Каковы распространенные проблемы с кабелями XLPE?

I. Неизбежный честный вопрос

В зарубежных проектах полиэтилен с перекрестными связями(XLPE)Указанные кабели являются практически стандартным оборудованием в сетях среднего и высокого напряжения.и простота установки сделали их заменой для бумажных изоляционных кабелей на протяжении десятилетий.

Однако они не непобедимы.

Согласно операционной статистике нескольких международных энергетических компаний, повреждение изоляции является основной причиной сбоев кабелей XLPE, на которые приходится примерно 86,7% всех сбоев.Из них:, сбои, вызванные частичным старением разряда, электрическим старением и водой, составляют 65,7%; сбои, вызванные термическим старением и термомеханическими деформациями, составляют 10,5%;и неисправности, вызванные механическими повреждениями и электромеханическим комбинированным старением, составляют оставшиеся 100,5%.

Другими словами, если у кабеля XLPE есть проблема, это, скорее всего, связано со старением изоляции.дефекты, оставшиеся на стадии производства, повреждения, возникающие во время установки и укладки, и старения, которое постепенно развивается во время эксплуатации.

Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные проблемы для ясности.

II. Деревья ∙ предупреждающий знак перед повреждением изоляции

Во-первых, важно понять основную концепцию: деревообразование.

В инженерном деле кабелей электропередач "деревообразование" относится к микроскопическим, деревянным трещинам и каналам разряда, которые образуются в твердой изоляционной среде до полного разрушения.Деревообразование - это по существу предварительный феномен.Как только дерево растет от одного электрода к другому, изоляция прорывается, и кабель отказывается.

В зависимости от своего образования деревья классифицируются на три типа:

Электрическое дерево: когда существуют мелкие дефекты внутри изоляции, такие как воздушные пробелы, примеси или выступания на поверхности проводника под долгосрочным рабочим напряжением,электрическое поле в этом месте подвергается серьезному искажениюЭлектрические деревья быстро растут и сложно обратить вспять, как только они сформируются, что напрямую сокращает оставшийся срок службы кабеля..

При переменном напряжении электрические деревья могут проявлять две типичные формы: одна - ветвистая структура, похожая на ветви деревьев, а другая - более плотная, похожая на куст структура.чем легче сформироваться деревья, похожие на кустарник.

Исследование по отказу изоляции в кабелях 33 кВ XLPE показало, что электрическое дерево является явлением, предшествующим повреждению, что приводит к преждевременному отказу высоковольтных кабелей,существенно отрицательно влияет на срок службы конструкцииДругое исследование, основанное на распределении Вейбула, показало, что чем выше напряжение, тем быстрее скорость распространения электрических деревьев, и тем короче срок службы изоляции кабеля.

Водное дерево: для образования водяных деревьев требуются три условия: влага, электрическое поле и растворимые примеси.

При сочетании эффектов высокого электрического поля, определенного уровня влажности (относительной влажности более 70%) и присутствия соли или загрязняющих веществ в воде, плотная сеть чрезвычайно небольших,заполненные водой пустоты и каналы растут внутри изоляции XLPEВодяные деревья сами по себе не являются каналами сброса, но они значительно снижают объемное сопротивление изоляционного материала, значительно увеличивая диэлектрические потери,и вызывают механические повреждения на микроскопическом уровне.

Настоящая опасность водных деревьев заключается в их "задержке".Водные деревья могут постепенно превращаться в электрические деревьяКогда в районе водных деревьев накапливается достаточная влага и примеси, электрическое поле усиливается.в конечном итоге вызывая быстрый рост электрических деревьев и вызывая внезапный отказ изоляции во время работы.

Важно отметить, что, хотя сушка кабелей может временно облегчить проблему, водное дерево обычно считается постоянным и со временем только ухудшится.

В одном реальном случае одно водное дерево в конечном итоге привело к повреждению электрического дерева, в результате чего прямые затраты на замену 700 метров кабеля превысили 200 000 долларов.

Электрохимические деревья
Электрохимические деревья обычно связаны с примесями в изоляционном материале.Когда в изоляционном слое или полупроводниковом слое остаются неорганические примеси (например, соли и частицы металла), они подвергаются электрохимическому разложению под воздействием электрического поля, образуя деревянные структуры.вместе с следами влаги, ускоряет локальную деградацию.

