分在较高运行温度下可能会对周围的聚合物绝缘施加较大的气压，如水解副产物甲醇和短链硅烷TMMS(三甲基甲氧基硅烷)，TMMS纯组分的蒸气压在90℃时可达到0.34MPa以上；
(2)硅氧烷的水解副产物甲醇、乙醇等在适当的浓度和高温条件下，会和铝芯发生反应生成氢气，部分破坏电缆的导体，且未及时扩散的氢气的气压也可达到0.18MPa～0.32MPa，使潜在的绝缘击穿风险增大；
(3)大截面电缆中的缆芯空隙体积更大，能够储存更多的修复液，而部分修复液成分在交联聚乙烯中的饱和溶解度随着温度的升高会急剧增加，大量弱极性小分子液体进入绝缘层内部，可能会改变聚合物绝缘的部分电气性能。
发明内容
目前国内暂无相关修复液配方针对大截面和重负荷电缆情况下出现的问题进行相应改进，减小其修复后的故障率。本发明的首要目的在于提供一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液，减小修复液在高温下的蒸气压，减缓修复液水解速率避免铝芯腐蚀，减小修复液高温条件下在聚合物绝缘中的饱和溶解度，以适应大截面和重负荷电缆情况下的修复应用。
本发明的基本思路是：在现有硅氧烷修复液的基础上添加蒸馏水，使修复液预先发生一定程度的水解-缩合反应，小幅度增大修复液的分子体积和分子量，然后通过真空干燥的手段去除残留水分。由于修复液的主要作用是去除电缆中的水分并填充微孔，因此行业相关人员通常不会向修复液中引入水分，本发明首先使用了这种方法。
本发明另一目的在于提供上述预缩合电力电缆绝缘老化修复液的制备方法，该方法简单、安全稳定、效果好、成本低、施工便捷。
本发明的另一目的旨在提供上述预缩合电力电缆绝缘老化修复液在电力电缆绝缘老化修复中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液，其组分以重量份数计包括：
优选的，所述预缩合电力电缆绝缘老化修复液，其组分以重量份数计包括：
进一步优选，所述预缩合电力电缆绝缘老化修复液，其组分以重量份数计包括：
所述催化剂包括三氟甲磺酸、苯磺酸、甲磺酸、三氟乙酸、二氯乙酸、磷酸、二乙酸二丁基锡、二月桂酸二丁基锡、二辛酸二丁基锡、辛酸亚锡或二甲基十二烷酸锡中的至少一种。
所述硅氧烷为甲苯乙基甲基二甲氧基硅烷、氰基丙基甲基二甲氧基硅烷、氰基丁基甲基二甲氧基硅烷、苯基甲基二甲氧基硅烷或苯基三甲氧基硅烷中的至少一种。
所述的预缩合电力电缆绝缘老化修复液的制备方法：将硅氧烷、催化剂、水加入带有搅拌器的混合容器中，并向其中通入惰性气体，于室温中搅拌混合。随后进行恒温保存，定期取样进行水分含量检测，直至确定修复液中的蒸馏水消耗量大于添加量的90％，最后干燥去除修复液中的剩余水分，即可获得预缩合电力电缆绝缘老化修复液。
所述惰性气体可以是氮气、氩气等；所述搅拌是指搅拌至90％以上的水分与硅氧烷和催化剂反应，确保修复液充分预缩合；所述恒温条件为在30～90℃中的进行保存，使修复液发生水解-缩合反应；
上述的预缩合电力电缆绝缘老化修复液在电力电缆绝缘老化修复中的应用，包括以下步骤：
(1)安装适配器：拆除待修复电力电缆两端电缆终端头，并分别安装前端适配器和后端适配器；
(2)测试贯通性：前端适配器与干燥气体注入设备连接，从前端适配器向待修复电力电缆中注入0.05～0.4MPa的干燥气体，同时利用干燥气体注入设备的气压表检测待修复电力电缆的贯通性；若待修复电力电缆贯通性良好，则进入步骤(3)，否则不建议采用注入修复；
(3)注入修复液：拆除与适配器连接的干燥气体注入设备，并连接上修复设备，将修复液以0.05～0.8MPa压力从前端适配器注入待修复电力电缆缆芯中，直至修复液从后端适配器出口溢出后停止注入修复液，保持压力2～6小时，使修复液充分渗透到电缆绝缘层中；
(4)填充修复：封闭前端适配器进口和后端适配器出口，使修复液充分与电缆水树区域水分反应，修复液在此过程中进一步缩合生成低聚物对老化微孔进行填充修复，待修复完成后，打开电缆两端适配器，将剩余修复液及废液从后端适配器出口排出即可；
修复结束后，拆除适配器，重新制作电缆终端头，恢复终端头绝缘即可。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明所提供的预缩合电力电缆绝缘老化修复液的分子量更大，更难以挥发，较高运行温度下不易产生较大蒸气压，在电缆运行过程中，在电应力、热应力的作用下，不易使电缆聚合物绝缘发生劣化；
(2)硅氧烷的水解反应为双分子亲核取代反应(SN2反应)，H2O中的-OH作为亲核试剂从硅氧烷中离去基团-OCH3的背后进攻硅原子，进攻时受到电荷感应效应和空间位阻效应的影响。本发明所提供的预缩合电力电缆绝缘老化修复液进行预缩合后，由于离去基团背后的分子链占有体积更大，空间位阻效应增大，将限制亲核试剂的进攻，从而减缓水解速率，避免了水解反应过快使副产物甲醇、乙醇等积累到能够明显腐蚀铝芯的程度；
