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    老化擠包絕緣的修復技術

    時間:2021-11-16 14:50:12 作者:admin 點擊:

    本文節選自《電力電纜工程》(原書第三版)第五章 絕緣材料的基本原理(有刪減和調整),主要介紹了老化擠包絕緣的修復技術。

    我們可以了解到:

    1.?擠包絕緣修復技術的相關概念;

    2.?擠包絕緣修復技術的發展歷史;

    3.擠包絕緣修復的原理;

    4.擠包絕緣修復的現場操作流程;

    老化擠包絕緣的修復技術

    1.?擠包絕緣修復技術的相關概念

    ??本節主要技術僅與老化的擠包絕緣有關。時間流逝,電纜長期老化,使得電纜業主面臨這些電纜最終擊穿失效的狀況。必須在實際擊穿前采取行動來延長電纜壽命。這些行動包括修復電纜使電纜保持一個更長的健康期。修復工藝包括向電纜導體絞線內注入硅烷單體,使其擴散到絕緣中。然后,硅烷單體聚合,同時與絕緣中存在的水分發生反應。聚合后的硅烷單體會填充絕緣中存在的微孔,提高電纜的電氣強度。這種修復工藝也適合已經擊穿的電纜,不過在注入修復前要把擊穿部位去除并安裝新的接頭。

    ??當電纜到了預計壽命時,電纜業主面臨著更換、修理還是修復電纜的決定。成本是一個因素。更換常常意味著昂貴的電纜通道費用。中斷供電服務是另一個要考慮的方面。還有一個因素是電纜的絕緣類型。本節中僅涉及技術因素。

    2.?擠包絕緣修復技術的發展歷史

    修復工藝的發展歷史是很有趣的。在20世紀70年代到20世紀80年代早期,已經從工作中形成該工藝的概念。當時發現已經安裝的聚乙烯絕緣許多都在預期壽命前發生擊穿故障(原因是水樹)。工業界的一個應對措施是考慮把HMWPE絕緣電纜更換為XLPE絕緣電纜,依據是一種抗水樹添加劑一一苯乙酮存在于XLPE中,但HMWPE中沒有。從《聚乙烯的交聯工藝之一:過氧化物交聯》可知,苯乙酮是交聯過程的副產物。因此,不是XLPE本身,而是交聯工藝中的副產物有抗水樹特性。但是,苯乙酮會逐漸析出電纜,從而使得XLPE電纜的抗水樹特性不是長久的。后來,工業界把重心放在開發具有長期抗水樹特性的XLPE上,抗水樹性能優于傳統的XLPE(見抗水樹交聯聚乙烯)。

    ??工業界在致力于開發新的基于XLPE的絕緣材料的同時,對于已經敷設的HMWPE絕緣和XLPE絕緣電纜,也在努力提高這些舊電纜的性能。既然很明顯水的存在是導致地下電纜提前老化減少壽命的主要原因,最早的考慮就是采用正壓的泵通過導體絞線的間隙來充入干燥的氮氣(見《電纜導體線芯受潮或進水的原因及處理方式》)。這個思路在早期敷設的多股絞合導體的聚乙烯絕緣電纜上成功實施,原因是在絞線間存在空隙通道使氮氣通過(實心導體是不可能采用上述思路的)。充足穩定的氣流排出了潮氣,最后還采用空氣代替了氮氣。盡管電纜的壽命提高了,但是這種工藝本身還是有一些局限的。為了氣流通過,需要配置特殊的終端和接合器裝置。電纜的彎頭以及應力錐要改進,還需要在導體上使用特殊夾具。由于過程中需要穩定的氣流,就需要時時維護,而且如果干燥中斷,潮氣會再次進入電纜系統。

    ??氣體為主的干燥修復過程成功阻止了水樹的產生,延長了電纜壽命。干燥對電纜的壽命延長十分關鍵。但是由于實施上的實際困難,也很難繼續改進。最后,整個概念轉換到使用兼容的絕緣液體上來。開始選擇了苯乙酮,原因前面已經提到了(已經證明它能使XLPE絕緣電纜具有抗水樹特性)。在浸漬絕緣上的試驗表明苯乙酮能夠提高電纜的交流(AC)擊穿強度。實際上,加入苯乙酮能夠像充壓縮氮氣那樣排出電纜中的潮氣和雜質。(由于苯乙酮在約20℃凝固,導致在把該物注入成品電纜的過程中溫度控制措施與交聯反應時不同。)但是,在現場注入液體,其工藝過程的諸多缺點與充入干燥氮氣是相同的。苯乙酮在時間長后會從電纜中析出,因此需要經常維護補充,這樣也增加了成本。

    ??20世紀80年代,在充氮氣和苯乙酮的基礎上開發了更加實用化的修復工藝。這種工藝采用硅膠材料(烷氧基硅烷)解決了充入材料溢出電纜的問題。小分子量的硅烷在化學反應中去除了水分(持續充入氮氣和苯乙酮的一個目的),同時也增加了分子量(因此不會隨著時間而從絕緣析出)。Tarpey和工人們一起在奧克蘭(Rockland)電力局首次實現了該工藝的經濟化應用。這種技術解決了很多問題,實現了舊電纜延長使用壽命從概念到實用。