Микроскопический анализ выявил пустоты размером от 15 до 150 микрометров внутри полупроводникового слоя.Эти пустоты пространственно коррелируют с начальными точками электрохимических дендритов, и примеси NaCl также присутствовали вокруг них.

III. Первоначальные дефекты, возникшие во время производства
Первоначальные дефекты, введенные во время производства, являются врожденными слабостями кабеля.Неадекватный контроль процесса при экструзии и перекрестном соединении изоляции XLPE может оставить несколько типичных проблем в изоляции..

Пустоты
Пустоты являются наиболее распространенным видом микроскопического дефекта. Они обычно вызваны неисправностью продуктов разложения органических пероксидов (метан, ацетофенон и т. Д.).) чтобы полностью избежать при перекрестной связиЭти пузыри обычно имеют размер от 15 до 150 микрометров.

Исследования показывают, что размер, количество, площадь и распределение пустоты напрямую определяют прочность кабеля.Более крупные пустоты приводят к более значительному снижению прочности разрушения переменного токаПри рабочем напряжении частичный разряд происходит внутри пустоты, постепенно разрушая окружающий изоляционный материал.

Нечистоты (загрязнители)

Если перекрестные побочные продукты не удалены полностью, или если внешние примеси (такие как пыль или металлические частицы) смешиваются в изоляционный материал,эти примеси станут "слабыми точками" в изоляцииПод влиянием электрического поля заряд будет накапливаться вокруг примеси, вызывая концентрацию электрического поля и, таким образом, ускоряя местное старение.

Протрузии проводников и нерегулярности полупроводникового слоя

Если есть нерегулярности или выступы в проводниковом защитном слое кабеля, они будут встраиваться в изоляционный слой как "колючки," генерируя чрезвычайно высокую локальную напряженность электрического поля под рабочим напряжениемСимуляционный анализ сферических воздушных отверстий, отверстий,и нарушения внутреннего полупроводникового слоя кабельных терминалов показывает, что эти дефекты вызовут значительные изменения в напряжении электрического поляНапример, 2 мм воздушный разрыв может генерировать электрическое поле мощностью до 2,45 × 106 В / мм вблизи проводника.

IV. Проблемы качества, возникающие во время установки и укладки

Если производственными дефектами являются "свободные недостатки" кабелей,тогда проблемы качества установки являются "приобретенным недоеданием", и эти проблемы чаще встречаются в повседневной работе обслуживающего персонала.Согласно статистике работы нескольких международных электросетевых компаний, чаще всего повреждения происходят при помощи кабельных принадлежностей и соединений.

Неисправности аксессуаров: В докладе об обширном анализе причин поломки кабеля 35 кВ XLPE, опубликованном в 2025 году, указано, что на неисправности терминалов приходится 58% всех случаев поломки.основные сбои изоляции на 32%, и внешние факторы на 10%.

В другом случае от реального оператора электросети, 24 подстанции работали 129 10кВ и 35кВ XLPE кабелей.Анализ операционных данных показал, что сбои в основном вызваны электрическим старением, теплового старения и механических повреждений, значительная часть которых была напрямую связана с качеством установки аксессуаров (соединений и окончаний).

Еще один набор статистических данных подтверждает эту тенденцию: в отчете об исследовании, охватывающем 6214 сбоев кабеля (2010-2020 годы),на 57% приходится неисправность изоляции кабеля (из них кабели XLPE были в основном вызваны водяными деревьями), повреждения соединений кабелей составили 23%, повреждения от раскопок третьих лиц составили 11%, а вторичные подстанции составили 9%.

Неправильное изготовление суставов
Неправильная работа при изготовлении кабельных соединений является важным фактором, способствующим возникновению неисправностей.царапины или трещины на изоляционной поверхности XLPE, неполное удаление остатков посторонних веществ, воздушные разрывы между изоляционными интерфейсами и неправильное застегивание проводников.Одно исследование показало, что даже крошечные царапины на поверхности изоляции или остатки полупроводниковых частиц или металлической пыли могут создать локальную концентрацию электрического напряжения на поверхности изоляции, тем самым вызывая частичный разряд.