(3)修复液本身的直流电导率、相对介电常数、介质损耗因数等均高于聚合物绝缘，过多进入绝缘层中会使电缆本身的直流电导率、相对介电常数和介质损耗因数升高，影响电缆绝缘性能。预缩合修复液分子体积增大使其更难扩散至聚合物绝缘层中，即使运行温度升高，聚合物绝缘中自由体积区增大，预缩合修复液在聚合物绝缘中的饱和溶解质量也大大低于硅氧烷单体。
附图说明
图1是应用例中B组与C组修复液于不同温度下在交联聚乙烯中的饱和溶解质量分数曲线；
图2是应用例中B组和C组修复液修复水树老化电缆前后的工频介质损耗因数变化；
图3是应用例中B组和C组修复液修复热氧老化电缆前后的工频介质损耗因数变化；
图4是应用例中B组和C组修复液修复水树老化电缆前后，电缆样本绝缘中针尖处的击穿电压韦伯分布曲线；
图5是应用例中B组和C组修复液修复热氧老化电缆前后，电缆样本绝缘薄片的击穿电压韦伯分布曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例1提供的一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液，按照以下方法制备得到：将96.5份的苯基甲基二甲氧基硅烷(浓度为96.5wt％)，0.5份的苯磺酸(浓度为0.5wt％)，3.0份的蒸馏水(浓度为3.0wt％)加入带有搅拌器的混合容器中，并向其中通入氮气，于室温中搅拌混合20min左右，随后选择50℃进行恒温保存，使修复液发生水解-缩合反应，定期取样进行水分含量检测，直至确定修复液中的蒸馏水消耗量大于添加量的90％，最后通过真空干燥手段去除修复液中的剩余水分，即可获得预缩合电力电缆绝缘老化修复液。
对比例1
本对比例1提供的一种纯硅氧烷修复液，按照以下方法制备得到：将96.5份的苯基甲基二甲氧基硅烷(浓度为96.5wt％)，0.5份的苯磺酸(浓度为0.5wt％)，加入带有搅拌器的混合容器中，并向其中通入氮气，于室温中搅拌混合20min左右，随后选择50℃进行恒温保存，即可获得未预缩合的纯硅氧烷修复液。
应用例
1、实验对象获取
为了研究本发明提供的预缩合绝缘老化修复液对老化电力电缆的修复效果，选取一批新电缆分别进行加速水树老化和加速热氧老化，获得用于修复实验的两种老化样本，
所获得的老化电力电缆样本分别用于不注入修复液(A组)、注入对比例1中未预缩合的纯硅氧烷修复液(B组)和本发明实施例1中的预缩合电力电缆绝缘老化修复液(C组)的试验样本进行性能观测。
2、老化电缆修复
将实施例1制备的预缩合电力电缆绝缘老化修复液注入C组样本中，具体包括以下步骤：
(1)安装适配器：分别安装前端适配器和后端适配器用于连接压力注入装置和电缆；
(2)测试贯通性：前端适配器与氮气注入设备连接，从后端适配器向待修复电力电缆中注入0.1～0.2MPa的氮气，同时利用氮气注入设备的气压表检测待修复电力电缆的贯通性；若待修复电力电缆贯通性良好，则进入步骤(3)，否则不建议采用注入修复；
(3)注入修复液：拆除与适配器连接的氮气注入设备，并连接上修复设备，将修复液以0.15～0.8MPa压力从前端适配器注入待修复电力电缆缆芯中，直至修复液从后端适配器出口溢出后停止注入修复液，保持压力2～6小时，使修复液充分渗透到电缆绝缘层中；
(4)填充修复：封闭前端适配器进口和后端适配器出口，使修复液充分与电缆水树区域水分反应，修复液在此过程中生成低聚物对老化微孔进行填充修复，保持4小时，待修复完成后，打开电缆两端适配器，将剩余修复液及废液从后端适配器出口排除，即完成老化电缆修复。
采用上述同样的方法，向B组样本中注入对比例1中未预缩合的纯硅氧烷修复液。
3、测试分析
(1)饱和溶解质量测试
从新电缆样本绝缘层上切取交联聚乙烯块状样本，于不同温度下(15℃、60℃)浸泡在对比例1中的未预缩合的纯硅氧烷修复液(B组)和实施例1中的预缩合电力电缆绝缘老化修复液(C组)中，定期取出块状样本，擦干表面后称重，直至重量几乎不再发生变化，计算得到不同修复液在交联聚乙烯中的饱和溶解质量，如图1所示。
可见本发明对应的C组预缩合修复液饱和溶解质量均低于现有B组修复液，B组修复液在较高温度条件下，如60℃，饱和溶解质量过高，超过了10wt.％，可能会改变绝缘层本身的电气性能，而C组修复液有效缓解了这一现象。
(2)工频介质损耗因数测试
