一般认为XLPE电力电缆在正常环境中的寿命为20-30年,然而由于电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下,敷设环境与使用状态会极大的影响电缆的寿命。XLPE电缆长期同土壤、水分、潮气接触,绝缘易受到腐蚀渗透,再加上电缆制造或安装时的局部缺陷,在电、热、机械外力、水、油、有机化合物、酸、碱、盐及微生物作用下,常常发生老化,严重时可能造成故障,破坏电力系统的正常运行。处于恶劣环境中运行的电缆,绝缘破坏的例子屡见不鲜。根据有关部门统计,电缆事故占电气设备事故总数的比例约为48%。
XLPE电缆产生故障的原因非常复杂,常常是多因素的,因此,分析XLPE电缆故障的原因对于避免电气事故是非常重要的。XLPE电缆产生故障的原因大致可分为:
(1)绝缘的自然老化
这是故障产生的主要原因。XLPE电缆绝缘的自然老化又可以分为水树老化、电树老化、热老化、化学老化等,很多时候是多种因素共同作用下的绝缘老化,其中水树老化最为常见。大量的研究资料表明,XLPE电缆绝缘击穿的首要原因是由于绝缘层中形成了水树枝,其原因可能是制造过程中残留在绝缘层中的微水,或运行中因机械损伤水分逐渐侵入,或运行中长期受水浸渍等。在电场的长期作用下,绝缘中将形成由微小的水滴及连接它们的水丝组成的水树枝,它是交联聚乙烯电缆事故的主要原因,约占事故的71%,多发生于自然劣化。水树发展到一定程度又会引发电树的产生,进而导致绝缘更加严重的破坏,甚至被击穿造成电气事故。
(2)外力的破坏
这方面的损坏主要有施工和交通运输所造成的损坏,如挖土、打桩、搬运等都可能误伤电缆,行驶车辆的震动也会造成埋在公路及铁路附近的电缆。在敷设电缆过程中也会因为拉力过大或弯曲过度而导致电缆绝缘和护层的损坏,另外也有因自然力如土壤下沉所形成的拉力导致电缆故障的发生。
(3)材料缺陷及设计制作工艺的影响
材料缺陷包括交联聚乙烯绝缘中含有杂质、导电线芯不够光滑、附件中的铸件有砂眼、瓷件的机械强度不够、由于管理不严而造成电缆中间头和终端头绝缘材料受潮、脏污和老化。设计制作问题大多出在中间接头和终端头部分,例如选用材料不当、电场分布考虑不合理、机械强度和裕度不够等。
(4)过电压
大气过电压和内部过电压是电缆所承受的电应压力超过允许值而造成击穿。对实际故障进行分析发现,许多户外终端头的故障是由大气过电压引起的,电缆本身的缺陷也会导致在大气过电压的时候发生故障。
在以上各种常见故障发生初期,由于电缆整体或绝缘结构发生了变化,就会引起电缆内部电荷分布的改变,进而造成某些部位场强偏大。在这种电场的作用下,电缆绝缘系统中会有部分区域发生放电,但不会马上造成击穿事故,也就是在电缆内部会发生局部放电。
电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关,很多研究表明,电树枝的产生常伴随局部放电的发生,局部放电可能是由电树枝引发,同时又加速电树的生长与绝缘材料的劣化。局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行的缺陷。因为在局部放电过程中,电离出来的电子、正负离子在电场力的作用下具有较大的能量,当它们撞到绝缘内空气隙的绝缘壁时,足以打断绝缘材料高分子的化学键,产生裂解。其次,在放电点上,介质发热可达到很高的温度,使得绝缘材料在放电点被烧焦或融化;温度升高还会产生热裂解或促使氧化裂解;同时温度升高会增大介质的电导和损耗,由此产生恶性循环,导致绝缘体破坏。在局部放电过程中还会产生许多活性生成物,这些生成物会腐蚀绝缘体,使得介质性能劣化。局部放电还有可能产生X射线或Υ射线,这两种射线具有较高的能量,能够促使高分子裂解。除此之外,连续爆破性的放电以及放电产生的高压气体都会使绝缘体产生微裂,从而发展成电树枝。在运行电压下,局放能存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的界面上,当绝缘中存在微孔或绝缘层与内、外半导电层间有空隙时,将由于局部放电侵蚀绝缘而使绝缘性降低,以至发生老化形态,最终表现为绝缘击穿。