Внедрение влаги
В подземных условиях, если кабельная оболочка повреждена во время установки или соединения плохо герметизированы,подземные воды могут постепенно проникать в изоляционный слойКак только влага попадает в соединение, она объединяется с электрическим полем, чтобы вызвать электрохимическую коррозию и рост водных деревьев.

Исследования показали, что когда содержание влаги в изоляции XLPE достигает 0,1%, ее диэлектрический коэффициент потери увеличивается более чем в три раза по сравнению с сухим состоянием.что приводит к трате энергии и аномальному повышению температуры.

Следовательно, испытания эффективности изоляции должны проводиться до ввода кабеля в эксплуатацию, после переустройства окончаний или промежуточных соединений, а также после подозрения на повреждение оболочки и проникновение воды.Измерение соотношения сопротивления медного щита к сопротивлению проводника является важным шагом.

Качество закладки
Процесс прокладки на месте также влияет на срок службы кабеля.приводит к механическому повреждению и электромеханическому комбинированному старению с течением времениКроме того, должна быть зарезервирована определенная длина кабеля, чтобы в случае аварии кабель мог быть перестроен.

V. Нагрузки на окружающую среду во время эксплуатации

Тепловое старение
Во время нормальной работы рабочая температура проводника кабелей XLPE обычно составляет 90 °C (долгосрочная допустимая рабочая температура XLPE).когда кабели работают в условиях перегрузки в течение длительных периодов, или в среде с плохой теплоотдачей (например, в плотной трубопроводной установке), температура изоляции может постоянно превышать проектное значение.

Тепловое старение вызывает структурные изменения в изоляционном материале, включая разрыв молекулярной цепи, образование свободных радикалов, уменьшение молекулярной массы и фрагментацию полимера,что приводит к необратимому разрушению физическойНакопление космического заряда является одним из ключевых механизмов, посредством которого тепловое старение влияет на качество изоляции: космический заряд искажает распределение электрического поля,Усиление неоднородности электрического поля, тем самым ускоряя старение изоляции кабеля и вызывая более раннее повреждение.

Исследования показали, что при температуре влажного старения 160°C распределение пространственного заряда в полимерной изоляции напрямую связано с химическим разложением.,как плотность уровня ловушки, так и плотность пространственного заряда значительно увеличиваются, что означает, что способность изоляционного материала ловить заряд улучшается, что еще больше ухудшает эффективность изоляции.

Влага и химическая коррозия

В дополнение к упомянутому выше водородному дереву, вхождение влаги также приводит к другому непосредственному последствию: коррозии медных проводников.

В подземных кабелях, работающих на прибрежных промышленных объектах или в районах с высокой влажностью,Медные проводники могут почернеть из-за коррозии, связанной с сульфатом, или окислиться, образуя зеленый оксидный слой (verdigris) из-за проникновения влаги.

Совместное старение от множественного стресса

В фактической эксплуатации старение кабелей XLPE часто вызвано не одним фактором, а совокупным воздействием нескольких напряжений: тепла, электричества, механического напряжения и влаги.

Как полукристаллический полимер, кабели XLPE неизбежно подвергаются постепенному старению во время работы.воздействие влагиСо временем эти факторы постепенно ослабляют диэлектрические свойства, что в конечном итоге приводит к отказу изоляции.

VI. Как обнаружить и оценить состояние кабелей XLPE
При фактической эксплуатации и техническом обслуживании существует несколько методов, которые помогают определить, имеют ли кабели XLPE вышеупомянутые проблемы.

Испытание напряжения переменного тока и обнаружение частичного разряда

Очень важное напоминание: кабели XLPE не должны испытываться с использованием высокого напряжения постоянного тока.

Причина заключается в том, что во время испытания напряжения постоянного тока в изоляционный слой может быть введен космический заряд через существующие "деревья" в изоляции кабеля.Изоляционный материал XLPE имеет чрезвычайно высокое сопротивление, что затрудняет рассеивание остаточного заряда после разряда. Этот остаточный заряд генерирует электрическое поле, которое накладывается на действующее электрическое поле переменного тока,что делает кабель более восприимчивым к повреждению после прохождения теста на напряжение постоянного тока и ввода в эксплуатацию.