老化样本修复后分别于15℃和60℃条件下静置30天，使修复液完成初步扩散，随后测试其工频介质损耗因数，水树老化电缆测试结果如图2所示，热老化电缆测试结果如图3所示。由图可知，本发明对应的C组修复液在60℃条件下对水树老化电缆有明显的修复效果，对热氧老化电缆介质损耗因数的影响相较于B组小。
(3)工频击穿实验
老化样本修复后分别于15℃和60℃条件下静置30天，对新电缆、水树老化电缆、热氧老化电缆、修复后的B组和C组样本进行工频击穿实验，其中，热氧老化电缆组击穿实验采用薄片击穿，水树老化电缆组击穿实验是将针尖扎至水树区域进行，因此两者不能横向对比。将击穿数据进行整理并绘制二参数Weibull分布曲线，图4为水树老化电缆测试结果，图5为热氧老化电缆测试结果。观察击穿概率为63.2％处的特征击穿电压，可以看出，C组样本对样本特征击穿电压的提升幅度较B组更大。
从上述实验可以看出，本发明对应修复液在较高温度(60℃)条件下，对水树老化电缆的修复效果优于现有B组修复液，并且使热氧老化电缆工频介质损耗因数的增大幅度更小，击穿电压提升幅度也更大，总体作用效果优于传统未预缩合修复液。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种预缩合电力电缆绝缘老化修复液在电力电缆绝缘老化修复中的应用，其特征在于：
所述预缩合电力电缆绝缘老化修复液，其组分以重量份数计包括：
硅氧烷 90～99.2份；
催化剂 0.3～3份；
水 0.5～7份；
各组分总量之和为100份。
2.根据权利要求1中所述的应用，其特征在于：
所述预缩合电力电缆绝缘老化修复液，其组分以重量份数计包括：
硅氧烷 93-98.7份；
催化剂 0.3-2份；
水 1～5份；
各组分总量之和为100份。
3.根据权利要求2中所述的应用，其特征在于：
所述预缩合电力电缆绝缘老化修复液，其组分以重量份数计包括：
硅氧烷 94.5-97.5份；
催化剂 0.5-1.5份；
水 2～4份；
各组分总量之和为100份。
4.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于：
所述催化剂为三氟甲磺酸、苯磺酸、甲磺酸、三氟乙酸、二氯乙酸、磷酸、二乙酸二丁基锡、二月桂酸二丁基锡、二辛酸二丁基锡、辛酸亚锡或二甲基十二烷酸锡中的至少一种。
5.根据权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于：
所述硅氧烷为甲苯乙基甲基二甲氧基硅烷、氰基丙基甲基二甲氧基硅烷、氰基丁基甲基二甲氧基硅烷、苯基甲基二甲氧基硅烷或苯基三甲氧基硅烷中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的预缩合电力电缆绝缘老化修复液的制备方法，包括以下步骤：将硅氧烷、催化剂、水加入带有搅拌器的混合容器中，并向其中通入惰性气体，于室温中搅拌混合；随后进行恒温保存，定期取样进行水分含量检测，直至确定修复液中的蒸馏水消耗量大于添加量的90％，最后干燥去除修复液中的剩余水分，即可获得预缩合电力电缆绝缘老化修复液。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述惰性气体为氮气或氩气；所述搅拌是指搅拌至90％以上的水分与硅氧烷和催化剂反应，确保修复液充分预缩合。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述恒温条件为在30～90℃中的进行保存，使修复液发生水解-缩合反应。
9.根据权利要求1所述的预缩合电力电缆绝缘老化修复液在电力电缆绝缘老化修复中的应用，其特征在于包括以下步骤：
(1)安装适配器：拆除待修复电力电缆两端电缆终端头，并分别安装前端适配器和后端适配器；
(2)测试贯通性：前端适配器与干燥气体注入设备连接，从前端适配器向待修复电力电缆中注入0.05～0.4MPa的干燥气体，同时利用干燥气体注入设备的气压表检测待修复电力电缆的贯通性；
(3)注入修复液：拆除与适配器连接的干燥气体注入设备，并连接上修复设备，将修复液以0.05～0.8MPa压力从前端适配器注入待修复电力电缆缆芯中，直至修复液从后端适配器出口溢出后停止注入修复液，保持压力2～6小时，使修复液充分渗透到电缆绝缘层中；
(4)填充修复：封闭前端适配器进口和后端适配器出口，使修复液充分与电缆水树区域水分反应，修复液在此过程中进一步缩合生成低聚物对老化微孔进行填充修复，待修复完成后，打开电缆两端适配器，将剩余修复液及废液从后端适配器出口排出即可；
修复结束后，拆除适配器，重新制作电缆终端头，恢复终端头绝缘即可。
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