    ??先將硅油充人電纜絞合導體內,硅油擴散到絕緣中,與水產生化學反應,分子量增加。硅油的分子量越大,越不容易像苯乙酮那樣析出。由于這種技術把充入的液體變成了電纜絕緣中的“凝膠”,就不要再持續地施加外部壓力。而且,硫化反應不僅填充了絕緣的微孔,而且也阻止了潮氣再進入電纜。最后,該技術還能提高電纜的介電強度。

    ??單體轉變為聚合物的過程與乙烯到聚乙烯的轉變過程類似。兩者的過程都是低分子量的組分先在長度上生長,形成具備期望性能的鏈狀聚合物??墒?,兩者的類似也到此為止了。兩者的聚合物類型以及轉變過程的機理都存在重要的區別。詳細討論其中的區別不是本章的內容。需要注意的是,聚合硅油的分子鏈長度比聚乙烯的要短,也稱為“低聚物”。

    ??我們接下來論述修復工藝的化學原理和可現場具體應用的實戰技術。

    3.擠包絕緣修復的原理

    ??有幾種硅基修復液可以使用。苯基二甲基硅油(PMDMS)是一種低聚物,已經使用了很多年。本節就是以它作為討論的基礎。這種硅油具備以下特性:最初黏度低、滲透快、與水反應后分子鏈變長。其中能快速滲透電纜是一個重要特點。隨著分子量增加,滲透率減小,單體被鎖定在與水反應的地方(如水樹區)。圖5-1顯示了單體齊聚的過程。

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    圖5-19a顯示了PMDMS的化學結構。弱極性甲基官能團使分子在低聚物的高應力被“捕獲”。單體在水樹區與水反應。

    ??圖5-19b顯示的是反應初期水的極性羥基官能團取代了甲基。

    ??圖5-19c顯示的是剛形成的含羥基的單體與另一個PMDMS單體進行反應,就形成了高分子量的硅油,稱為二聚體。二聚體的形成被認為是齊聚過程的第一步。

    ??圖5-19d顯示接下來的一個可能事件。一個帶有活性甲基官能團的二聚體(見圖5-19c右側)與一個圖5-19b所示的單體發生反應。同時在圖5-19c和圖5-19d中的另一個甲基官能團也會反應(反應結果未圖示)。

    ??可能圖5-19b所示的單體與水反應(在與另一個PMDMS單體進行反應前),產生了帶有兩個羥基官能團的一個分子。這些反應也可能同時發生(也未圖示)。由于上述過程,分子量增加。

    ??因此,上述一系列反應都使硅油注入修復技術向正確的方向發展。

    ??·快速地把硅油充入電纜導體

    ??·通過與硅油的化學反應,去除了水。

    ??·硅油單體齊聚化,成為凝膠結構。

    ??·硅油齊聚后留在原來有水的區域。

    ??·新的聚合物阻止水分進入。

    ??·最終的結果是提高介電強度,提高壽命。

    4.有幾個關鍵點:

    ??1)PMDMS只是用作例子。目前常用的是把該單體與其他硅油單體混合,以增強特性。

    ??2)更新的技術還可以用其他硅油替代PMDMS,如二烷基烷氧基硅烷(如二甲基二甲氧基硅烷);

    ??3)需要加入催化劑開始齊聚過程;

    ??4)硅油注入前,可能需要加入化學添加劑到硅油單體中。

    5.擠包絕緣修復的現場操作流程

    ??本節對提高敷設后的舊電纜性能的實際工作進行論述。

    ??下面關于注入修復的現場工作步驟,是針對地下住宅配電(URD)電纜的。饋電電纜的步驟會稍有不同。

    ??1)斷電。

    ??2)對電纜進行診斷試驗(時域反射儀或者TDR),來確認電纜長度、確認電纜的中性線無腐蝕功能完好。

    ??3)安裝使用的附件。注射彎管或注射接收器都是經過改造的。這些都是永久放在電纜上。

    ??4)重新送電。

    ??5)進行流量和壓力測試。電纜一端充入氮氣,另一端測流量。電纜加壓和充氣并且監控。目的是保證通流,沒有泄漏,同時去除導體中的水分。還要查明電纜的接頭。一般的接頭可以通過氣體或液體,但是一些模塑式接頭可能需要挖出并修理。

    ??6)然后開始修復電纜。用一個注液罐把修復液注入電纜,另一端放置真空罐收集修復液。典型的修復過程需要過夜。

    ??7)注液罐留在當地。操作時間一般要使足夠多的修復液充入電纜并滲透到絕緣中。電纜絕緣的厚度也會影響操作時間。

    ??上述工藝過程是為了確保電纜系統(包括接頭和終端)適合修復,正確完整地進行修復,在預計時間硫化(不能太早開始硫化)。

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