Поэтому для кабелей питания XLPE рекомендуется использовать для оценки комбинацию испытаний переменного напряжения и обнаружения частичного разряда.

Измерение сопротивления изоляции: измерение сопротивления изоляции изоляции главного кабеля эффективно для обнаружения общего поглощения влаги изоляцией, общего ухудшения,и дефекты проникновенияОднако следует отметить, что когда наружная оболочка ПВХ непосредственно закопанного кабеля подвергается длительному погружению в грунтовые воды или повреждению внешними силами, но не полному отказу,Уменьшение сопротивления изоляции само по себе не может напрямую определить, что наружная оболочка повреждена и проникла водой..

Измерение диэлектрических потерь: как упоминалось ранее, диэлектрический фактор потерь изоляционного материала XLPE значительно увеличивается, когда содержание влаги достигает 0,1%.Регулярное измерение диэлектрических потерь является важным средством контроля поглощения влаги и состояния старения изоляции.

VII. Почему зарубежные клиенты должны обращать внимание на эти вопросы

До сих пор мы подробно обсуждали различные проблемы, с которыми могут столкнуться кабели XLPE в практическом применении.

Понимание этих вопросов не означает, что вы "боитесь" использовать кабели XLPE. Напротив, это инженерные знания, которые опытный производитель кабелей должен предоставить своим клиентам..Настоящий профессионализм заключается не в том, чтобы упаковать продукт как идеальный, а в том, чтобы знать, при каких условиях продукт потерпит неудачу, почему он потерпит неудачу, и помочь клиентам избежать этих проблем.

Для зарубежных клиентов при покупке партии кабелей XLPE, ваша забота не "Это кабель дефектный?", а скорее "Если я установить и использовать его в соответствии со спецификациями,Какова его ожидаемая продолжительность жизни??", "На какие аномальные сигналы следует обратить внимание во время операции?" и "Когда следует проводить профилактические исследования?"

Поставщик, который может ответить на эти вопросы, заслуживает долгосрочного доверия.

VIII. Резюме

Общие проблемы с кабелями XLPE можно обобщить на нескольких уровнях.

Самая фундаментальная проблема - деревья. Электрические деревья, водные деревья и электрохимические деревья - это сигналы, предшествующие повреждению изоляции.Они постепенно разрушают целостность изоляционного материала на микроскопическом уровне..

На этапе изготовления первоначальные дефекты, такие как воздушные пробелы, примеси и нерегулярности в полупроводниковом слое, являются врожденными слабостями кабелей.Источник этих дефектов может быть связан с недостаточным контролем процесса перекрестного соединения или чистотой материала..

На этапе монтажа и прокладки приборы для кабелей и соединения являются наиболее пострадавшими от сбоев зонами. На сбои терминалов приходится до 58%, а на сбои соединений - 23%.Неправильное изготовление соединения, влажное проникновение и чрезмерно маленькие радиусы изгиба кабеля являются распространенными факторами.

На стадии эксплуатации тепловое старение ускоряет ухудшение изоляции, в то время как влага и химическая коррозия еще больше повреждают защитный слой и проводник.Кумулятивный эффект множественных напряжений приводит к окончательному срыву.

На протяжении всего срока его службы повреждение изоляции является основной причиной отказа кабеля XLPE, что составляет 86,7% всех сбоев.и поверхностное прополнение являются основными способами отказа изоляционных материалов XLPE.

С точки зрения испытаний следует избегать испытаний на напряжение постоянного тока кабелей XLPE; вместо этого испытания на напряжение переменного тока в сочетании с испытаниями на частичное разряжение являются более надежными.

Если вы в настоящее время используете или собираетесь приобрести кабели XLPE, рекомендуется сосредоточиться на трех ключевых аспектах:Доклад о проверке качества перед поставкой (особенно результаты испытаний частичного сброса), качество аксессуаров при установке (выбор квалифицированной строительной команды),и методы мониторинга состояния во время эксплуатации (регулярные инспекции, такие как инфракрасная термоизоляция и обнаружение частичных разрядов).